Metamateriali THz 3D: Il Futuro del Sensing è Verticale e Ispirato alle Farfalle!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa di veramente affascinante che sta emergendo nel mondo della scienza dei materiali e della spettroscopia: i metamateriali Terahertz (THz) tridimensionali (3D). So che suona complicato, ma fidatevi, è una figata pazzesca e potrebbe cambiare il modo in cui “vediamo” le cose a livello microscopico.

Perché i Metamateriali THz?

Avete presente le onde Terahertz? Si trovano nello spettro elettromagnetico tra le microonde e l’infrarosso. Hanno delle proprietà uniche, perfette per analizzare materiali biologici, ad esempio. Permettono un’analisi senza contatto, senza etichette (label-free) e, cosa importantissima, senza danneggiare il campione, perché hanno una bassa energia fotonica. Niente ionizzazione o riscaldamento eccessivo.

I metamateriali sono strutture artificiali, create dall’uomo, con proprietà elettromagnetiche che non si trovano in natura. Immaginateli come dei minuscoli circuiti risonanti (LC, induttanza-capacità) progettati su scala sub-lunghezza d’onda. Modificando la loro forma e periodicità, possiamo controllare come interagiscono con le onde THz, creando ad esempio dei “dip” (minimi) nella trasmissione a frequenze specifiche.

Il problema? Le onde THz hanno lunghezze d’onda relativamente grandi (circa 300 micrometri a 1 THz). Questo impone un limite fisico (il limite di diffrazione) alla risoluzione spaziale. In pratica, facciamo fatica a rilevare oggetti molto, molto più piccoli di questa lunghezza d’onda. E qui entra in gioco la nostra idea.

L’Ispirazione dalla Natura e la Sfida del 3D

La natura è una maestra di nanostrutture. Pensate ai colori cangianti delle ali di farfalla (come la famosa Morpho), alle superfici anti-riflesso degli occhi delle falene o alle foglie di loto idrorepellenti. Le strutture 3D della farfalla Morpho, con le loro lamelle verticali microscopiche, sono state una grande fonte d’ispirazione. Molti hanno provato a replicarle per varie applicazioni, ma spesso si usano polimeri o tecniche complesse e costose come la litografia a fascio elettronico (e-beam), che non è ideale per produzioni su larga scala.

Realizzare strutture 3D metalliche complesse, soprattutto con “vuoti” (gap) nanometrici e un alto rapporto d’aspetto (cioè molto “profondi” rispetto alla loro larghezza), è una bella sfida. Questi nanogap sono cruciali: quando una sostanza entra in questi spazietti, cambia la capacità del nostro “circuito” metamateriale, e questo sposta la frequenza del dip di trasmissione. È così che facciamo sensing!

La Nostra Soluzione: Nanogap Verticali e Fabbricazione “Intelligente”

Allora ci siamo detti: perché limitarci a nanogap piatti, bidimensionali? Estendiamoli in verticale! Abbiamo sviluppato un metodo per fabbricare metamateriali THz 3D composti da strati metallici (abbiamo scelto il Molibdeno (Mo) per le sue proprietà meccaniche e conduttività) a forma di croce, alternati a strati di un polimero sacrificale (il LOR3A).

Il processo, in breve:

• Spalmiamo uno strato sottile (400 nm) di polimero LOR3A su un substrato di quarzo.
• Depositiamo uno strato ancora più sottile (150 nm) di Molibdeno con sputtering.
• Ripetiamo questo processo per creare una pila di strati (nel nostro caso, tre coppie metallo-polimero).
• Usiamo la fotolitografia classica (niente e-beam!) per definire la forma a croce sulla superficie.
• Incidiamo verticalmente attraverso tutti gli strati con un fascio ionico (ion milling).
• Ed ecco il trucco: usiamo un’incisione al plasma di ossigeno. Questo plasma “mangia” selettivamente il polimero LOR3A ma lascia intatto il metallo! Rimuovendo il polimero tra gli strati di metallo, creiamo dei nanogap verticali pieni d’aria.

