Light tunneling via resonant surface plasmon polariton states and the enhanced transmission of periodically nanostructured metal films: An analytical study

An analytical treatment of optical transmission through periodically nanosructured metal films capable of supporting surface-plasmon polaritons is presented. The optical properties of such metal films are governed by surface polariton behavior in a periodic surface structure forming a surface polaritonic crystal. Due to different configurations of the electromagnetic field of surface polariton modes, only states of even Brillouin zones are responsible for the optical transmission enhancement at normal incidence. The transmission enhancement is related to photon tunneling via resonant states of surface polariton Bloch modes in which the energy buildup takes place. Surface polariton states of at least one of the film interfaces contribute to the transmission resonance which occurs due to tunnel coupling between photons and surface polaritons on the opposite interfaces. Under double-resonance conditions, resonant tunneling between surface polariton states of both interfaces is achieved, which leads to further enhancement of the transmission efficiency. The double-resonance conditions occur not only in the case of a film in symmetric environment but can also be engineered for a film on a substrate. Light tunneling via surface polariton states can take place directly through a structured metal film and does not necessarily require holes in a film.

Combined antenna and localized plasmon resonance in Raman scattering from Random arrays of silver-coated, vertically aligned multiwalled carbon nanotubes

The electric field enhancement associated with detailed structure within novel optical antenna nanostructures is modeled using the surface integral equation technique in the context of surface-enhanced Raman scattering (SERS). The antennae comprise random arrays of vertically aligned, multi-walled carbon nanotubes dressed with highly granular Ag. Different types of "hot-spot" underpinning the SERS are identified, but contrasting characteristics are revealed. Those at the outer edges of the Ag grains are antenna driven with field enhancement amplified in antenna antinodes while intergrain hotspots are largely independent of antenna activity. Hot-spots between the tops of antennae leaning towards each other also appear to benefit from antenna amplification.

Efficient excitation of dielectric-loaded surface plasmon-polariton waveguide modes at telecommunication wavelengths

The excitation of surface plasmon-polariton (SPP) waveguide modes in subwavelength dielectric ridges deposited on a thin gold film has been characterized and optimized at telecommunication wavelengths. The experimental data on the electromagnetic mode structure obtained using scanning near-field optical microscopy have been directly compared to full vectorial three-dimensional finite element method simulations. Two excitation geometries have been investigated where SPPs are excited outside or inside the dielectric tapered region adjoint to the waveguide. The dependence of the efficiency of the SPP guided mode excitation on the taper opening angle has been measured and modeled. Single-mode guiding and strong lateral mode confinement of dielectric-loaded SPP waveguide modes have been characterized with the near-field measurements and compared to the effective-index method model.

Application of citrate-stabilized gold-coated ferric oxide composite nanoparticles for biological separations

Gold-coated magnetic nanoparticles were synthesized with size ranging from 15 to 40 nm using sodium citrates as the reducing agent. Oxidized magnetites (Fe3O4) fabricated by co-precipitation of Fe2+ and Fe3+ in strong alkaline solution were used as magnetic cores. The structures of gold (Au) shell and magnetic core (Au–Fe) were studied by transmission electron microscopy (TEM) image and energy dispersive spectroscopy (EDS) spectrum. Results from high-resolution X-ray diffraction (HR XRD) show that the Au–Fe oxide nanoparticles have a face-centered cubic shape with the crystalline faces of {1 1 1}. The Au-coated magnetic nanoparticles exhibited a surface plasmon resonance peak at 528 nm. The nanoparticles are well dispersed in distilled water. A 3000 G permanent magnet was successfully used for the separation of the functionalized nanoparticles. Magnetic properties of the nanoparticles were determined by magnetic force microscope (MFM) in nanometric resolution and vibrating sample magnetometer (VSM). Magnetic separation of biological molecules using Au-coated magnetic oxide composite nanoparticles was examined after attachment of protein immunoglobulin G (IgG) through electrostatic interactions. Using this method, separation was achieved with a maximum yield of 35% at an IgG concentration of 400 ng/ml.

