Diffusione Raman in mezzi ottici disordinati

Pubblicato sulla prestigiosa rivista internazionale Advanced Science l'articolo dal titolo Visualization of Directional Beaming of Weakly Localized Raman from a Random Network of Silicon Nanowires. Il lavoro studia le proprietà ottiche di mezzi materiali disordinati, quali i nanofili di silicio, utilizzando diverse tecniche spettroscopiche, quali la diffusione Rayleigh diretta, la fotoluminescenza e la diffusione Raman debolmente localizzata, con analisi sia diretta che indiretta (Fourier). La visualizzazione diretta di luce coerente in sistemi disordinati è importante sia dal punto di vista fondamentale, sia sul piano delle applicazioni, quali la progettazione di sensori ottici di nuova generazione.

Alla ricerca hanno contribuito numerosi ricercatori, docenti, dottorandi e assegnisti del DFA, tra i quali i Professori Maria José Lo Faro e Francesco Priolo e i Dottori Antonio Alessio Leonardi e Dario Morganti.

Il controllo dei fenomeni di trasporto della luce nei mezzi fortementi diffusivi (complex media) è un settore emergente per la realizzazione di dispositivi optoelettronici di prossima generazione basati su strutture disordinate, inclusi sensori, sorgenti luminose, switch ottici e sistemi per lo storing di energia.

In questo studio si è ottimizzata la direzionalità della luce Raman coerente diffusa fuori dal piano da una network frattale di nanofili di silicio. I nanofili di silicio frattali sono stati fabbricati con una procedura economica, veloce, senza l’uso di maschere e di facile implementazione con i processi industriali basata sull’attacco chimico assistito da sottili film di oro percolativo realizzati con evaporazione da fascio elettronico. L’elevato controllo sulle proprietà strutturali durante la sintesi contente di realizzare nanofili confinati quanticamente ed in grado di emettere luce nel range visibile a temperatura ambiente, con la possibilità di variare la geometria frattale in funzione dei parametri di processo. L’invarianza di scala del sistema frattale determina un efficiente intrappolamento della luce su un ampio range di lunghezze d’onda (dal visibile al vicino IR), una caratteristica strategica per le applicazioni nel settore fotovoltaico e per la fotonica. La peculiare geometria frattale di questi densi array di nanofili (1012 NW/cm2) determina il verificarsi di un marcato fenomeno di scattering multiplo che amplifica le proprietà di emissione e di scattering, sia elastico (Rayleigh) che inelastico (Raman) della radiazione incidente.

Sebbene sia possibile generare luce coerente utilizzando tali materiali disordinati, la sua emissione direzionale è tipicamente ostacolata dalla loro forte natura diffusiva.

Gli studi di microscopia nello spazio reale e di imaging di Fourier dei segnali Rayleigh, Raman e di fotoluminescenza presentati in questo lavoro hanno consentito di ricavare informazioni sui meccanismi di trasporto della luce responsabili della coerenza della luce diffusa anelasticamente dal network frattale per il controllo della sua direzionalità.

Partendo da due array frattali di nanofili con diversa geometria, dunque differenti parametri ottici di lunghezze di assorbimento, è stato possibile ottenere informazioni sui meccanismi di trasporto della luce nel materiale random tramite l’analisi dell’imaging diretto.

Dall’analisi delle microscopie sul segnale di fotoluminescenza nello spazio reale sono state misurate le lunghezze di trasporto incoerente dell’ordine delle decine di micrometri, mentre dall’imaging diretto del solo segnale Raman si è stimata la lunghezza di localizzazione debole di circa 5 μm. L’imaging di Fourier invece ha consentito per la prima volta la visualizzazione diretta del beaming out-of-plane del cono coerente di retrodiffusione Raman nei due frattali per una ulteriore comparazione delle lunghezze caratteristiche di trasporto e di localizzazione debole tramite il fit delle immagini. In questo studio si è ottimizzata e controllata la direzionalità della luce Raman coerente diffusa fuori dal piano da una network frattale di nanofili di silicio, senza ricorrere a tecniche di modulazione del fronte d’onda e senza mediare su tante configurazioni di disordine, come usualmente richiesto per l'ottenimento un fascio coerente di luce diffusa elasticamente (Rayleigh) da un mezzo disordinato. La visualizzazione diretta del fascio di luce coerente in network frattali di nanofili di silicio offre nuove opportunità per studi fondamentali sulla propagazione della luce in mezzi disordinati con interessanti prospettive applicative per lo sviluppo di dispositivi optoelettronici di ultima generazione in silicio.