Dissipative Materials Enabled Subwavelength Nanophotonics

Properly structuring materials at subwavelength scale allows for strong light-matter interaction, thereby enhancing near-field effects and engineering far-field scattering through intermodal interference. A majority of such effects are associated with plasmonics where electromagnetic waves created in the vicinity of metallic nanostructures is able to give rise to a variety of novel phenomena and fascinating applications. In the recent years, dielectric nanoparticles with high refractive index based on optically induced electric and magnetic Mie resonances attract a plethora of attention. In this rapidly developing field, dissipative loss in optical materials is considered one of the major challenges. Here, in this dissertation, we show that, counter-intuitively, it contributes positively to sub-wavelength scale light enhancement and confinement, and also improves scattering efficiency in the far field. In the first part of this dissertation, near field enhancement in dissipative dielectric antennas is demonstrated to be orders of magnitude higher than their lossless dielectric counterparts, which is particularly favorable in deep UV applications where metals are plasmonically inactive and transparent dielectrics always have low index. The loss facilitated field enhancement is the result of large material permittivity contrast and electric field discontinuity. These dissipative dielectric nanostructures can be easily achieved with a great variety of dielectrics at their Lorentz oscillation frequencies, thus having the potential to build a completely new material platform boosting light-matter interaction over broader frequency ranges, with advantages such as bio-compatibility, CMOS compatibility and harsh environment endurance. Additionally, manipulation of ultra-violet light through metasurface in the far field utilizing the silicon loss is then presented. We experimentally demonstrate Si metasurfaces working effectively over a broad band down to 290nm, with efficiencies comparable to plasmonic metasurface performance in the infrared regime. And for the first time, we show photolithography enabled by metasurface-generated ultraviolet holograms. We attribute such performance enhancement to the large scattering cross-sections of Si antennas in the ultraviolet range, which is adequately modeled via a circuit model. Our new platform will deepen our understanding of the role of material dissipation and introduce even more material options to broadband metaphotonic applications, including those in integrated photonics and holographic lithography technologies.Dynamically tunable far field with subwavlength nanostructures is always desired for practical applications. In the last section of this dissertation, we introduce a lithography free and field-programmable photonic metacanvas. Previous attempts of realizing such idea used micro-mechanical metamaterials or amorphous-crystalline phase transition materials, which are limited in terms of the functionalities, efficiency, cost, and high working temperature (> 600oC). It is much desired to reconfigure photonic devices in a fast, large-scale, cost-effective, reliable, and free-style way at or near room temperature. Here, we present a completely rewritable meta-canvas on which arbitrary photonic devices can be rapidly written, erased and rewritten. The writing is with a low-power (1 mW) continuous laser and the entire process stays below ~ 90oC. Using these devices we demonstrate dynamical manipulation of optical waves for light propagation, reconstruction and polarization. Such meta-canvas supports physical (re)compilation of photonic operators akin to that of FPGA, opening up possibilities where a single photonic element can be field-programmed to deliver complex, system-level functionalities

DESIGN AND FABRICATION OF MEMS ELECTROSTATIC ACTUATORS

The research presented in this thesis is focused on the design and development of MEMS (Micro Electro Mechanical System) electrostatic actuators. Different kinds of electrostatic actuators are analyzed and presented . The study of torsional electrostatic actuator is carried out and the design of an micromirrors array for beam steering optical switching in a thick polysilicon technology is presented. The main advantage of these devices is that they are realized in a commercial surface micromachining technology (THELMA by STMicrolectronics) hence they are less expensive with respect to other solutions present in literature. For the torsional actuators, a novel semi-analytical model which allows prediction of the behaviour of the structures and takes into account the flexural deformation of the structure is presented. A very good agreement between the model, FEM simulation and experimental results has been obtained. The possibility of using another competitive surface micromachining technology (developed at IMEC) which uses poly silicon germanium as structural layer to realize the micromirrors is also investigated. Poly Silicon Germanium has the advantage that can be integrated on top of commercial CMOS. The development of optimized (low stressed) layers of poly silicon germanium has been addressed and some test micromirrors using this technology have been designed. Moreover an analysis of the levitation effect in electrostatic comb fingers atcuators is presented. The use of this actuation for vertical or torsional motion of micromachined structures is exploited. Two different levitational mechanical resonators have been designed and fabricated in THELMA. Because of the high thickness of the structural layer, classic springs shows several limitation, so specifically designed suspension springs (rotated serpentines), with better performance for high thickness, have been used. A full analysis of this kind of spring and a comparison with other springs are also presented. Finally a study of the dependence of the levitation force intensity on the geometric parameters of the actuators is performed using FEM simulations, and information about critical geometrical parameters in the design of operative levitational actuators is obtained. The devices are characterized and the obtained results are compared with FEM simulations