A new method for non-labeling attomolar detection of diseases based on an individual gold nanorod immunosensor

Herein, we present the use of a single gold nanorod sensor for detection of diseases on an antibody-functionalized surface, based on antibody–antigen interaction and the localized surface plasmon resonance (LSPR) ?max shifts of the resonant Rayleigh light scattering spectra. By replacing the cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), a tightly packed self-assembled monolayer of HS(CH2)11(OCH2CH2)6OCH2COOH(OEG6) has been successfully formed on the gold nanorod surface prior to the LSPR sensing, leading to the successful fabrication of individual gold nanorod immunosensors. Using prostate specific antigen (PSA) as a protein biomarker, the lowest concentration experimentally detected was as low as 111 aM, corresponding to a 2.79 nm LSPR ?max shift. These results indicate that the detection platform is very sensitive and outperforms detection limits of commercial tests for PSA so far. Correlatively, its detection limit can be equally compared to the assays based on DNA biobarcodes. This study shows that a gold nanorod has been used as a single nanobiosensor to detect antigens for the first time; and the detection method based on the resonant Rayleigh scattering spectrum of individual gold nanorods enables a simple, label-free detection with ultrahigh sensitivity.

Application of surface plasmon polaritons in the laser ablation and characterisation of thin aluminium films

Surface modification of thin aluminium films is both produced and characterised by exciting surface plasmon polaritons in an attenuated total reflection geometry: silica prism/aluminium/aluminium oxide system. The modification is performed, under ambient conditions, by exposure to a low fluence (

INTERPLAY OF CAF2 SUBSTRATE ROUGHENING AND FILM DEPOSITION RATE ON RADIATIVE SCATTERING OF SURFACE-PLASMON POLARITONS FROM AG FILMS

The radiative decay of surface plasmon polaritons has been investigated in an attempt to characterize the surface roughness of Ag films prepared under different conditions. The polaritons were excited by the method of attenuated total reflection of light. The films were deposited on the face of a 60-degrees BK-7 glass prism at a rate that was deliberately fixed in two different ranges (centred on 0.1 and 10 nm s-1) and in some cases a CaF2 underlayer was used to roughen the film surfaces. The intensity of the scattered light emitted from the opposite face of the films was measured as a function of direction for each using the same sensitivity scale and was correlated with the preparation of the film. It was found that on nominally smooth substrates fast-deposited thinner films give out more light and are deduced to have greater short wavelength (300-600 nm) roughness amplitude. There is also evidence for long wavelenth (7 mum) periodic roughness due to the prism substrate itself. On CaF2 roughened surfaces the light output from the films is further increased and the peak intensity is backward directed with respect to the exciting laser beam direction. Here roughness on a lateral scale of 350 nm is responsible. Also, elastic scattering of surface plasmon polaritons at grain boundaries reduces the light output from fast deposited, small grain, films on CaF2 roughened surfaces. Overall, a consistent picture of roughness induced radiative polariton decay emerges for all cases studied.

Towards the nanomechanical actuation and controlled assembly of nanomaterials using charge-transfer reactions in electroactive self-assembled monolayers

