<p>The resonance of surface plasmons on metal nanoparticles can be excited at visible wavelengths. The extraordinary enhancement of a variety of optical phenomena in the vicinity of metal nanoparticles has been attributed to the strong fields generated under resonance conditions. As a result, extensive research has been carried out to incorporate the extraordinary optical properties of metal nanoparticles into optical devices and applications, ranging from spectroscopy (e.g, surface enhanced Raman, IR and Fluorescence), optical sensing and imaging, to photovoltaic cells, photonic crystals and optical switches. Particular effort has been directed towards producing stable dispersion of metal nanoparticles within soft dielectric matrices and their subsequent construction into different device geometries.</p> <p>This thesis describes a method to photolytically generate Ag nanoparticles within organosiloxane sols, which can subsequently be photopolymerized in the presence of photoinitiators and therefore, be patterned through a variety of photo-inscription processes. The mechanism of Ag nanoparticle growth and evolution is described in detail followed by the fabrication of periodic metallodielectric gratings through photomask and laser interference lithography. Studies also showed that three different forms of nonlinear light propagation, optical self-trapping, modulation instability and spatial self-phase modulation could be elicited in the Ag nanoparticle-doped systems. Detailed experimental examination of these phenomena elucidated significant differences in their dynamics in the metallodielectric systems compared to non-doped samples. These included variations in the dynamics of self-trapped beams such as the excitation of optical modes, critical thresholds for modulation instability and self-phase modulation. The potential of these nonlinear processes for the self-inscription of 3-D metallodielectric structures including cylindrical multimode waveguides and waveguide lattices has also been studied.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um processo de fabricação de elementos micro-ópticos utilizando-se litografia por feixe de elétrons, empregando o resiste SU-8, negativo e amplificado quimicamente, sobre substrato de Si. Para tanto, é realizado o estudo dos parâmetros do efeito de proximidade a, b e h para se modelar e controlar os efeitos do espalhamento dos elétrons no resiste e no substrato, e se altera o processamento convencional do SU-8 para se obter um processo com baixo contraste. A determinação dos parâmetros do efeito de proximidade para o sistema de escrita direta e amostra SU-8 / Si é feita experimentalmente e por simulação de Monte Carlo. Particularmente, verifica-se a dependência dos mesmos com a profundidade do resiste. Primeiramente utilizando o software PROXY, obtêm-se a, b e h da observação de padrões de teste revelados. Chega-se a 4m para o parâmetro () que mede o retroespalhamento dos elétrons pelo substrato e 0,7 para a relação (h) entre a intensidade destes com aquela dos elétrons diretamente espalhados pelo resiste (alcance dado por a). Ainda, com esses dados, estima-se o diâmetro do feixe do microscópio eletrônico de varredura a partir da equação de aproximação de espalhamento direto para pequenos ângulos (a = 128nm na superfície do resiste) e se determina a resolução lateral do processo (a = 800nm na interface resiste/ substrato, para um filme de 2,4m). Em seguida, usa-se o software CASINO para se calcular os parâmetros de proximidade a partir da curva de densidade de energia dissipada no resiste obtida pela simulação da trajetória de espalhamento dos elétrons. Confrontam-se, finalmente, os valores obtidos pelos dois métodos. Em relação ao processamento do resiste SU-8, são determinadas as condições experimentais para a fabricação de estruturas tridimensionais por litografia de feixe de elétrons. Especificamente, busca-se desenvolver um processo com características (espessura, contraste, sensibilidade e rugosidade) adequadas para a fabricação de micro-dispositivos ópticos. Inicia-se com o levantamento das curvas de contraste e da sensibilidade do SU-8 para determinadas temperaturas de aquecimento pós-exposição. Obtém-se contraste abaixo de 1 para aquecimento pós-exposição abaixo da temperatura de transição vítrea do resiste, mantendo-se sensibilidade elevada (2C/cm2). Em seguida, mede-se a rugosidade da superfície do filme revelado para diferentes doses de exposição. Para finalizar, submete-se a amostra a um processo de cura e escoamento térmico, para melhorar a dureza e a rugosidade do resiste a ser utilizado como dispositivo final Consegue-se um valor de rugosidade (40nm) inferior a 20 vezes o comprimento de onda de diodo laser de eletrônica de consumo. Por fim, é produzido um dispositivo com perfil discretizado em 16 níveis como prova de conceito. / This work aims at developing an electron-beam lithography process for the fabrication of microoptical elements using the negative tone chemically amplified resist SU-8 on Si substrate. A study of the proximity effect parameters a, b and h is carried out to model and control the electron scattering both in the resist and in the substrate, and the SU-8 standard processing conditions are changed to achieve a low contrast process. The determination of the SU-8 / Si proximity effect parameters and its dependence with resist depth is done employing an experimental method and through Monte Carlo simulations. First, a, b and h are obtained comparing exposed patterns calculated by the software PROXY. b, the parameter which measures the backscattering of the electrons by the substrate, is equal to 4m and the value of h, the ratio of the dose contribution of backscattered electrons to that of the forward scattered (related to a), is 0.7. The extrapolation of exposed patterns data is used to estimate the scanning electron microscope beam diameter through the equation for low angle scattering (a = 128nm at the resist surface) and the lateral resolution of the process is determined (a = 800nm at the resist/ substrate interface, for a 2.4m film). With aid of the software CASINO, Monte Carlo simulations of the scattering trajectories of electrons in substrate and resist materials are calculated, recording the energy that they dissipate through collisions along their path. The results obtained representing the profile of the energy dissipated in the resist are used to determine the proximity effect parameters. The experimental method results are compared to that obtained by simulation. Regarding the SU-8 processing, the process parameters for the fabrication of three-dimensional structures by electron-beam lithography are determined. The process is designed to have specifications (thickness, contrast, sensitivity and surface roughness) suitable for microoptical elements fabrication. It begins with the determination of the SU-8 contrast curve and its sensitivity for specific post-exposure bake temperatures. A below the unit contrast process with high sensitivity (2C/cm2) is achieved postannealing the sample below the resist glass transition temperature. The film surface roughness is measured after resist development for different exposure doses, and a controlled hardbake (cure) and reflow is carried to enhance both the mechanical properties and the surface roughness of the structures that will remain as part of the final device. A RMS roughness of 40nm, lower than 20 times the wavelength of consumer electronics laser diode, is obtained. The electron-beam process designed is applied to the fabrication of a microelement with a 16-level profile discretization.

