Molecular materials for photonics

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-06-02
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
108 + app. 60
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 92/2017
Abstract
Billions of years of evolution has produced a variety of functional components that enable life on Earth. The notable examples are chlorophylls that have a vital role in converting the energy of the Sun into chemical energy, and nucleobases that act as the building blocks in DNA/RNA, which store and convey the genetic information in living organisms.  Thematically, this thesis is divided into two parts. The first part studies how the natural components, chlorophyll and uracil molecules, could be utilized in modern photonic applications. Publication I investigates the properties of supramolecular Zn chlorin-poly(4-vinylpyridine) assemblies that mimic the biological antenna structure. Moreover, this approach was used to create assemblies with macroscopically homogeneous pigment distribution. Publication II studies how FRET-mediated energy-transfer could be used to enhance the performance of the materials studied in Pub. I . In Publications III and IV, atomic/molecular layer deposition is established as a method to create fundamentally new three-dimensional sodium networked uracil assemblies with novel optical properties.  The second part investigates how silver nanoparticle assemblies could be utilized in surface enhanced spectroscopic techniques. Generally, Publications V and VI investigate two economical nanofabrication methods to create large-scale plasmonic substrates. In Publication V , azopolymer lithography was utilized to create periodic plasmonic nanoparticle arrays for fluorescence enhancement. In Publication VI , a method utilizing cryogenic deep reactive ion etching with inductively coupled plasma was used to create a plasmonic substrate for surface enhanced Raman scattering applications.  The results obtained in this thesis could pave the way for new biomimetic photonic materials and enable the utilization of economic and large-scale nanofabrication methods in creating new plasmonic materials. Especially, molecular layer deposition was established as a promising and scalable method to create materials with novel structural and optical properties.

Evoluutio on tuottanut miljoonien vuosien aikana valtavasti funktionaalisia yhdisteitä, jotka mahdollistavat elämän maapallolla. Tunnetuimpia esimerkkejä näistä komponenteista ovat klorofyllit, joilla on olennainen rooli prosesseissa, joissa auringon valo muutetaan kemialliseksi energiaksi. Lisäksi DNAn ja RNAn emäkset toimivat geneettisen informaation varastoinnissa ja välittämisessä elävissä organismeissa.  Temaattisesti tämä väitöskirja koostuu kahdesta aihealueesta. Ensimmäisessä osassa tutkitaan miten luonnon tuottamia klorofylli- ja urasiili-molekyylejä, voidaan hyödyntää moderneissa fotoniikan sovelluksissa. Julkaisussa I tutkittiin supramolekyläärisiä sinkki kloriini-poly(4-vinyylipyriidi)-yhdistelmiä, jotka imitoivat biologista antennirakennetta. Lisäksi tällä menetelmällä pystyttiin luomaan yhdisteitä, joissa pigmentit voidaan sijoittaa rakenteeseen tasaisesti makroskooppisessa mittakaavassa. Julkaisussa II tutkittiin, kuinka näiden klorofylliyhdisteiden tehokkuutta voitaisiin parantaa käyttämällä energian siirtoa FRET-mekanismin välityksellä. Julkaisuissa III ja IV atomi/molekyylikerroskasvatusta käytettiin luomaan täysin uusia kolmiulotteisia natriumin linkittämiä urasiili-rakenteita, joilla havaittiin uudenlaisia optisia ominaisuuksia.  Toisessa osassa tutkittiin kuinka hopeasta tehtyjä nanopartikkelirakenteita voitaisiin hyödyntää pintavahvisteisissa spektroskopia menetelmissä. Yleisesti julkaisut V ja VI esittelevät kaksi nanovalmistusmenetelmää, joilla pystytään valmistamaan plasmonisia subtraatteja suurille pinta-aloille. Julkaisussa V atsopolymeerilitografiaa käytetään valmistamaan periodisia nanopartikkelihiloja fluoresenssin vahvistukseen. Julkaisussa VI kryogeenista induktiivisesti kytkettyä syväreaktiivietsausta käytetään luomaan plasmonisia substraatteja pintavahvisteiseen Raman-sirontasovelluksiin.  Työssä esitetyt tulokset viitoittavat tietä uusille biomimeettisille fotonisille materiaaleille ja mahdollistavat sellaisten nanovalmistusmenetelmien käyttöä, joilla on mahdollista valmistaa suuria pinta-aloja plasmonisilla rakenteilla. Erityisesti osoitetaan atomi/molekyylikerroskasvatuksen soveltuvuus menetelmänä, jolla pystytään luomaan rakenteellisesti ja optisesti uudenlaisia materiaaleja.
Description
Supervising professor
Tittonen, Ilkka, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Thesis advisor
Kujala, Sami, Dr., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Keywords
chlorophyll, FRET, uracil, nucleobase, atomic/molecular layer deposition, red-edge excitation shift, plasmonics, metal enhanced fluorescence, surface enhanced Raman scattering, klorofylli, FRET, urasiili, typpiemäs, atomi/molekyylikerroskasvatus menetelmä, REES, plasmoniikka, metallivahvisteinen fluoresenssi, pintavahvisteinen Raman-sironta
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Ville Pale, Taru Nikkonen, Jaana Vapaavuori, Mauri Kostiainen, Jari Kavakka, Jorma Selin, Ilkka Tittonen, and Juho Helaja. Biomimetic zinc chlorin–poly(4-vinylpyridine) assemblies: doping level dependent emission–absorption regimes. Journal of Materials Chemistry C, 1, 2166 - 2173, January 2013.
    DOI: 10.1039/C3TC00499F View at publisher
  • [Publication 2]: Ville Pale, Taru Nikkonen, Juho Helaja, and Ilkka Tittonen. Light-harvesting zinc chlorin-poly(4-vinylpyridine) complexes. In 14th IEEE International Conference on Nanotechnology, Toronto, 225 - 228, August 2014.
    DOI: 10.1109/NANO.2014.6968052 View at publisher
  • [Publication 3]: Zivile Giedraityte, Olga Lopez-Acevedo, Leonardo Andres Espinosa Leal, Ville Pale, Jani Sainio, Tripurari Sharan Tripathi and Maarit Karppinen. Three-dimensional uracil network with sodium as a linker. The Journal of Physical Chemistry C, 120, 26342 - 26349, October 2016.
    DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b08986 View at publisher
  • [Publication 4]: Ville Pale, Zivile Giedraityte, Xi Chen, Olga Lopez-Acevedo, Ilkka Tittonen and Maarit Karppinen. Excitation-dependent fluorescence from atomic/molecular layer deposited uracil-sodium thin films. submitted, January 2017.
  • [Publication 5]: Ville Pale, Christoffer Kauppinen, Jorma Selin, Markku Sopanen, and Ilkka Tittonen. Fluorescence-enhancing plasmonic silver nanostructures using azopolymer lithography. RSC Advances, 6, 48129 - 48136, May 2016.
    DOI: 10.1039/C6RA04202C View at publisher
  • [Publication 6]: Ya Chen, Guoguo Kang, Ali Shah, Ville Pale, Ying Tian, Zhipei Sun, Ilkka Tittonen, Seppo Honkanen, and Harri Lipsanen. Improved SERS Intensity from Silver-Coated Black Silicon by Tuning Surface Plasmons. Advanced Materials Interfaces, 1, 1300008, February 2014.
    DOI: 10.1002/admi.201300008 View at publisher
Citation