The interaction of surface plasmon polaritons with a silver film edge

A prism coupling arrangement is used to excite surface plasmons at the surface of a thin silver aim and a photon scanning tunnelling microscope is used to detect the evanescent field above the silver surface. Excitation of the silver/ air mode of interest is performed at lambda(1) = 632 . 8 nm using a tightly focused beam, while the control of the tip is effected by exciting a counter-propagating surface plasmon field at a different wavelength. lambda(2) = 543 . 5 nm, using an unfocused beam covering a macroscopic area. Propagation of the red surface plasmon is evidenced by an exponential tail extending away from the launch site, but this feature is abruptly truncated if the surface plasmon encounters the edge of the silver film - there is no specularly reflected 'beam'. Importantly, the radiative decay of the surface mode at the film edge is observable only at larger tip-sample separations, emphasizing the importance of accessing the mesoscopic regime.

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 (

IMAGING OF SURFACE-PLASMON LAUNCH AND PROPAGATION USING A PHOTON SCANNING TUNNELING MICROSCOPE

The spectroscopic capability of the photon scanning tunneling microscope is exploited to study directly the launch and propagation of surface plasmons on thin silver films. Two input beams, of different wavelength, are incident through the prism in a prism-Ag film-air-fibre tip system. Both excite surface plasmons at the Ag-air interface and light of both wavelengths is coupled into the fibre probe via the respective surface plasmon evanescent fields. One laser beam is used for instrument control. The second, or probe beam is tightly focused on the sample, within the area of the unfocused or control beam, giving a well-defined and symmetrical, confined surface plasmon launch site. However, the image at the probe wavelength is highly asymmetrical in section with an exponential tail extending beyond one side of the launch site. This demonstrates in a very direct fashion;the propagation of surface plasmons; a propagation length of similar to 11.7 mu m is measured at a probe wavelength of 543.5 nm. On rough Ag films the excitation of localised scattering centres is also observed in addition to the launch of delocalised surface plasmons.

BROAD-BAND EXCITATION AND EMISSION OF SURFACE-PLASMONS

The well known advantages of using surface plasmons, in particular the high sensitivity to surface adsorbates, are nearly always compromised in practice by the use of monochromatic excitation and the consequent lack of proper spectroscopic information. This limitation arises from the angle/wavelength selective nature of the surface plasmon resonance. The work described here uses an elegant broadband excitation/decay scheme in a substrate(silica)-grating profiled photoresist-Ag film geometry. Laser radiation of wavelength 488 nm, incident through the silica substrate, excites by near-field coupling a broad band of surface plasmons at the photoresist-Ag interface within the spectral range of the photoresist fluorescence. With a judicious choice of grating period this mode can cross-couple to the mode supported at the Ag-air interface. This latter mode can, in turn, couple out to light by virtue of the same grating profile. The spectral distribution of the light emitted due to this three-step process has been studied as a function of the angle of emission and depth of the grating profiled surface for each polarization. It is found that the optimum emission efficiency occurs with a groove depth in the region of 65 nm. This is considerably greater than the optimum depth of 40 nm required for surface plasmon-photon coupling at a Ag-air interface or, in other words, for the last step of the process in isolation.

SURFACE-PLASMON ENHANCED LASER-ABLATION OF THIN METAL-FILMS

Surface plasmon enhancement of laser ablation of thin Al films is examined with a view to its application in metal film patterning and nano-structuring. Al films, deposited on silica prisms, are first characterized by attenuated total reflection using a broadband UV source and appropriate interference filter. The films are subsequently subjected to excimer laser radiation of wavelength 248 nm under conditions both of direct incidence from the air side of the film, and of surface plasmon excitation in which light is incident through the prism at greater than critical angle. For a given level of ablation damage in a particular film the fluence required using the surface plasmon technique is 3-5 times less than that needed when direct incidence is used. This is roughly in line with the energy absorbed in the film. From a practical standpoint it is clear that ablation of metal films can be achieved with much lower fluences than has hitherto been possible, thus reducing the requirements on laser output and relaxing the power handling constraints on any input optical elements.

ANALYSIS OF SURFACE-PLASMON POLARITON ENHANCEMENT IN PHOTODETECTION BY AL-GAAS SCHOTTKY DIODES

The surface plasmon polariton mediated photoresponse from Al-GaAs diodes is examined in a prism-air gap-diode configuration as a function of both the wavelength of the incident light and thickness of the Al electrode. The experimental data shows a pronounced dip in reflectance as a function of internal angle of incidence in the prism, due to the excitation of the surface plasmon polariton at the Al-air interface, and a corresponding peak in device photosignal. Careful modelling of reflectance and quantum efficiency data shows that the bulk of the signal is generated by light which is re-radiated from this surface mode into the semiconductor substrate where it is absorbed by the creation of electron-hole pairs in the depletion region. This holds for all the wavelengths used here (all are shorter than the GaAs absorption edge) and across the thickness range of the Al electrodes (20-50 nm). Quantum efficiencies in the range 0.5-22% and enhancement factors of typically 7.5 were recorded in this investigation.