Additive manufacture of tissue engineering scaffolds for bone and cartilage

Bone and cartilage constructs are often plagued with mechanical failure, poor nutrient transport, poor tissue ingrowth, and necrosis of embedded cells. However, advances in computer aided design (CAD) and computational modeling enable the design of scaffolds with complex internal michroarchitectures and the a priori prediction of their transport and mechanical properties, such that the design of constructs satisfying the needs of the tissue environment can be optimized. The goal of this research is to investigate the capability of additive manufacturing technologies to create designed microarchitectured tissue engineering scaffolds for bone and cartilage regeneration. This goal will be achieved by pursuing the following two objectives: (1) the manufacture of bioresorbable thermoplastic scaffolds by selective laser sintering (SLS) (2) and the manufacture of hydrogel scaffolds by large area maskless photopolymerization (LAMP). SLS is a laser based additive manufacturing method in which an object is built layer-by-layer by fusing powdered material using a computer-controlled scanning laser. LAMP is a massively parallel ultraviolet curing-based process that can be used to create hydrogels from a photomonomer on a large-scale (558x558mm) while maintaining extremely high feature resolution (20µm). In this research, SLS is used to process polycaprolactone (PCL) and composites of PCL with hydroxyapatite (HA) for bone tissue engineering applications while LAMP is used to process polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) which can be used for hard and soft tissue applications.Ph.D

Shedding Light on the Coupling Dynamics in Hybrid Nanostructures

Here we present all-optical investigations of two hybrid nanostructures. In the first hybrid system, we study Janus-type nanofibers consisting of two hemi-cylinders of ferroelectric barium titanate and ferrimagnetic cobalt ferrite. Using the magnetic field-dependent polarization-resolved second harmonic generation technique, we observe a strong magnetoelectric coupling between the two ferroic constituents at room temperature. Corroborating these results by X-ray diffraction, we can also extract repeatable memory-dependent behaviors in these biphasic nanofibers. In the second hybrid system, we study the interaction between the semiconductor indium/gallium arsenide quantum dots and surface plasmon supporting silver structures in the weak coupling regime. When quantum dots are excited above the gallium arsenide band gap energy, we observe polarization- and bias-dependent transitions between different exciton charge states. We also observe a polarization-dependent effect in the photoluminescence signal when exciting below this band gap energy. Both these behaviors are absent in dots away from plasmonic structures

Characterisation of propagating modes and ultrafast dynamics in plasmonic devices

