Structural and optical properties of complex-morphology materials based on metal nanostructures

Starting from an overview of the basic concepts on the correlation between structural and optical parameters of plasmonic nanostructures, this work presents the results of the synthesis processes and structural, optical and electrical characterizations of metal-based complex morphology and composition nano-composite materials (such as Au Dendrites, SiO2 Nanowires-Au Nanoparticles pea-podded composites, glass/textured_FTO/Au NPs multilayer). The aim is to assess the state of the art and, then, show the innovative contributions that can be proposed in this research field. Opportune methodologies, based on self-organization, have been developed for the production of such materials. Several microscopic techniques have been used to analyze the structural properties of the synthesized materials (i.e. RBS, SEM, AFM, TEM, EDX, EELS), and macroscopic measurements have been used to probe their electrical and optical properties. To understand the growth dynamic and the evolution of these complex systems, the correlation between structural and optical parameters has been established, and phenomenological growth models have been drafted. The entire work has been focused on the research of innovative, versatile and low-cost synthesis techniques, suitable to provide a good control on the size, surface density and geometry of the complex nanostructures. Such optimization of the structural parameters is necessary to modulate the metallic nanostructures optical and electrical properties for each specific application. Therefore, the aim of this study is the fabrication of functional nano-scale-size materials, whose properties can be tailored, in a wide range, simply by controlling the structural characteristics. Optimized optical and electrical properties are required to improve the performance of new photovoltaic devices, biosensors, nano-scale optical devices, sensors and SERS active-substrates.

Partendo da una panoramica sui concetti base relativi alla correlazione tra i parametri strutturali e le proprietà ottiche delle nano-strutture plasmoniche, questo lavoro di tesi presenta i risultati dei processi di sintesi e delle caratterizzazioni strutturali, ottiche ed elettriche relative a nano-composti metallici con morfologia e composizione complessa (quali le nano-strutture dendritiche di Au, i sistemi compositi SiO2 Nanowires-Au Nanoparticelle e i multistrato vetro/textured_FTO/Au Nanoparticelle). Lo scopo è asserire lo stato dell arte ed individuare i contributi innovativi che possono essere proposti in tale settore della ricerca scientifica. Metodologie, basate su opportuni processi di auto-organizzazione, sono state sviluppate per la sintesi di tali materiali. Diverse tecniche di microscopia e spettroscopia sono state impiegate per analizzare le proprietà strutturali dei materiali sintetizzati (cioè RBS, SEM, AFM, TEM, EDX, EELS) e misurazioni macroscopiche sono state effettuate per sondare le loro proprietà elettriche ed ottiche. Per comprendere la dinamica di crescita e l'evoluzione di questi sistemi complessi, viene stabilita la correlazione tra i parametri strutturali ed ottici, e modelli fenomenologici di crescita vengono sviluppati. L'intero lavoro è stato focalizzato sulla ricerca di tecniche di sintesi innovative, versatili e a basso costo, atte a fornire un buon controllo su dimensione, densità superficiale e geometria delle nano-strutture complesse. Tale ottimizzazione dei parametri strutturali è necessaria a modulare le proprietà ottiche ed elettriche delle nano-strutture metalliche in funzione della specifica applicazione a cui sono destinate. Pertanto, lo scopo di questo studio è stata la realizzazione di materiali funzionali di dimensioni nanometriche, le cui proprietà possono essere modulate, in un ampio range, semplicemente controllando le caratteristiche strutturali. L ottimizzazione delle proprietà ottiche ed elettriche è necessaria per implementare le prestazioni di innovativi dispositivi fotovoltaici, biosensori, dispositivi ottici su nano-scala, sensori e substrati SERS-attivi.