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Multiresonant Bull's Eyes for Plasmonic Surface Enhancement

Applicant Prins Ferry
Number 161243
Funding scheme Ambizione
Research institution Professur für Material-Engineering ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.11.2015 - 31.10.2018
Approved amount 474'600.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Physical Chemistry
Condensed Matter Physics
Material Sciences

Keywords (3)

Surface Enhanced Spectroscopy; Plasmonics; Molecular analytics

Lay Summary (German)

Lead
Optische Spektroskopie zur Analyse von molekularen Spezies ist weit verbreitet und erlaubt beispielsweise den Nachweis und die Identifizierung von Giften und Schadstoffen in einer Vielzahl von Systemen. Eine wesentliche Verbesserung in der optischen Spektroskopie der vergangenen Jahrzehnte ist der Entwicklung der oberflächenverstärkten Spektroskopie zu verdanken. Diese führte zur Verbesserung der Detektionseffizienz molekularer Signaturen um viele Größenordnungen.
Lay summary

 

Oberflächenverstärkte Spektroskopie hat das Potential, sowohl die Ein- als auch die Auskopplung der Photonen mit einem Molekül zu erhöhen. Allerdings beschäftigt sich die herkömmliche plasmonische Oberflächenverstärkung in der Regel nur mit einzelnen Resonanzverstärkungen, was zu einer Verbesserung von höchstens einem einzigen der optischen Übergänge (d.h. die Ein- oder Auskopplung) führt. Dual-Resonanzverstärkung kann verwendet werden, um dieses Problem zu überwinden, erfordert jedoch komplexere Oberflächendesigns. Dies wiederum beschränkt die Flexibilität und Vielseitigkeit dieser Technik. Folglich bilden die heutigen Strategien nicht die optimalen Voraussetzungen um Oberflächeverstärkung voll auszunutzen.

Deshalb schlage ich die Entwicklung einer vielseitigen Plattform mit breit abstimmbaren Mehrfachresonanzen zur gleichzeitigen Optimierung von Anregung, Emission und Streuung in molekularen Systemen vor. Ein zentraler Aspekt meines Ansatzes stellt die Verwendung von konzentrischen Gittern, allen voran der kreisförmigen, metallischen „Bullseyes“ dar. Metallische „Bullseyes“ besitzen scharfe Resonanzen mit hoher Richtwirkung, die über einen weiten Spektralbereich durch einfache Veränderungen in der Gitterperiodizität eingestellt werden können.

Die Ergebnisse dieses Projekts bilden die Grundvoraussetzung für eine breitere Anwendbarkeit von Doppelresonanzoberflächenverstärkung sowohl in der Spektroskopie als auch deren Einsatz in photonischen Elementen. Wegen ihrer einfachen, aber hoch abstimmbaren Struktur werden die vorgeschlagenen plasmonischen Oberflächen eine bis heute, durch konventionelle Oberflächenverstärkung, nicht erreichte Einsatzflexibilität ermöglichen.

 

Keywords

Oberflächenverstärkte Spektroskopie, Oberflächenplasmonen, Molekulare Analyse.

 

Direct link to Lay Summary Last update: 18.09.2015

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Colloidal-Quantum-Dot Ring Lasers with Active Color Control
le Feber Boris, Prins Ferry, De Leo Eva, Rabouw Freddy T., Norris David J. (2018), Colloidal-Quantum-Dot Ring Lasers with Active Color Control, in Nano Letters, 18(2), 1028-1034.
Polarization Multiplexing of Fluorescent Emission Using Multiresonant Plasmonic Antennas
De Leo Eva, Cocina Ario, Tiwari Preksha, Poulikakos Lisa V., Marqués-Gallego Patricia, le Feber Boris, Norris David J., Prins Ferry (2017), Polarization Multiplexing of Fluorescent Emission Using Multiresonant Plasmonic Antennas, in ACS Nano, 11(12), 12167-12173.
Direct Patterning of Colloidal Quantum-Dot Thin Films for Enhanced and Spectrally Selective Out-Coupling of Emission
Prins Ferry, Kim David K., Cui Jian, De Leo Eva, Spiegel Leo L., McPeak Kevin M., Norris David J. (2017), Direct Patterning of Colloidal Quantum-Dot Thin Films for Enhanced and Spectrally Selective Out-Coupling of Emission, in Nano Letters, 17(3), 1319-1325.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
David Norris, ETH Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Pablo Rivera-Fuentes, ETH Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
INC summer school Talk given at a conference Photonics of excitonic nanomaterials 09.09.2018 Miraflores de la Sierra, Spain Prins Ferry;
Advanced Photonics: OSA Optics & Photonics Congress Talk given at a conference Multiresonant Antennas for Polarization Control, 02.09.2018 Zurich, Switzerland De Leo Eva;
Nanop Talk given at a conference Photonic patterning of colloidal quantum dot assemblies 13.09.2017 Barcelona, Spain Prins Ferry;
20 Years Nano-optics Poster Multi-resonant Antennas for Polarization Control 05.09.2017 Erlangen, Germany De Leo Eva;
MAP Symposium Poster Polarization Multiplexing of Fluorescent Emission using Multi-Resonant Plasmonic Antennas 22.06.2017 Zurich, Switzerland De Leo Eva;
MRS Spring meeting Talk given at a conference Polarization-resolved Spectroscopy Using Multiresonant Plasmonic Bull’s-Eye Antennas 17.04.2017 Phoenix, United States of America De Leo Eva;
NanoSpain Talk given at a conference Hierarchical photonics 08.03.2017 San Sebastian, Spain Prins Ferry;
NanoMeta Poster Polarization-resolved Spectroscopy Using Multiresonant Plasmonic Bull’s-Eye Antennas 05.01.2017 Seefeld, Austria De Leo Eva;
EuChems 2016 Conference Talk given at a conference Direct Patterning of Colloidal Quantum Dot Solids 11.09.2016 Sevilla, Spain Prins Ferry;
MaP Graduate Symposium 2016 Poster Structuring Light with Plasmonic Bull's Eyes 09.06.2016 Zurich, Switzerland De Leo Eva;
Nanophotonics and Complex Spatial Modes of Light Poster Nanopore Spectroscopy:Structuring Light with Plasmonic Bull's Eyes 24.01.2016 Bad Honnef, Germany De Leo Eva;


Abstract

Surface enhanced spectroscopy provides many orders of magnitude improvements in the detection efficiency of molecular vibrational signatures. However, conventional plasmonic surface enhancement employs only single resonant enhancement, providing optimal enhancement of at most a single optical transition (i.e. excitation or emission/scattering). Dual-resonant enhancement can be used to overcome this issue, but the broader availability of this technique has been hampered by limitations in the flexibility and versatility of existing platforms. Moreover, applications of dual-resonant enhancement beyond Raman spectroscopy have been largely unexplored. Consequently, present-day strategies do not exploit the full strength that surface enhancement offers. Here, I propose to create a versatile plasmonic platform in which widely tunable multiple resonances will allow for simultaneous optimization of excitation, emission and scattering transitions. Central in my approach will be the use of concentric gratings, most prominently the circular metallic Bull’s Eye. Metallic Bull’s Eyes possess sharp resonances with high directionality that can be tuned across wide spectral ranges through simple variations in the grating periodicity. The results of this project form a prerequisite for wider applicability of dual resonant surface enhancement in both spectroscopy and photonic devices. Because of their straightforward, yet highly tunable structure, the proposed plasmonic surfaces will provide a versatility not found in today's conventional surface enhancement platforms.
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