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Desarrollo de nuevos procesos de fabricación de nanoestructuras para aplicaciones ópticas avanzadas basados en litografía por interferencia láser

  • Autores: Iñaki CORNAGO SANTOS
  • Directores de la Tesis: Rafael Rodríguez Trías (dir. tes.), Javier Bravo Larrea (codir. tes.)
  • Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2015
  • Idioma: español
  • Materias:
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  • Resumen
    • En esta tesis doctoral se presentan varios procesos de fabricación de nanoestructuras periódicas mediante litografía por interferencia láser, desarrollados para diferentes aplicaciones. En la primera parte se muestra el estudio y la optimización de los procesos de preparación de muestra, formación de patrón y transferencia. Las principales aplicaciones para las que se han desarrollado estos procesos se recogen en la segunda parte, y pueden englobarse en dos grandes grupos: superficies nanoestructuradas anti-reflectantes y nanoestructuras utilizadas como biosensores. Para superficies anti-reflectantes, se presentan varios procesos de fabricación de nanoconos de sílice y de silicio. Entre otros resultados se ha fabricado una oblea de sílice con nanoconos de relación de aspecto 3 en ambas caras que presenta una transmitancia superior al 99% entre 400 nm y 500 nm de longitud de onda en incidencia normal. Por otro lado, con el objetivo de minimizar la reflexión en células solares para mejorar su eficiencia, se presenta también un novedoso proceso de fabricación de nanoestructuras sobre los sustratos no pulidos utilizados comúnmente en la industria fotovoltaica, que tienen una rugosidad RMS de 750 nm. Se ha nanoestructurado uno de estos sustratos con pilares de 300 nm de diámetro, 220 nm de altura y 375 nm de periodo, en un área de 8 cm x 8 cm con un total nanoestructurado del 75%. Además, se ha integrado en una célula solar mostrando una reflectancia inferior al 10% en incidencia normal en el rango de 500 nm a 1.000 nm de longitud de onda, y una eficiencia del 15,56%. En cuanto a la fabricación de superficies nanoestructuradas para biosensores, se han fabricado nanoestructuras para dos tipos: biosensores basados en el fenómeno de la resonancia del plasmón superficial localizado (LSPR), y biosensores basados en nanopilares resonantes (RNP). En el primer caso, se presentan procesos de fabricación de varios tipos de nanoestructuras periódicas de oro sobre vidrio: patrones de líneas, pilares y agujeros. Algunas de las nanoestructuras fabricadas se han utilizado como transductor de un biosensor LSPR, obteniendo unos límites de detección de proteínas en concentraciones en torno a 6·10-9 moles/litro. Por último, se presenta el desarrollo de un proceso de fabricación de RNP compuestos por una multi-capa de SiO2 y Si3N4. Se han fabricado varios chips con RNP de diferentes dimensiones, y se han utilizado como transductores de sensores de cambios de índice de refracción como prueba de concepto, mostrando una sensibilidad alta en comparación con los valores de sensibilidad publicados recientemente. This thesis presents the development of several fabrication processes of periodic nanostructures using laser interference lithography. The first part shows the study and optimization of the processes of sample preparation, pattern formation and transference. The main applications of these nanostructures in this thesis can be found in the second part, and can be classified in two groups: anti-reflective nanostructured surfaces and nanostructures used as biosensors. For anti-reflective surfaces, several fabrication processes of silica and silicon nanocones are presented. Among other results, it has been fabricated a silica wafer nanostructured on both sides with aspect ratio 3 nanocones that shows a transmission at normal incidence higher than 99% between 400 nm and 500 nm of wavelength. On the other hand, with the aim of increasing the efficiency of solar cells by reducing their reflectance, a novel process has been developed to fabricate nanostructures on unpolished substrates typically used at the photovoltaic industry, with an RMS roughness of 750 nm. One of these substrates has been nanostructured in 8 cm x 8 cm, with pillars with 300 nm of diameter, 220 nm of height and 375 nm of pitch, being 75% the total nanostructured area. Besides, it has been integrated in a solar cell showing a reflectance at normal incidence lower than 10% between 500 nm and 1000 nm of wavelength, and an efficiency of 15.56%. Regarding the fabrication of nanostructures for biosensors, two kinds are presented: biosensors based on the localized surface plasmon resonance (LSPR) phenomenon, and biosensors based on resonant nanopillars (RNP). For LSPR biosensors it has been necessary to develop fabrication processes of gold nanostructures on glass with shapes of lines, posts and holes. Some of these nanostructures have been used as transducers of an LSPR biosensor, reaching limits of detection of proteins concentration in the order of 6·10-9 mole/liter. Finally, fabrication processes of RNP composed by a multilayer of SiO2 and Si3N4 are also presented. Several chips with RNP of different dimensions have been fabricated and used as transducers of refractive index sensors in preliminary tests, showing a high sensitivity in comparison with recently published values for this kind of sensors. Este trabajo ha sido financiado en gran parte por el Departamento de Innovación, Empresa y Empleo del Gobierno de Navarra a través de las siguientes becas y proyectos: - Beca para la formación de tecnólogos número 264/01/08. - Proyecto de investigación, desarrollo e innovación IIQ11902.RA1. - Proyecto de investigación, desarrollo e innovación IIM13156.RI1. - Proyecto de investigación, desarrollo e innovación IIQ14076.RI1. - Proyecto de investigación, desarrollo e innovación IIQ14598.RI1. También cabe destacar la ayuda del Departamento de Educación del Gobierno de Navarra a través de la Beca Jerónimo de Ayanz 485/2010. Los procesos de integración en células solares se han llevado a cabo por el Departamento de Energía Solar Fotovoltaica del Centro Nacional de Energías Renovables (CENER). Por último, señalar también la parte del trabajo financiada por la Unión Europea por medio del proyecto con referencia GA-614057 del séptimo programa marco.


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