Oberflächenplasmonen sind kollektive Schwingungen der Leitungsbandelektronen an einer Metall-Dielektrikum Grenzfläche, die typischerweise durch kurze Lichtpulse angeregt werden. Plasmonische Bauelemente besitzen das Potential, hohe spektrale Bandbreiten auf der Nanoskala zu implementieren. Die Herstellung und Charakterisierung von plasmonischen Bauelementen stellen wegen ihrer geringen Größe, ihrer Empfindlichkeit gegenüber ihrer Umgebung und der kurzen Lebensdauer der Plasmonen noch viele Herausforderungen an die Fabrikationstechniken wie auch die Materialeigenschaften. Diese Prozesse erfordern eine Beobachtung der Anregung, Ausbreitung und Wechselwirkung der Plasmonen auf angemessene räumlichen und zeitlichen Skalen (jeweils Nanometer und Femtosekunden). In einigen Fallen wird es auch notwendig, die Oberflächenqualität auszuwerten und zu modifizieren. In dieser Arbeit wurden plasmonische Nanoantennen, Wellenleiter und Arrays von Nanolöchern entwickelt und hergestellt. Die lokalisierten und sich ausbreitenden Oberflächenplasmon-Polaritonen wurden dann mit nichtlinearer 2-Photononen Photoemissionsmikroskopie (2P-PEEM) und Femtosekunden-Pump-Probe-Spektroskopie charakterisiert. Diese Experimente wurden durch Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Simulationen ergänzt. Zwei-Photonen PES und Simulationen von Silbernanoantennen (in Form von Doppelellipse- und Schmetterlingsantennen) haben gezeigt, dass Stellen mit hoher Feldverstärkung durch die Veränderung der Polarisationsrichtung der Laserstrahlquelle selektiv angeregt werden können. Plasmonische Streifenwellenleiter mit Spitze aus Silber wurden entwickelt, um einfallendes Licht von der Laserquelle in ausbreitenden Moden zu koppeln und den Einfluss von der Geometrie der Einkopplungsgitter, der Streifenlänge und -breite und der Kegelwinkel zu untersuchen. Die Anregung der sich ausbreitenden Oberflächenplasmon-Polaritonen wurde durch das Vorhandensein von Interferenzstreifen der hohen Photoemissionsintensität entlang der Längsachse der Wellenleiter nachgewiesen. Diese Intensitätsbanden ergeben sich aus der Interferenz zwischen sich ausbreitende Oberflächenplasmonen miteinander und mit dem einfallenden Licht. Diese Wechselwirkung wurde mit Simulationen modelliert. Durch Experimente und Simulationen wurde demonstriert, dass die Regelmäßigkeit der Oberfläche, die Streifenbreite und der Einfallswinkel jeweils die Zahl der Bande beeinflussen können. Es wurde gezeigt, dass eine Oberflächenbehandlung mit niederenergetischen Argon-Ionen-Beschuss die Sichtbarkeit der Interferenzbanden auf dem Wellenleiter erhöhen kann. In einem weiteren Experiment wurde die Übertragung ultrakurzer fs-Laserpulse durch periodische Löcherarrays as Gold mittels Simulationen sowie Pump-Probe-Experimenten untersucht. Der Einfluss der plasmonischen Felder an den Grenzflächen auf die transiente Transmission durch die Locharrays wurde durch Simulationen demonstriert, wobei die Lochgröße, Gitterkonstante, Schichtdicke, und dielektrische Umgebung systematisch verändert wurden. Durch die Einführung eines zweiten Probepulses mit veränderlicher Zeitverzögerung konnte ein Zusammenhang zwischen Plasmonendynamik und Transmissionsdynamik in Simulationen etabliert werden. Die ersten Ergebnisse von Pump-Probe-Experimenten haben die Modulation der Übertragung mittels der vorherigen Anregung der plasmonischen Felder als optischer Schalter nachgewiesen

Tuning the properties of high-Tc superconductor & Sr2IrO4, and exploring transport through single nanocrystals

This thesis is composed of three projects including the AC magnetic susceptibility study of high-temperature superconductor YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta}$, the ionic-liquid gating study of the Mott insulator Sr$_2$IrO$_4$, and the single-electron study of quantum dot device with self-assembled nanocrystal PbS. Chapter 1 covers a general introduction to all three projects. The basic background and the motivation for each project are presented. Project I is covered in Chapter 2, Chapter 3, and Chapter 4. The first part of Chapter 2 is a theoretical introduction to the Bardeen–Cooper–Schrieffer theory of superconductivity with its main conclusions presented. This chapter builds a basis for the use of high pressure technique to YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta}$ in the later chapters. The rest of Chapter 2 reviews the work in the study of high-temperature superconductors, especially on YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta}$, on both experiments and theories and the possible applications of high-temperature superconductors. Chapter 3 introduces the YBa$_2$Cu$_3$O$_{7-\delta}$ sample preparation process and the characterisation. A dry cryomagnetic equipment was employed for the measurement. The results and the discussion are presented in Chapter 4. Project II is described in Chapter 5, Chapter 6, and Chapter 7. Chapter 5 firstly introduces the background knowledge of the gated material SrTiO$_3$ and the technical details of the ionic-liquid gating technique. Then the sample growth and the characterisation are presented. The fabrication process of Sr$_2$IrO$_4$ and SrTiO$_3$ (material for a control experiment) are described in Chapter 6. Chapter 7 covers the measurement and the result of the fabricated devices and related discussion. Project III ranges from Chapter 8, and Chapter 9. A literature review of quantum-dot devices and self-assembled nanocrystals is presented in Chapter 8. The experimental design of this nanocrystal quantum dot device is also included. Following it, the fabrication process of quantum-dot devices and the techniques used for fabrication are introduced in the start of Chapter 9. Chapter 9 also gives a description of the probe-station for measurements. The results and discussion of the measurements are covered in the last section of Chapter 9. Chapter 10 summarises and concludes the three projects stated above and gives some suggestions about the directions for future work

