Abstract

Aquesta tesi presenta el disseny, la simulació, la fabricació i l’anàlisi experimental d’antenes nanoòptomecàniques per a la detecció de radiació en l’infraroig proper (NIR) i la seva traducció en moviment mecànic. Es van desenvolupar tres estructures d’antena, corresponents als modes ressonants fonamental 𝜆/2 i d’ordre superior 3𝜆/2 i 5𝜆/2. Cada disseny integra un nanodipol plasmònic d’or a la punta de microcàntilevers de Si₃N₄, formant un dispositiu NEMSTENNA (nano-electromecànic d’antena). En el principi de funcionament hi ha dos camins de transducció: l’efecte optoelectromecànic (OEM) desitjat, en què la tensió induïda a l’escletxa d’alimentació genera una força electrostàtica que deflecteix els càntilevers, i l’efecte optotermomecànic (OTM) paràsit, en què l’escalfament induït pel làser produeix una flexió bimetàl·lica. La fabricació dels prototips es va aconseguir mitjançant fresat per feix d’ions focalitzat (FIB) sobre càntilevers comercials d’AFM. Les simulacions electromagnètiques van confirmar fortes ressonàncies a 1,55 μm, amb tensions induïdes de desenes de mil·livolts i deflexions OEM de desenes de picòmetres per mW d’entrada òptica. Les deflexions OTM, però, van ser de diversos nanòmetres sota les mateixes condicions, fet que les converteix en la contribució estàtica dominant. Es va definir una figura de mèrit com la relació entre els desplaçaments OEM i OTM, i tant les simulacions com els experiments van validar la predominança de la resposta tèrmica paràsita. Per superar aquestes limitacions, es va proposar i analitzar una nova antena òptomecànica de tipus diapasó amb una línia de transmissió òptica integrada. Aquesta configuració monolítica elimina l’efecte de la flexió OTM fora del pla i millora significativament la responsivitat OEM, amb deflexions previstes de l’ordre dels 10 nm per a uns pocs mil·livats de potència d’entrada. Això correspon a responsivitats superiors a 1 nm/mW, superant els primers prototips i acostant-se o fins i tot superant altres detectors òptomecànics reportats. Aquest treball demostra la viabilitat de la transducció directa de llum a moviment mecànic mitjançant nanoantenes plasmòniques, proporciona una avaluació quantitativa dels efectes fototèrmics paràsits i introdueix dissenys optimitzats que obren el camí a transductors òptomecànics NIR més ràpids i sensibles. Els resultats estableixen una referència del concepte NEMSTENNA respecte als detectors més avançats i destaquen estratègies de disseny per millorar el rendiment en futurs sistemes integrats fotònics–NEMS.

Key Points

• Optomechanical transduction efficiently converts light into mechanical movement in NIR systems.