Dissertação de mestrado em Physics Engineering, Devices, Microsystems and NanotechnologiesLight, the most widely available source of energy, enables the development of devices that are under
constant studying of optimization and improvement. Nowadays, due to the miniaturization of components,
nanoscale technologies are at an all-time high.
Photonic crystals, nanostructures characterized by defined periodic wavelength-scale patterns, e.g.
pore lattices filled with a different refractive index than that of the bulk material, have the ability to ma nipulate light at ease. This periodicity induces a periodic dielectric function that gives rise to the so-called
photonic bandgaps, a set of wavelengths/energies and crystallographic directions for which propagation
within the photonic crystal is forbidden. Photonic crystals are commonly produced in cleanrooms involving
precise nanofabrication techniques. The demand for a high reproducibility of such structures can, in a long
term, become cost-unfriendly, not to mention the environmentally hazardous methods some techniques
may require.
Recent researches confirmed that natural photonic crystals exist in the silicon dioxide exosqueletons
of diatoms, abundant microalgae that precipitate silicid acid from water. This Thesis focuses on the study
of a specific part of those exosqueletons: the girdles. The highly ordered lattices these structures exhibit
create photonic bandgaps with preserved and well defined photonic properties, paving the way for their
utilization as environmentally friendly photonic materials.
This Thesis shows, through theoretical and experimental studies, the preparation and modification of
these photonic structures by tailoring the refractive index contrast with the deposition of higher refractive
index materials, aiming to fine tuning of the photonic properties, thus presenting diatom biomass as a
highly available photonic crystal with well preserved photonic properties.
Potential applications are not restricted to devices that rely on light, but also involving sensing by
colorimetry or refractive index change detection.Luz, a maior fonte de energia disponível, permite o desenvolvimento de dispositivos que se encontram
sob estudo constante em termos de otimização e aprimoramento. Nos dias de hoje, devido à miniaturização de componentes, tecnologias à nano-escala têm se destacado cada vez mais.
Cristais fotónicos, nano-estruturas caracterizadas por padrões periódicos definidos à escala do comprimento de onda, por exemplo redes de poros preenchidas com um índice de refração diferente do
material que compõe a estrutura, são capazes de facilmente manipular a luz. Esta periodicidade induz
uma função dielétrica periódica que dá origem aos hiatos fotónicos, um intervalo de comprimentos de
onda/energias e direções cristalográficas nos quais a propagação de luz no cristal fotónico é proíbida.
Cristais fotónicos são regularmente produzidos em ambiente de sala limpa envolvendo técnicas de nanofabricação precisas. A exigência de elevada reprodutibilidade de tais estruturas pode, a longo prazo,
tornar-se um processo dispendioso, para não falar dos métodos perigosos para o ambiente que algumas
técnicas possam requerir.
Pesquisas recentes confirmaram a existência de cristais fotónicos naturais nos exoesqueletos de dióxido de silício de diatomáceas, microalgas abundantes que precipitam ácido silícico da água. Esta Tese
foca-se no estudo de uma parte específica destes exoesqueletos: as girdles. As redes altamente ordenadas que estas estruturas exibem criam hiatos fotónicos com propriedades bem definidas e preservadas,
abrindo caminho para a sua utilização como materiais fotónicos amigos do ambiente.
Esta Tese demonstra, com recurso a estudos teóricos e experimentais, a preparação e modificação
destas estruturas periódicas através da modulação do contraste de índice de refração com deposição de
materiais de elevado índice de refração, com o objetivo de modificar as propriedades fotónicas, e assim
apresentar a biomassa proveniente de diatomáceas como cristais fotónicos altamente disponíveis e com
propriedades fotónicas altamente preservadas.
As possíveis aplicações não se restringem apenas a dispositivos que trabalhem diretamente com luz,
mas também envolvendo deteção por colorimetría a deteção de mudanças no índice de refração