Theoretical aspects of the interaction of free and tunneling electrons with low-dimensional photonic systems

Abstract

(English) In this thesis, we provided a theoretical description of how focused electron beams interact with low-energy excitations and generate nanoscale light, which is of great interest in the field of nanophotonics. In addition, we described light generation by tunneling electrons and applied this phenomenon to the detection of analytes through the changes that they produce in the far-field emitted intensity. Specifically, through detailed modeling, we have investigated the plasmonic behavior in nanostructured materials, the phononic responses in polar crystals, and light generation through inelastic electron tunneling. We also calculated the spectral distribution of energy losses experienced by fast electrons interacting with these excitations and obtained spatially resolved electron energy-loss spectra for diverse systems. Here, we summarize our key findings: In Chapter2, we explored that the infrared plasmon response of fluorine-doped indium oxide nanocube dimers is controlled by how the cubes touch: point and edge contacts produce a singular low-energy dipolar mode that vanishes when the gap opens, whereas face contacts give a smooth spectral shift. Electron energy loss spectroscopy measurements and simulations confirm this geometry-dependent behavior, challenging the assumption that all dimers are identical. These results provide new insights into gap plasmons for sensing and nonlinear optics applications. In Chapter3, our study of hexagonal boron nitride nano-ellipsoids shows that nonlocal effects rule the low-energy phonon polaritons when the particle size drops below a few tens of nanometers. An atomistic model that includes long-range dipole–dipole interactions explains both the surface-confined and bulk-like modes seen in monochromated scanning transmission electron microscopy-electron energy loss spectroscopy, while a simple local dielectric model misses the surface feature entirely. We also find that finite size and surface polarization reshape the vibrational spectrum. These results underline that any realistic design of mid-infrared hexagonal boron nitride devices must account for spatial dispersion at the atomic scale. By integrating advanced microscopy, atomistic theory, and computational modeling, this research provides a blueprint for studying vibrational excitations in low-dimensional polar materials. In Chapter5, it introduced a self-illuminating plasmonic biosensor driven by electron tunneling. The device utilizes an metal-insulator-metal tunnel junction with a gold nanowire metasurface on top, enhancing electron-to-light conversion via plasmonic resonance. The developed sensor demonstrates spatially uniform emission over large areas and exhibits high sensitivity for detecting thin polymer films and biomolecular layers. This work offers a practical platform suited for integrated biosensing without relying on external illumination sources. Hence, angle-resolved photodetection could provide deeper insights into plasmonic mode structures, leading to enhanced spectral selectivity and sensitivity. The interplay between electron probes, excitations, and nanoscale light generation offers numerous exciting opportunities for future research. We believe that the insights and methods presented in this thesis can contribute significantly to exploring these promising new directions.

(Català) En aquesta tesi hem proporcionat una descripció teòrica de com els feixos d’electrons focalitzats interactuen amb excitacions de baixa energia i generen llum a escala nanomètrica, un tema d’enorme interès en el camp de la nanofotònica. A més, hem descrit la generació de llum mitjançant electrons en túnel i hem aplicat aquest fenomen a la detecció d’analits a partir dels canvis que produeixen en la intensitat emesa al camp llunyà. Concretament, mitjançant models detallats, hem investigat el comportament plasmònic en materials nanostructurats, les respostes fonòniques en cristalls polars i la generació de llum a través del túnel electrònic inelàstic. També hem calculat la distribució espectral de pèrdues d’energia experimentades per electrons ràpids en interactuar amb aquestes excitacions i hem obtingut espectres de pèrdua d’energia d’electrons amb resolució espacial per a diversos sistemes. A continuació resumim els resultats principals: Al Capítol 2, hem demostrat que la resposta plasmònica infraroja de dímeres de nanocubs d’òxid d’indi dopat amb fluor depèn de com es toquen els cubs: els contactes puntuals i de vora produeixen un mode dipolar de baixa energia que desapareix quan s’obre el buit, mentre que els contactes de cara mostren un desplaçament espectral suau. Les mesures d’espectroscòpia de pèrdua d’energia d’electrons i les simulacions confirmen aquest comportament dependent de la geometria, posant en dubte l’assumpció que tots els dímeres són idèntics. Aquests resultats aporten nous coneixements sobre plasmons de buit aplicables a sensors i a òptica no lineal. Al Capítol 3, l’estudi de nano-el·lipsoides de nitrur de bor hexagonal revela que els efectes no locals dominen els fonon‑polaritons de baixa energia quan la mida de la partícula baixa de unes poques desenes de nanòmetres. Un model atomístic que inclou interaccions dipol‑dipol de llarg abast explica tant els modes confinats a la superfície com els modes de tipus volum observats mitjançant microscòpia electrònica de transmissió d’escombratge amb espectroscòpia de pèrdua d’energia d’electrons monocromada, mentre que un model dielèctric local simple no capta el mode de superfície. També hem trobat que la mida finita i la polarització superficial remodelen l’espectre vibracional. Aquests resultats subratllen que qualsevol disseny realista de dispositius d’hBN al mig infraroig ha de tenir en compte la dispersió espacial a escala atòmica. La integració de microscòpia avançada, teoria atomística i modelatge computacional ofereix un full de ruta per estudiar excitacions vibracionals en materials polars de baixa dimensionalitat. Al Capítol 5, hem presentat un biosensor plasmònic autoil·luminat impulsat pel túnel electrònic. El dispositiu utilitza una unió de túnel metall‑aïllant‑metall coberta amb una metasuperfície de nanofils d’or, la qual millora la conversió d’electrons en llum mitjançant ressonància plasmònica. El sensor desenvolupat presenta emissió uniforme en grans àrees i alta sensibilitat per detectar pel·lícules fines de polímer i capes biomoleculars. Aquest treball proporciona una plataforma pràctica per al biosensing integrat sense necessitat de fonts d’il·luminació externes. A més, la fotodetecció amb resolució angular podria oferir una comprensió més profunda de l’estructura dels modes plasmònics, afavorint una selectivitat espectral i sensibilitat millorades. La interacció entre sondes electròniques, excitacions i generació de llum a escala nanomètrica obre nombroses oportunitats de recerca futura. Creiem que les aportacions i els mètodes presentats en aquesta tesi contribuiran significativament a explorar aquestes prometedores línies de treball.

