Plasmonic Gratings for Sensing Devices

In last decades surface plasmon resonance has known an increasing interest in the realization of miniaturized devices for label-free sensing applications. The research in the direction of such plasmonic sensors with innovative performance in sensitivity and resolution opened to a wide range of unexpected physical phenomena. This work is aimed at understanding and modeling the physical principles of plasmonic platforms which support the exploitation of propagating plasmon modes for sensing purposes. Surface plasmon polaritons excitation and propagation on metallic gratings have been deeply studied and fully analyzed with theoretical models, numerical simulations and optical characterizations of fabricated samples. In particular the physics underlying azimuthal rotation of these nanostructures and the polarization role in this configuration have been theoretically and experimentally examined. The rotated configurations revealed considerable benefits in sensitivity and this improvement has been demonstrated by analyzing the optical response to surface functionalization and liquid solutions flowing through an embodied microfluidic cell. The exploitation of this plasmonic phenomenon in the conical mounting led to the design and realization of a promising setup for a new class of compact and innovative grating-based sensors. The different approaches, modeling – numerical – experimental, through which the problem has been examined, provided an exhaustive investigation into the physics of grating-coupled surface plasmon resonance and its innovative and original applications for advanced sensing devices.

Negli ultimi decenni la risonanza plasmonica di superficie ha conosciuto un crescente interesse nella realizzazione di dispositivi minaturizzati per applicazioni sensoristiche label-free. La ricerca nella direzione di sensori plasmonici con prestazioni innovative in sensibilita’ e risoluzione ha aperto ad un vasto panorama di inattesi fenomeni fisici. Questo lavoro di tesi ha l’obbiettivo di capire e analizzare i principi fisici su cui si basano i supporti plasmonici che sfruttano l’eccitazione di onde di superficie per fini sensoristici. L’eccitazione e la propagazione di plasmoni polaritoni di superficie su reticoli metallici sono state studiate e analizzate a fondo con modelli teorici, simulazioni numeriche e caratterizzazioni ottiche di campioni nanofabbricati. Nello specifico la fisica della rotazione azimutale di queste nanostrutture e il ruolo della polarizzazione in questa configurazione sono state esaminate con strumenti sia teorici che sperimentali. La rotazione del reticolo plasmonico ha rivelato considerevoli benefici in sensibilita’ e questo effetto e’ stato testato e dimostrato analizzando la risposta ottica a funzionalizzazioni di superficie e tramite l’analisi di soluzioni liquide flussate attraverso una cella microfluidica integrata. L’applicazione di questo fenomeno plasmonico ha portato all’individuazione di una configurazione promettente per una nuova classe di sensori a base plasmonica compatti e innovativi. I differenti approcci, modellistico –numerico – sperimentale, con cui il problema e’ stato affrontato, hanno fornito un’analisi completa della fisica della risonanza plasmonica di superficie con reticoli metallici e delle sue innovative applicazioni per dispositivi sensoristici avanzati.