Les microcantileviers fonctionnalisés offrent une plateforme idéale pour la nano- et micro-mécanique et pour le développement de (bio-) capteurs tres sensible. Le principe d’opération consiste dans des évènements physicochimiques qui se passent du côté fonctionnalisé du microcantilevier induisant une différence de stress de surface entre les deux côtés du cantilevier qui cause une déflexion verticale du levier. Par contre, les facteurs et les phénomènes interfacials qui régissent la nature et l'intensité du stress de surface sont encore méconnus. Pour éclaircir ce phénomène, la première partie de cette thèse porte sur l'étude des réactions de microcantileviers qui sont recouverts d'or et fonctionnalisés par une monocouche auto-assemblée (MAA) électroactive. La formation d'une MAA de ferrocènylundécanethiol (FcC11SH) à la surface d'or d'un microcantilevier est le modèle utilisé pour mieux comprendre le stress de surface induit par l’électrochimie. Les résultats obtenus démontrent qu'une transformation rédox de la MAA de FcC11SH crée un stress de surface qui résulte dans une déflexion verticale du microcantilevier. Dépendamment de la flexibilité du microcantilevier, cette déflexion peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. L’oxydation de cette MAA de FcC11SH dans un environnement d'ions perchlorate génère un changement de stress de surface compressive. Les résultats indiquent que la déflexion du microcantilevier est due à une tension latérale provenant d'une réorientation et d'une expansion moléculaire lors du transfért de charge et de pairage d’anions. Pour vérifier cette hypothèse, les mêmes expériences ont été répéteés avec des microcantileviers qui ont été couverts d'une MAA mixte, où les groupements électroactifs de ferrocène sont isolés par des alkylthiols inactifs. Lorsqu’un potentiel est appliqué, un courant est détecté mais le microcantilevier ne signale aucune déflexion. Ces résultats confirment que la déflexion du microcantilevier est due à une pression latérale provenant du ferrocènium qui se réorganise et qui crée une pression sur ses pairs avoisinants plutôt que du couplage d’anions. L’amplitude de la déflexion verticale du microcantilevier dépend de la structure moléculaire de la MAA et du le type d’anion utilisés lors de la réaction électrochimique. Dans la prochaine partie de la thèse, l’électrochimie et la spectroscopie de résonance de plasmon en surface ont été combinées pour arriver à une description de l’adsorption et de l’agrégation des n-alkyl sulfates à l’interface FcC11SAu/électrolyte. À toutes les concentrations de solution, les molécules d'agent tensio-actif sont empilées perpendiculairement à la surface d'électrode sous forme de monocouche condensé entrecroisé. Cependant, la densité du film spécifiquement adsorbé s'est avérée être affectée par l'état d'organisation des agents tensio-actifs en solution. À faible concentration, où les molécules d'agent tensio-actif sont présentes en tant que monomères solvatés, les monomères peuvent facilement s'adapter à l’évolution de la concentration en surface du ferrocènium lors du balayage du potential. Cependant, lorsque les molécules sont présentes en solution en tant que micelles une densité plus faible d'agent tensio-actif a été trouvée en raison de l'incapacité de répondre effectivement à la surface de ferrocenium générée dynamiquement.

Propriétés optiques et analytiques des nanotrous : vers la conception de biocapteurs en résonance des plasmons de surface localisés

Les biocapteurs sont utilisés quotidiennement pour déterminer la présence de molécules biologiques dans une matrice complexe, comme l’urine pour les tests de grossesses ou le sang pour les glucomètres. Les techniques courantes pour la détection des autres maladies nécessitent fréquemment le marquage de l’analyte avec une autre molécule, ce qui est à éviter pour fin de simplicité d’analyse. Ces travaux ont pour but la maximisation de la sensibilité d’une surface d’or ou d’argent nanotrouée, afin de permettre la détection de la liaison de molécules biologiques par résonance des plasmons de surface localisés (LSPR), en utilisant la spectroscopie de transmission. Un biocapteur portable, rapide et sans marquage pour quantifier des analytes d’intérêt médical ou environnemental pourrait être construit à partir de ces travaux. Dans l’objectif d’étudier de nombreuses configurations pour maximiser la sensibilité, le temps et le coût des méthodes de fabrication de nanostructures habituelles auraient limité le nombre de surfaces nanotrouées pouvant être étudiées. Un autre objectif du projet consiste donc au développement d’une technique de fabrication rapide de réseaux de nanotrous, et à moindres coûts, basée sur la lithographie de nanosphères (NSL) et sur la gravure au plasma à l’oxygène (RIE). La sensibilité à la variation d’indice de réfraction associée aux liaisons de molécules sur la surface du métal noble et la longueur d’onde d’excitation du plasmon de surface sont influencées par les caractéristiques des réseaux de nanotrous. Dans les travaux rapportés ici, la nature du métal utilisé, le diamètre ainsi que la périodicité des trous sont variés pour étudier leur influence sur les bandes LSPR du spectre en transmission pour maximiser cette sensibilité, visant la fabrication d’un biocapteur. Les surfaces d’argent, ayant un diamètre de nanotrous inférieur à 200 nm pour une périodicité de 450 nm et les nanotrous d’une périodicité de 650 nm démontre un potentiel de sensibilité supérieur.

Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Agrégation de tensioactifs anioniques à une interface solide-aqueux induite par l'oxydation d'une monocouche auto-assemblée de ferrocenylalkanethiolates

L'oxydoréduction des monocouches auto-assemblées («Self-assembled monolayers ou SAMs) de ferrocenyldodecanethiolates sur une surface d'or (Fc(CH2)12SAu) dans des solutions aqueuses de n-alkyle sulfate de sodium (6, 8, 10 et 12 atomes de carbone) est étudiée par spectroscopie de résonance des plasmons de surface («Surface Plasmons Resonance ou SPR) couplée avec de la voltampérométrie cyclique (VC). La technique SPR est utilisée pour suivre en temps réel l'adsorption des tensioactifs en fonction du potentiel appliqué. Elle permet de quantifier l'épaisseur et le recouvrement des molécules adsorbées pour déterminer l'organisation des tensioactifs anioniques sur la SAM. La VC est utilisée afin de caractériser l'oxydation du groupement ferrocène en présence des n-alkyle sulfate de sodium qui s'associent à la SAM grâce à l'appariement entre le ferrocénium et le groupement sulfate. Des mélanges binaires d'alkylesulfates de différentes compositions sont utilisés dans le but de déterminer l'organisation induite par une réaction d'oxydoréduction. L'effet de la longueur de la chaîne d'hydrocarbures sur la quantité de tensioactifs anioniques adsorbés ainsi que les affinités relatives d'appariement des anions alkyle sulfate aux ferrocéniums sont rapportés dans ce mémoire. Ces surfaces électrosensibles permettront la détection de molécules amphiphiles et la compréhension du comportement de mélanges binaires de tensioactifs. Ainsi, ces travaux apporteront une avancée sur la modulation électrochimique de l'organisation de matériaux sur des substrats solides basée sur l'appariement d'ions.

Photoschaltbare Azobenzol-modifizierte selbstorganisierte Monoschichten auf Gold(111)-Oberflächen

Für die Entwicklung photoschaltbarer selbstorganisierter Monoschichten (SAMs) auf Gold(111)-Oberflächen wurden neue Azobenzol-terminierte Asparagussäure - und Liponsäurederivate synthetisiert. Um den Einfluss lateraler Wasserstoffbrückenbindungen auf Qualität und Orientierungsordnung der Schichten zu untersuchen, wurden Monolagen, die durch amid- und esterverknüpfte Verbindungen gebildet wurden, miteinander verglichen. Die Filmbildung aus der Lösung wurde in situ durch optische Frequenzverdopplung (SHG) untersucht und die Photoreaktivität mittels Kontaktwinkelmessungen, Oberflächen-Plasmonenresonanz (SPR) und Ellipsometrie verfolgt. SAMs auf Gold wurden außerdem mit Hilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Nahkanten-Reflexions-Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) und Infrarot-Reflexionsabsorptionsspektroskopie (IRRAS) charakterisiert, um die Filmqualität, die Bindung ans Substrat und Orientierungsordnung im Film zu ermitteln. Da die Chemisorption auf polykristallinem Gold formal der Koordinationschemie von 1,2-Dithiolan-Derivaten gegenüber nullwertigen Edelmetall-Zentralatomen entspricht, wurden etliche Pt-Komplexe durch oxidative Addition an [Pt(PPh3)4] dargestellt. Im Zusammenhang mit der Darstellung der Asparagussäure wurde die Kristallstruktur von [pipH]2[WS4] und der neuen Verbindungen [pipH]3[WS4](HS) und [pipH]4[WS4][WOS3] (pip = Piperidin) bestimmt. Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Piperidinium-Kationen und den Thiowolframat-Anionen spielen eine dominante strukturelle Rolle.

