Amplificazione della raccolta di luce in regime di "flat optics" tramite nanofabbricazione di matrici metalliche e dielettriche.

Abstract

I dispositivi per la conversione di luce basati su film ultrasottili, cioè dallo spessore inferiore alla decina di nanometri, sono di grande interesse in applicazioni come, per esempio, il fotovoltaico, la rilevazione di luce e la conversione di energia in processi chimici. Un problema fondamentale per aumentare l’efficienza della conversione dell’energia solare in queste soluzioni è l’ottimizzazione della raccolta di luce. Le soluzioni convenzionali di “ligth trapping”, però, non possono essere applicate in quanto basate su elementi di dimensioni molto maggiori del film attivo e, quindi, poco efficienti. Durante la mia Tesi ho esplorato due soluzioni derivate dalla nanofotonica, sviluppando tecniche applicabili su aree attive macroscopiche (cm2) e scalabili in vista di applicazioni su dispositivi reali. (i) La prima sfrutta delle nanostrutture metalliche che vengono eccitate in modo risonante dalla luce incidente (risonanza plasmonica) incrementando l’interazione luce-materia. Per fabbricare tali strutture si è creato un template con delle corrugazioni che hanno un’altezza ed una distanza ben definita, mediante un processo auto-organizzato, in grado di guidare e confinare la crescita di matrici di nanoantenne metalliche. (ii) Nel secondo caso ho sfruttato gli effetti diffrattivi indotti da un substrato dielettrico nanostrutturato periodicamente per deviare il flusso luminoso parallelamente alla superficie (Anomalia di Rayleigh). Per realizzare tali substrati ho sviluppato un approccio di nanofabbricazione originale basato sulla litografia interferenziale. Si sono impiegati, infine, i campioni realizzati per incrementare la fotodissociazione di una molecola di prova (blu di metilene). In questo modo è stato possibile caratterizzare in modo indiretto l’effetto di cattura di luce indotto dalla nanostrutturazione della superficie dei campioni. Questa applicazione, inoltre, ha un grande interesse applicativo in ambito della purificazione dell’acqua.

Light conversion devices based on thin films active layers are of interest in a wide context of optoelectronic and solar energy harvesting applications ranging e.g. from the photovoltaic field, photodetection and photocatalysis. A crucial issue to increase the efficiency of solar energy conversion is determined by the reduction of optical losses; for this purpose conventional light trapping solutions adopted in devices based on thick semiconductor absorbers cannot be used. Instead, a possible solution could be represented by nanophotonic approaches; among these, I explored two different solutions that are based on large area fabrication techniques. The latter are cost-effective, not time consuming and scalable to commercial application. The first solution exploits arrays of metallic nanoantennas capable of showing resonance with the incident light. For this I took advantage of the self-organization of dielectric substrates irradiated by a defocused ion beam (Argon ion) to guide the growth of laterally disconnected gold nanowires on the substrate ridges. In the second approach I exploited a flat optics scheme in which the dielectric material itself is nanopatterned, becoming the active optical element capable of redirecting the light flow parallel to the substrate (Rayleigh anomaly). For this purpose, I developed a nanofabrication method based on Laser Interference Lithography (LIL), to obtain a periodic structure of subwavelength dimensions. To assess the effectiveness of light harvesting induced by these solutions I have conceived a set of test experiments in which a molecular probe (methylene blue MB) is located in the vicinity of the nanostructures to check the photocatalytic properties of the samples. Photodissociation of MB can on one side provide an indirect measurement of light harvesting’s effectiveness and on the other its dissociation could be very useful in water remediation.