Resolution enhancement in mask aligner photolithography

Photolithographie ist eine unentbehrliche Technologie in der heutigen Mikrofabrikation integrierter elektronischer Schaltungen und optischer Komponenten auf verschiedenen Größenskalen. Die zugrundeliegende Aufgabe ist die Replikation der gewünschten Struktur, die kodiert ist in einer Photomaske, auf einem photolackbedeckten Wafer. In vergangenen Jahrzehnten gab es eine beeindruckende Weiterentwicklung photolithographischer Anlagen, was Auflösungen weit unterhalb eines Mikrometers ermöglicht. Das einfachste photolithographische Instrument ist der Maskenjustierbelichter, bei dem die Photomaske und der Wafer entweder in Kontakt oder in unmittelbare Nähe gebracht werden (Proximity-Modus), ohne zusätzliche optische Komponenten dazwischen. Vor über 50~Jahren eingeführt bleibt der Maskenjustierbelichter aufgrund seines wirtschaftlichen Betriebs das Instrument der Wahl für die Herstellung unkritischer Schichten, mit einer Auflösung von einigen Mikrometern im bevorzugten Proximity-Modus. Maskenjustierbelichter werden beispielsweise für die Herstellung von Mikrolinsen, lichtemittierende Dioden und mikromechanischen Systemen verwendet. Die erreichbare laterale räumliche Auflösung ist letztlich begrenzt durch die Beugung des Lichts an den Strukturen der Photomaske, was zu Verfälschungen der Abbildung auf dem Photolack führt. In dieser Arbeit entwickeln, präsentieren und diskutieren wir mehrere Technologien zur Auflösungsverbesserung für Maskenjustierbelichter im Proximity-Modus. Dies umfasst Photolithographie mit einer neuartigen Lichtquelle, die im tiefen Ultraviolett-Bereich emittiert, eine rigoros optimierte Phasenschiebermaske für periodische Strukturen, optische Proximity-Korrektur (Nahbereichskorrektur) angewandt auf nichtorthogonale Geometrien, und die Anwendung optischer Metaoberflächen als Photomasken. Eine Reduzierung der Wellenlänge verringert die Auswirkungen der Lichtbrechung und verbessert daher direkt die Auflösung, benötigt aber auch die Entwicklung geeigneter Konzepte für die Strahlformung und Homogenisierung der Beleuchtung. Wir diskutieren die Integration einer neuartigen Lichtquelle, ein frequenzvervierfachter Dauerstrichlaser mit einer Emissionswellenlänge von 193$\,$nm, in einem Maskenjustierbelichter. Damit zeigen wir erfolgreiche Prints von Teststrukturen mit einer Auflösung von bis zu 1,75$\,$µm bei einem Proximity-Abstand von 20$\,$µm. Bei Verwendung des selbstabbildenden Talboteffekts wird sogar eine Auflösung weit unterhalb eines Mikrometers für periodische Strukturen erzielt. Außerdem diskutieren wir die rigorose Simulation und Optimierung der Lichtausbreitung in und hinter Phasenschiebermasken, die unter schrägem Einfall belichtet werden. Mit einem optimierten Photomaskendesign kann dabei die Periode bei Belichtung unter drei diskreten Winkeln verkleinert abgebildet werden. Dies erlaubt es, Strukturen deutlich kleiner als ein Mikrometer abzubilden, wobei die Strukturen auf der Photomaske deutlich größer und damit einfacher herzustellen sind. Zudem betrachten wir eine Simulations- und Optimierungsmethode für die optische Proximity-Korrektur nicht-orthogonaler Strukturen, was deren Formtreue verbessert. die Wirksamkeit beider Konzepte bestätigen wir erfolgreich in experimentellen Prints. Die Verwendung optischer Metaoberflächen erweitert die Fähigkeiten zur Wellenfrontformung von Photomasken gegenüber etablierten Intensitäts- oder Phasenschiebermasken. Wir diskutieren zwei Designs für optische Metaoberflächen, die beide den vollen $2\,\pi$-Phasenbereich abdecken. Ein Design beinhaltet dabei noch einen plasmonischen Absorber, was zusätzliche Möglichkeiten bietet, den Transmissionskoeffizient anzupassen. Desweiteren beschreiben wir einen Algorithmus zur Berechnung des Maskenlayouts für beliebige Strukturen. Eine kontinuierliche Weiterentwicklung von Maskenjustierbelichtern ist unerlässlich, um Schritt zu halten mit der fortschreitenden Miniaturisierung in allen Bereich der Optik, der Mechanik und der Elektronik. Unsere Forschungsergebnisse ermöglichen es, die Auflösung der optischen Lithographie im Proximity-Modus zu verbessern und sich damit den zukünftigen Herausforderungen der optischen Industrie stellen zu können