Cristalli fotonici monodimensionali nanostrutturati per applicazioni sensoristiche

I cristalli fotonici, strutture costituite da una disposizione periodica di materiali a diverso indice di rifrazione in una o più dimensioni dello spazio, sono materiali caratterizzati da spettri di riflettività in cui sono presenti intervalli di lunghezze d'onda a riflettività idealmente unitaria. Un materiale tra i più promettenti, efficaci ed economici per la produzione di cristalli fotonici è il silicio poroso. L'impiego del silicio poroso nella produzione di cristalli fotonici è molto interessante dal punto di vista sensoristico; infatti, se l'aria presente nella struttura porosa viene sostituita da un liquido con dato indice di rifrazione o con materiale biologico le proprietà ottiche del cristallo fotonico risulteranno mutate. Il silicio poroso può essere prodotto mediante un processo controllato di erosione elettrochimica in soluzioni acquose contenti acido fluoridrico (HF). In particolare, il silicio poroso esibisce proprietà ottiche che dipendono dalla morfologia (porosità, spessore dello strato poroso) della sua struttura. Nel presente lavoro di tesi, è stata sfruttata la possibilità di modulare la porosità del silicio poroso prodotto mediante erosione elettrochimica, per fabbricare una particolare tipologia di cristalli fotonici: i “rugate filter”. Tali strutture presentano un profilo di porosità e, quindi, di indice di rifrazione, di tipo sinusoidale in una direzione dello spazio (direzione ortogonale alla superficie del wafer di silicio in cui il rugate filter è realizzato). Dal punto di vista ottico tali strutture esibiscono degli spettri di riflettività con un picco centrato ad una ben precisa lunghezza d'onda. L’obiettivo principale del presente lavoro di tesi è stato quello di progettare, fabbricare e caratterizzare otticamente rugate filter, realizzati in silicio poroso nanostrutturato operanti nel visibile (350 nm – 780 nm). A partire dagli spettri di riflessione sono state ricavate le proprietà di tali filtri ottici: banda spettrale, lunghezza d'onda a centro banda e fattore di qualità. Tale studio ha rappresentato la prima tappa verso lo sviluppo di un (bio)sensore di tipo ottico. In particolare, tale possibilità è stata investigata preliminarmente mediante uno studio di tipo optofluidico che ha previsto l'acquisizione degli spettri di riflettività dei rugate filter fabbricati in presenza di liquidi, a diverso indice di rifrazione infiltrati per capillarità all’interno dei pori. In particolare, monitorando lo spostamento del picco di riflettività in funzione dell'indice di rifrazione del liquido all'interno dei pori, è stato possibile stimare due parametri molto importanti in ambito sensoristico: la Sensitivity ed il Limit-of-Detection. I risultati ottenuti sono confrontabili con lo stato dell'arte di questa tecnologia, specialmente per quanto riguarda la Sensitivity il cui valore è dell'ordine di qualche centinaio di nanometri per variazione unitaria di indice di rifrazione. Sebbene non ancora ottimizzati, i rugate filter fabbricati durante l'attività sperimentale del presente lavoro di tesi risultano promettenti nella realizzazione di (bio)sensori di tipo ottico