Siamo riusciti a ottenere nanogap con un rapporto d’aspetto pazzesco, superiore a 64! Significa che sono 64 volte più profondi che larghi. Questo è molto più alto di quanto si ottiene di solito con altre tecniche per strutture simili. E tutto usando tecniche di microfabbricazione abbastanza standard.

Progettazione e Simulazione: Ottimizzare la Risposta THz

Prima di costruire, abbiamo simulato tutto al computer (usando CST MICROWAVE STUDIO). Volevamo che il nostro metamateriale avesse un bel “dip” di trasmissione intorno a 0.6 THz, perché è la frequenza centrale del nostro spettrometro THz-TDS (Time-Domain Spectroscopy).

Abbiamo giocato con i parametri: la lunghezza degli assi della croce, la periodicità (quanto vicine sono le croci tra loro), lo spessore degli strati. Abbiamo scoperto che la lunghezza dell’asse lungo della croce e la periodicità sono i fattori principali che determinano la frequenza di risonanza. Dopo varie simulazioni, abbiamo definito i parametri ottimali: periodo 200 µm, asse lungo 160 µm, asse corto 10 µm, spessore metallo 0.15 µm, spessore polimero (e quindi altezza del nanogap) 0.4 µm.

I Risultati Sperimentali: Funziona Davvero!

Abbiamo fabbricato i dispositivi con uno, due e tre strati sovrapposti. Misurando la trasmissione THz, abbiamo visto chiaramente che la struttura a tre strati dava un “dip” molto più profondo e definito rispetto a quelle a uno o due strati. Questo conferma che aumentare il numero di strati (e quindi di nanogap verticali) migliora la risposta del metamateriale. Bingo!

Poi, la prova del nove: il sensing. Abbiamo preso il nostro dispositivo a tre strati e abbiamo misurato lo spettro THz. Poi abbiamo introdotto dell’Alcol Isopropilico (IPA) nei nanogap. L’IPA ha un indice di rifrazione diverso dall’aria, quindi ci aspettavamo uno spostamento della frequenza del dip.

E così è stato! La frequenza del minimo di trasmissione è passata da 0.595 THz (aria) a 0.526 THz (con IPA). Uno spostamento netto di 0.069 THz, ben misurabile e significativo. Abbiamo anche confrontato questi risultati con le simulazioni, inserendo l’indice di rifrazione dell’IPA (circa 1.53 in questo range di frequenze), e i conti tornavano alla grande!

Sensibilità da Record e Prospettive Future

Calcolando la sensibilità del nostro dispositivo (quanto si sposta la frequenza per unità di cambiamento dell’indice di rifrazione, misurata in GHz/RIU), abbiamo ottenuto un valore di 123 GHz/RIU. Questo è notevolmente migliore dei circa 70 GHz/RIU riportati per metamateriali THz con nanogap bidimensionali. Pensiamo che questo miglioramento sia dovuto sia all’intensità del segnale più alta grazie agli strati multipli, sia alla maggiore area superficiale disponibile per l’interazione con il campione all’interno dei nanogap verticali.

Certo, ci sono ancora margini di miglioramento. Ad esempio, usando maschere di incisione più resistenti (come il Nichel) potremmo impilare ancora più strati o rendere i nanogap ancora più uniformi.

Ma le potenzialità sono enormi! Questi metamateriali 3D aprono la strada a sensori THz molto più sensibili per rilevare solventi organici, biomolecole, virus, gas e liquidi. Si possono integrare facilmente nei sistemi di spettroscopia THz esistenti.

E non finisce qui. La banda THz è considerata cruciale per le comunicazioni di prossima generazione (6G). I nostri metamateriali potrebbero trovare applicazione anche lì, magari come amplificatori di segnale o antenne miniaturizzate ad alte prestazioni. Immaginate terminali di comunicazione che integrano anche capacità di analisi spettroscopica dei materiali… il futuro è davvero dietro l’angolo!

Insomma, combinando l’ispirazione dalla natura con tecniche di fabbricazione intelligenti, siamo riusciti a creare qualcosa di nuovo nel campo dei metamateriali THz, spingendo un po’ più in là i limiti del sensing. Non vedo l’ora di vedere dove ci porterà questa tecnologia!

Fonte: Springer