| Abstract | Photonic crystals are periodic dielectric structures that enable control and manipulation of light propagation, making them highly attractive for various optical applications. A central feature of photonic crystals is the photonic bandgap, which not only forbids the propagation of certain wavelengths but also decreases group velocity and modifies the density of states at the photonic bandgap edges. By careful design and optimization of various parameters, photonic crystals with desired optical properties can be created, leading to enhanced light-matter interactions. This research demonstrates that the density of states increases while group velocity decreases at the high- and low-frequency edges of the photonic bandgap, enhancing light-matter interactions and thereby increasing the Raman scattering rate. Precise tuning of the photonic bandgap relative to the laser excitation wavelength is crucial for optimizing the enhancement conditions. Additionally, the integration of photonic crystals with metallic nanoparticles utilizes the strong localized electromagnetic fields generated by the nanoparticles to achieve even greater signal amplification. Experimental results confirmed that photonic crystals enhance both Raman and SERS signals and showed that the alignment between the laser excitation and the photonic bandgap is crucial for achieving optimal enhancement, with the best results obtained at the photonic bandgap edges. This specific alignment intensifies the light-matter interaction due to the reduced group velocity of light and an increased local density of optical states. Overall, this thesis offers a detailed analysis of how photonic crystals can enhance Raman and SERS signals, providing valuable insights for developing advanced optical sensors and analytical devices. The findings highlight the importance of photonic crystal design in achieving optimal enhancement conditions and offer guidelines for future research and applications in nanophotonics, biosensing, and material science. |
| Abstract (croatian) | Fotonički kristali su periodične dielektrične strukture koje omogućuju kontrolu i manipulaciju širenja svjetlosti, što ih čini vrlo privlačnima za različite optičke primjene. Ključni pojam vezan uz fotoničke kristale je energetski zabranjeni pojas za fotone. Energetski zabranjeni pojas je spektralni raspon unutar kojeg je propagacija određenih valnih duljina svjetlosti zabranjena. Pažljivim dizajniranjem i optimizacijom različitih parametara je moguće kreirati strukture sa željenim optičkim svojstvima, koje omogućuju pojačanje interakcije između svjetlosti i materijala. Upravo zbog ovih jedinstvenih svojstava, fotonički kristali su postali ključne komponente u raznim optičkim primjenama, uključujući razvoj fotoničkih sklopova, visokoučinkovitih senzora i tehnologija za pojačanje optičkih signala. No, osim što sprječava širenje određenih valnih duljina kroz fotoničku strukturu, zabranjeni pojas značajno utječe i na druge optičke karakteristike kao što su grupna brzina svjetlosti i gustoća optičkih stanja. Na rubovima zabranjenog pojasa dolazi do smanjenja grupne brzine svjetlosti i povećanja gustoće optičkih stanja, što rezultira pojačanom interakcijom svjetlosti i materije. Ova svojstva su od presudne važnosti za optimizaciju spektroskopskih tehnika, poput Ramanovog raspršenja i površinski pojačanog Ramanovog raspršenja, koje se oslanjaju na snažne interakcije svjetlosti i materije kako bi postigle visoku osjetljivost i preciznost.
Ovo istraživanje bavi se ulogom fotoničkih kristala u pojačanju Raman i SERS signala, s posebnim naglaskom na pažljivo dizajniranje i optimizaciju karakteristika fotoničkog zabranjenog pojasa u odnosu na valnu duljinu laserskog pobuđivanja. U istraživanju su primarno korišteni fotonički kristali izrađeni od poroznog silicija, koji su odabrani zbog svoje jednostavne izrade, mogućnosti podešavanja optičkih svojstava te kompatibilnosti sa silicijskom tehnologijom. Tip fotoničkih kristala koji su se koristili u ovom radu su tzv. naborani filtri (eng. rugate filter), koji su karakteristični po sinusoidnoj varijaciji indeksa loma. Takav profil fotoničkog kristala omogućuje stvaranje visoko-podesivih fotoničkih zabranjenih pojasa, čime se dodatno povećava njihova primjenjivost u različitim optičkim uređajima. Jedan od ključnih aspekata ovog istraživanja bila je sustavna izrada uzoraka fotoničkih kristala od poroznog silicija. Uzorci su sortirani u šest različitih kategorija, pri čemu je svaka kategorija imala različiti položaj zabranjeg energetskog pojasa za fotone. Pripremljeni fotonički kristali zatim su uranjani u otopinu probne molekule (metil ljubičasta 10B), te su snimljeni Raman spektri. U drugom dijelu istraživanja su fotonički kristali prekriveni zlatnim nanočesticama kako bi se dobila SERS podloga, a Rodamin 6G je korišten kao probna molekula. U oba eksperimenta probna molekula se nalazila na površini uzoraka, ali je i djelomično ispunjavala unutrašnjost poroznog sloja, odnosno fotoničkih kristala. Dodatno, uz karakteristične vrpce probnih molekula, dobiveni Raman i SERS spektri također su sadržavali i vrpcu silicija na ~520 𝑐𝑚−1. Cilj istraživanja bio je istražiti kako relativno pozicioniranje energetski zabranjenog pojasa za fotone u odnosu na valnu duljinu laserske pobude utječe na pojačanje Raman i SERS signala. Eksperimentalni rezultati pokazali su da poravnavanje laserske pobude s rubovima energetski zabranjenog pojasa dovodi do povećanja Ramanovog raspršenja, što se može pripisati smanjenju grupne brzine svjetlosti i odgovarajućem povećanju gustoće optičkih stanja u tom području. Precizno usklađivanje relativnog položaja između zabranjenog pojasa i laserske pobude omogućuje snažniju interakciju svjetlosti i materije, čime se pojačava Ramanov signal, a samim time i točnost i osjetljivost mjerenja. Dodatno, korištenje SERS podloga baziranih na fotoničkim kristalima pokazalo je da uz lokalno značajno pojačano elektromagnetsko polje koje generiraju nanočestice, postoji i dodatno pojačanje signala od fotoničke strukture. Kombinacija fotoničkih kristala i metalnih nanočestica omogućuje dodatno poboljšanje osjetljivosti senzora, što je od velike važnosti za primjene u detekciji niskih koncentracija molekula, biosenzorici i drugim područjima u kojima je potrebno precizno mjerenje. Međutim, iako su rezultati jasno pokazali da fotonički kristali mogu pojačati Raman i SERS signale, istraživanje je također naglasilo važnost relativnog poravnavanja laserske pobude i energetski zabranjenog pojasa za fotone. Najbolji rezultati pojačanja postignuti su u slučaju preklapanja lasera s rubovima zabranjenog pojasa, čime je potvrđena ključna uloga podešavanja položaja energetski zabranjenog pojasa tijekom procesa optimizacije uvjeta za pojačanje signala. Također, SERS signali su pokazali nešto veću varijabilnost u usporedbi s Raman signalima, što je vjerojatno posljedica složenije prirode mehanizma pojačanja kod SERSa. Faktori kao što su distribucija tzv. vrućih točaka (eng. hotspots) i adsorpcija probnih molekula dodatno doprinose ovoj varijabilnosti, naglašavajući potrebu za sustavnom kontrolom pripreme uzoraka i eksperimentalnih uvjeta. Iako su rezultati dobiveni u ovom radu obećavajući, postoji prostor za daljnja istraživanja koja bi mogla pružiti još detaljniji uvid u utjecaj fotoničkih struktura na pojačanje Raman i SERS signala. Na temelju sadašnjih saznanja, buduća istraživanja mogla bi se usmjeriti na proširenje skupa uzoraka i optimizaciju eksperimentalnih protokola. Također, dodatna analiza utjecaja fotoničkih kristala različitih geometrija te dubine okupiranosti probnim molekulama na intenzitet Raman i SERS signala mogla bi doprinijeti daljnjim poboljšanjima u dizajnu i primjeni ovih struktura. Ova disertacija pruža detaljnu analizu potencijala fotoničkih kristala za pojačanje Raman i SERS signala, nudeći vrijedne uvide za razvoj naprednih optičkih senzora. Rezultati također daju praktične smjernice za buduća istraživanja usmjerena na daljnju optimizaciju tehnika pojačanja temeljenih na fotoničkim kristalima i istraživanje njihovih primjena u različitim znanstvenim i industrijskim domenama. Očekuje se da će daljnja istraživanja na ovom polju omogućiti razvoj novih tehnologija i uređaja koji će imati široku primjenu u naprednim optičkim sustavima i analitičkoj znanosti.
Disertacija je podijeljena u sedam poglavlja. Prvo poglavlje uvodi osnovne principe Ramanove spektroskopije, dok se drugo poglavlje fokusira na temeljne aspekte fotoničkih kristala, uključujući elektromagnetski opis fotoničkih kristala, formiranje energetski zabranjenog pojasa za fotone, te specifičnosti vezane uz zabranjeni pojas kao što su smanjena grupna brzina svjetlosti ili povećana gustoća optičkih stanja na njegovim rubovima. Treće poglavlje obrađuje izradu poroznog silicija i njegove optičke karakteristike, dok se četvrto poglavlje odnosi na pojačanje Ramanovog signala preko površinski pojačanog Ramanovog raspršenja i pomoću fotoničkih kristala. Peto poglavlje pruža pregled dosadašnjih istraživanja u području, dok šesto poglavlje opisuje materijale i metode korištene u eksperimentima. Sedmo poglavlje donosi rezultate i detaljnu diskusiju, uključujući usporedbu Raman i SERS signala te analizu utjecaja fotoničkih kristala na njihovo pojačanje. |
