Giampiero Gerini

Onderzoeksgebied

Metamaterialen en metaoppervlakken zijn kunstmatie structuren die bestaan uit een patroon van verstrooiers die kleiner zijn dan de golflengte van licht en die op of in een gastmateriaal zijn aangebracht. Bij metamaterialen wijzigen de verstrooiers de elektrische parameters van het gastmateriaal, waardoor waarden worden bereikt die in de natuur niet mogelijk zijn. Bij metaoppervlakken daarentegen veroorzaken de verstrooiers zeer abrupte variaties van de fase, polarisatie en amplitude van de invallende golf binnen een heel dun membraan. Deze ongebruikelijke elektromagnetische eigenschappen kunnen de weg vrijmaken voor grote doorbraken op het gebied van sensoren, beeldvorming en miniaturisatie. Met optische metaoppervlakken worden specifiek alle mogelijke vormen van lichtmanipulatie mogelijk door middel van onconventionele, extreem dunne optische objecten, zoals vlakke lenzen, deflectoren, polarisatiefilters, hologrammen, perfecte absorbeerders, filters, bundelvormers, near-to-far-field-transducers. De buitengewone elektromagnetische eigenschappen en extreem dunne afmetingen maken zeer vergaande integratie met andere componenten en sensoren mogelijk. Mijn belangrijkste onderzoeksdoelstelling op dit gebied is om de ontwikkeling van nieuwe systeem-/instrumentconcepten op basis van metaoppervlakken/metamaterialen mogelijk te maken. Om dit te bereiken, ontwikkelen we modellerings-/ontwerpkaders, we bouwen en testen demonstratieopstellingen en we integreren deze structuren in het ontwerp van complexe systemen. TNO kan bogen op jarenlange, wereldwijd gerenommeerde deskundigheid op het gebied van de ontwikkeling van instrumenten/systemen voor de ruimtevaart-, defensie- en halfgeleiderindustrie. Metaoppervlakken en metamaterialen maken de weg vrij voor het ontwikkelen van een nieuwe generatie instrumenten. In deze context draagt mijn onderzoek bij aan de TNO-roadmaps 'Semiconductors', 'Ruimtevaart' en 'Informatie- en sensorsystemen'.

Recente resultaten

We hebben spectropolarimetrische oppervlakken ontworpen voor de reconstructie van de polarisatietoestand van licht in verschillende spectrale banden en hebben de prestaties en de complexiteit van de vervaardiging hiervan beoordeeld. Eén concept werd experimenteel geproduceerd en gevalideerd. Bij integratie van deze oppervlakken met een pixelsensor kunnen ze worden gebruikt voor het realiseren van innovatieve spectropolarimetrische ruimtevaartinstrumenten (bijvoorbeeld voor het meten van de aerosolconcentratie bij aardobservatie). Er werden diëlektrische metaoppervlakken ontwikkeld voor surface-enhanced ramanspectroscopie. We hebben de voordelen van het gebruik van diëlektrische structuren vergeleken met die van plasmonische structuren. Daaruit bleek dat het mogelijk is om dezelfde waarden te bereiken voor de versterkingsfactor, zonder de nadelige ohmverliezen die bij metaalstructuren optreden. Deze verliezen verminderen de efficiëntie van het systeem en genereren daarnaast hitte die het te analyseren analyt kan modificeren of beschadigen. Verder is er een model ontwikkeld om het effect van optical trapping in de structuur te kwantificeren wat betreft een verdere toename van de versterkingsfactor. Een reeks nanoantennes in de buurt van een verstrooiingsbron kan functioneren als een near-to-far-field-transducer, waardoor vergaande nauwkeurigheid kleiner dan de golflengte van licht kan worden bereikt bij de detectie van de positie van de verstrooiingsbron. De theoretische resultaten zijn gevalideerd door middel van experimentele metingen. Een dergelijk concept kan leiden tot een krachtig metrologiesysteem voor de halfgeleiderindustrie.

Begeleiding van promovendi

• P. Stoevelaar (TNO ERP 3D Nanomanufacturing)
• R. Buijs (NWO HTSM)
• R. Bijster (TNO ERP 3D Nanomanufacturing)
• P. Gao (Chinese beurs)

Belangrijkste publicaties

• T. A. W Wolterink, R. D. Buijs, G. Gerini, A. F. Koenderink and E. Verhagen, Localizing nanoscale objects using nanophotonic near-field transducers" Nanophotonics, vol.10, no.6, 2021.
• C. F. Kenworthy, L. P. Stoevelaar, A. J. Alexander, G. Gerini, “Using the near field optical trapping effect of a dielectric metasurface to improve SERS enhancement for virus detection”, Nature - Scientific Reports 11, 6873 (2021).
• R. Buijs, T. Wolterink, G. Gerini, F. Koenderink, and E. Verhagen, “Information advantage from polarization-multiplexed readout of nanophotonic scattering overlay sensors”, Opt. Express 29, 42900 (2021).
• T. Wolterink, R. Buijs, G. Gerini, E. Verhagen, and F. Koenderink, “Calibration-based overlay sensing with minimal-footprint targets”, Appl. Phys. Lett. 119, 111104 (2021).
• T. Wolterink, R. Buijs, G. Gerini, E. Verhagen, and F. Koenderink, “Programming metasurface near-fields for nano-optical sensing”, Adv. Opt. Mater. 9, 2100435 (2021)."