Adsorption kinetic investigations of phthalocyanine derivatives self assembled monolayers (SAMs) on gold: Temperature influence on the SAM formation process and quality

The ordered nano-structured surfaces, like self-assembled monolayers (SAMs) are of a great scientific interest, due to the low cost, simplicity, and versatility of this method. SAMs found numerous of applications in molecular electronics, biochemistry and optical devices. Phthalocyanine (Pc) complexes are of particular interest for the SAM preparation. These molecules exhibit fascinating physical properties and are chemically and thermally stable. Moreover their complex structure is advantageous for the fabrication of switchable surfaces. In this work the adsorption process of Pcs derivatives, namely, subphthalocyanines (SubPcB) and terbium (2TbPc) sandwich complexes on gold has been investigated. The influence of the molecular concentration, chain length of peripheral groups, and temperature on the film formation process has been examined using a number of techniques. The SAMs formation process has been followed in situ and in real time by means of second harmonic generation (SHG) and surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy. To investigate the quality of the SAMs prepared at different temperatures atomic force microscopy (AFM) and X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS)measurements were performed. Valuable information about SubPcB and 2TbPc adsorbtion process has been obtained in the frame of this work. The kinetic data, obtained with SHG and SPR, shows the best conformance with the first order Langmuir kinetic model. Comparing SHG and SPR results, it has been found, that the film formation occurs faster than the formation of chemical bonds. Such, the maximum amount of molecules on the surface is reached after 6 min for SubPcB and 30 min for 2TbPc. However, at this time the amount of formed chemicals bonds is only 10% and 40% for SubPcB and 2TbPc, respectively. The most intriguing result, among others, was obtained at T = 2 °C, where the formation of the less dense SAMs have been detected with SHG.However, analyzing XPS and AFM data, it has been revealed, that there is the same amount of molecules on the surface at both temperature T = 2 °C, and T = 21 °C, but the amount of formed chemicals bond is different. At T = 2 °C molecules form aggregates, therefore many of available anchor groups stay unattached.

Probing the functionalization of gold surfaces and protein adsorption by PM-IRRAS

The control of morphology and coating of metal surfaces is essential for a number of organic electronic devices including photovoltaic cells and sensors. In this study, we monitor the functionalization of gold surfaces with 11-mercaptoundecanoic acid (MUA, HS(CH(2))(10)CO(2)H) and cysteamine, aiming at passivating the surfaces for application in surface plasmon resonance (SPR) biosensors. Using polarization-modulated infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS), cyclic voltammetry, atomic force microscopy and quartz crystal microbalance, we observed a time-dependent organization process of the adsorbed MUA monolayer with alkyl chains perpendicular to the gold surface. Such optimized condition for surface passivation was obtained with a systematic search for experimental parameters leading to the lowest electrochemical signal of the functionalized gold electrode. The ability to build supramolecular architectures was also confirmed by detecting with PM-IRRAS the adsorption of streptavidin on the MUA-functionalized gold. As the approaches used for surface functionalization and its verification with PM-IRRAS are generic, one may now envisage monitoring the fabrication of tailored electrodes for a variety of applications.

Development of impedimetric and optical calcium biosensor by using modified gold electrode with porcine S100A12 protein

We describe the development of a label free method to analyze the interactions between Ca(2+) and the porcine S100A12 protein immobilized on polyvinyl butyral (PVB). The modified gold electrodes were characterized using cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), scanning electron microscopy (SEM) and surface plasmon resonance (SPR) techniques. SEM analyses of PVB and PVB-S100A12 showed a heterogeneous distribution of PVB spherules on gold surface. EIS and CV measurements have shown that redox probe reactions on the modified gold electrodes were partially blocked due the adsorption of PVB-S100A12, and confirm the existence of a positive response of the immobilized S100Al2 to the presence of calcium ions. The biosensor exhibited a wide linear response to Ca(2+) concentrations ranging from 12.5 to 200 mM. The PVB-S100A12 seems to be bound to the gold electrode surface by physical adsorption: we observed an increase of 1184.32 m degrees in the SPR angle after the adsorption of the protein on the PVB surface (in an indication that 9.84 ng of S100A12 are adsorbed per mm(2) of the Au-PVB electrode), followed by a further increase of 581.66 m degrees after attachment of the Ca(2+) ions. In addition, no SPR response is obtained for non-specific ions. These studies might be useful as a platform for the design of new reusable and sensitive biosensing devices that could find use in the clinical applications. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.