O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um processo de fabricação de elementos micro-ópticos utilizando-se litografia por feixe de elétrons, empregando o resiste SU-8, negativo e amplificado quimicamente, sobre substrato de Si. Para tanto, é realizado o estudo dos parâmetros do efeito de proximidade a, b e h para se modelar e controlar os efeitos do espalhamento dos elétrons no resiste e no substrato, e se altera o processamento convencional do SU-8 para se obter um processo com baixo contraste. A determinação dos parâmetros do efeito de proximidade para o sistema de escrita direta e amostra SU-8 / Si é feita experimentalmente e por simulação de Monte Carlo. Particularmente, verifica-se a dependência dos mesmos com a profundidade do resiste. Primeiramente utilizando o software PROXY, obtêm-se a, b e h da observação de padrões de teste revelados. Chega-se a 4m para o parâmetro () que mede o retroespalhamento dos elétrons pelo substrato e 0,7 para a relação (h) entre a intensidade destes com aquela dos elétrons diretamente espalhados pelo resiste (alcance dado por a). Ainda, com esses dados, estima-se o diâmetro do feixe do microscópio eletrônico de varredura a partir da equação de aproximação de espalhamento direto para pequenos ângulos (a = 128nm na superfície do resiste) e se determina a resolução lateral do processo (a = 800nm na interface resiste/ substrato, para um filme de 2,4m). Em seguida, usa-se o software CASINO para se calcular os parâmetros de proximidade a partir da curva de densidade de energia dissipada no resiste obtida pela simulação da trajetória de espalhamento dos elétrons. Confrontam-se, finalmente, os valores obtidos pelos dois métodos. Em relação ao processamento do resiste SU-8, são determinadas as condições experimentais para a fabricação de estruturas tridimensionais por litografia de feixe de elétrons. Especificamente, busca-se desenvolver um processo com características (espessura, contraste, sensibilidade e rugosidade) adequadas para a fabricação de micro-dispositivos ópticos. Inicia-se com o levantamento das curvas de contraste e da sensibilidade do SU-8 para determinadas temperaturas de aquecimento pós-exposição. Obtém-se contraste abaixo de 1 para aquecimento pós-exposição abaixo da temperatura de transição vítrea do resiste, mantendo-se sensibilidade elevada (2C/cm2). Em seguida, mede-se a rugosidade da superfície do filme revelado para diferentes doses de exposição. Para finalizar, submete-se a amostra a um processo de cura e escoamento térmico, para melhorar a dureza e a rugosidade do resiste a ser utilizado como dispositivo final Consegue-se um valor de rugosidade (40nm) inferior a 20 vezes o comprimento de onda de diodo laser de eletrônica de consumo. Por fim, é produzido um dispositivo com perfil discretizado em 16 níveis como prova de conceito. / This work aims at developing an electron-beam lithography process for the fabrication of microoptical elements using the negative tone chemically amplified resist SU-8 on Si substrate. A study of the proximity effect parameters a, b and h is carried out to model and control the electron scattering both in the resist and in the substrate, and the SU-8 standard processing conditions are changed to achieve a low contrast process. The determination of the SU-8 / Si proximity effect parameters and its dependence with resist depth is done employing an experimental method and through Monte Carlo simulations. First, a, b and h are obtained comparing exposed patterns calculated by the software PROXY. b, the parameter which measures the backscattering of the electrons by the substrate, is equal to 4m and the value of h, the ratio of the dose contribution of backscattered electrons to that of the forward scattered (related to a), is 0.7. The extrapolation of exposed patterns data is used to estimate the scanning electron microscope beam diameter through the equation for low angle scattering (a = 128nm at the resist surface) and the lateral resolution of the process is determined (a = 800nm at the resist/ substrate interface, for a 2.4m film). With aid of the software CASINO, Monte Carlo simulations of the scattering trajectories of electrons in substrate and resist materials are calculated, recording the energy that they dissipate through collisions along their path. The results obtained representing the profile of the energy dissipated in the resist are used to determine the proximity effect parameters. The experimental method results are compared to that obtained by simulation. Regarding the SU-8 processing, the process parameters for the fabrication of three-dimensional structures by electron-beam lithography are determined. The process is designed to have specifications (thickness, contrast, sensitivity and surface roughness) suitable for microoptical elements fabrication. It begins with the determination of the SU-8 contrast curve and its sensitivity for specific post-exposure bake temperatures. A below the unit contrast process with high sensitivity (2C/cm2) is achieved postannealing the sample below the resist glass transition temperature. The film surface roughness is measured after resist development for different exposure doses, and a controlled hardbake (cure) and reflow is carried to enhance both the mechanical properties and the surface roughness of the structures that will remain as part of the final device. A RMS roughness of 40nm, lower than 20 times the wavelength of consumer electronics laser diode, is obtained. The electron-beam process designed is applied to the fabrication of a microelement with a 16-level profile discretization.