(Español) En esta tesis proporcionamos una descripción teórica de cómo los haces de electrones focalizados interactúan con excitaciones de baja energía y generan luz a escala nanométrica, un tema de gran interés en el campo de la nanofotónica. Además, describimos la generación de luz mediante electrones que atraviesan túnel y aplicamos este fenómeno a la detección de analitos a través de los cambios que producen en la intensidad emitida en el campo lejano. En concreto, mediante modelización detallada investigamos el comportamiento plasmónico en materiales nanoestructurados, las respuestas fonónicas en cristales polares y la generación de luz mediante túnel electrónico inelástico. También calculamos la distribución espectral de las pérdidas de energía experimentadas por electrones rápidos que interactúan con estas excitaciones y obtuvimos espectros de pérdidas de energía de electrones con resolución espacial para diversos sistemas. A continuación, resumimos nuestros principales hallazgos: En el Capítulo 2, exploramos que la respuesta plasmónica en el infrarrojo de dímeros de nanocubos de óxido de indio dopado con flúor está controlada por la forma en que los cubos se tocan: los contactos puntuales y de arista producen un modo dipolar singular de baja energía que desaparece cuando se abre el hueco, mientras que los contactos de cara generan un desplazamiento espectral suave. Medidas de espectroscopía de pérdidas de energía de electrones y simulaciones confirman este comportamiento dependiente de la geometría, desafiando la suposición de que todos los dímeros son idénticos. Estos resultados aportan nuevos conocimientos sobre los plasmones de hueco para aplicaciones en sensado y óptica no lineal. En el Capítulo 3, nuestro estudio de nanoelipsoides de nitruro de boro hexagonal muestra que los efectos no locales dominan los fonones polaritones de baja energía cuando el tamaño de partícula desciende por debajo de unas pocas decenas de nanómetros. Un modelo atomístico que incluye interacciones dipolo–dipolo de largo alcance explica tanto los modos confinados en la superficie como los de tipo volumétrico observados mediante microscopía electrónica de transmisión de barrido–espectroscopía de pérdidas de energía de electrones, mientras que un modelo dieléctrico local simple no reproduce la característica superficial. También encontramos que el tamaño finito y la polarización superficial modifican el espectro vibracional. Estos resultados subrayan que cualquier diseño realista de dispositivos de hBN en el infrarrojo medio debe tener en cuenta la dispersión espacial a escala atómica. La integración de microscopía avanzada, teoría atomística y modelización computacional ofrece una hoja de ruta para estudiar excitaciones vibracionales en materiales polares de baja dimensionalidad. En el Capítulo 5, se introdujo un biosensor plasmónico autoiluminado impulsado por túnel electrónico. El dispositivo utiliza una unión túnel metal‑aislante‑metal coronada por una metasuperficie de nanohilos de oro, lo que mejora la conversión de electrones en luz mediante resonancia plasmónica. El sensor desarrollado presenta emisión espacialmente uniforme en áreas extensas y alta sensibilidad para detectar películas poliméricas delgadas y capas biomoleculares. Este trabajo proporciona una plataforma práctica adecuada para biosensado integrado sin necesidad de fuentes de iluminación externas. La fotodetección dependiente del ángulo podría ofrecer perspectivas más profundas sobre las estructuras de modo plasmónico, conduciendo a una mayor selectividad y sensibilidad espectral. La interacción entre sondas electrónicas, excitaciones y generación de luz a escala nanométrica ofrece numerosas oportunidades apasionantes para futuras investigaciones. Creemos que los conocimientos y métodos presentados en esta tesis contribuirán de manera significativa a la exploración de estas prometedoras nuevas direcciones.