CALCULATION OF SLOW MODE SURFACE-PLASMON POLARITON PROPERTIES RELATED TO EXPERIMENTAL-OBSERVATIONS

Recent experimental results definitively showed, for the first time, optical radiation mediated by the slow mode surface plasmon polariton of metal-oxide-metal tunnel junctions. Here, dispersion curves for this mode are calculated. They are consistent with first-order grating coupling to light at the energies of the experimental emission peaks. The curves are then used to analyze second-order and high-energy (> 2.35 eV) grating coupling of the polaritons to radiation. Finally, variation of slow mode damping as a function of energy is used to explain qualitatively the relative experimental peak emission intensities and the absence of radiation peaks above 2.35 eV.

CHARACTERIZATION OF SURFACE-PLASMONS ON METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR STRUCTURES

Using the Otto (prism-air gap-sample) configuration p-polarized light of wavelength 632.8 nm has been coupled with greater than 80% efficiency to surface plasmons on the aluminium electrode of silicon-silicon dioxide-aluminium structures. The results show that if the average power per unit area dissipated on the metal film exceeds approximately 1 mW mm-2, then the coupling gap and thus the characteristics of the surface plasmon resonance are noticeably altered. In modelling the optical response of such systems the inclusion of both a non-uniform air coupling gap and a thin cermet layer at the aluminium surface may be necessary.

FAST MODE SURFACE-PLASMON DAMPING ON TUNNEL JUNCTION STRUCTURES

Using a prism-air gap-sample (Otto) configuration we have optically excited surface plasmon polaritons at the Ag-air interface of passive Al-Al oxide-Ag tunnel junction structures at wavelength 632.8 nm. It is found that the internal damping of this excitation is more than a factor of 2 greater for samples with a very thin (approximately 15 nm) Ag electrode than for samples with a thicker (approximately 40 nm) Ag electrode. This observation is explained by the fact that the fields of the surface plasmon polariton penetrate more substantially into the lossy Al base electrode when the Ag top electrode is very thin.

SURFACE-MODE ENHANCED PHOTOCURRENT FROM PTSI/N-SI SCHOTTKY-BARRIER DETECTORS

Using the Otto geometry of attenuated total reflection (prism-air gap-sample), front illuminated PtSi/Si Schottky barrier detectors are shown to exhibit enhanced photocurrent at surface plasmon resonance in the near infrared region. Correlation of the measured photocurrent with the calculated transmittance of light into the Si substate is demonstrated. The transmittance, which is due to surface plasmon re-radiation, is the optical parameter of principal importance in photosignal generation since the photon energies used here are greater than the silicon intrinsic bandgap. The results presented here indicate clearly the important features in optimizing surface plasmon enhancement in photodetection both above and below the silicon absorption edge.

Monocouches peptidiques auto-assemblées et applications dans le domaine des biocapteurs de résonance de plasmon de surfaces

Ces travaux visent à étendre les applications de la résonance de plasmons de surface (SPR) L’objectif est d’offrir des outils diagnostics plus rapides, efficaces et simple d’utilisation pour diagnostiquer ou effectuer le suivi de conditions cliniques. Pour se faire, un nouveau type d’instrumentation SPR basé sur l’utilisation d’un prisme d’inversion (dove) a permis d’atteindre une limite de détection (LOD) de 10-6 unité d’indice de réfraction (RIU), une valeur comparable aux instruments commerciaux complexes tout en demeurant peu dispendieux, robuste et simple d’utilisation. Les travaux présentés dans cet ouvrage visent, dans un second temps, à réduire les interactions nonspécifiques (NSB) entre la surface des biocapteurs SPR et les composants de la matrice biologique complexe telles que: l’urine, le lysat cellulaire, le sérum et le sang. Ces dernières induisent des réponses empêchant l’utilisation de biocapteurs SPR en milieux complexes. Les acides aminés (AA) offrent une grande variété de propriétés physico-chimiques permettant la mise au point de monocouches auto-assemblées (SAM) aux propriétés diverses. Initialement, 19 des 20 acides aminés naturels ont été attachés à l’acide 3-mercaptopropionique (3-MPA) formant des SAMs peptidomimétiques. La quantité d’interactions nonspécifiques engendrées par ces différentes surfaces a été mesurée en exposant ces surfaces au sérum sanguin bovin complet variant de 400 ng/cm² jusqu’à 800 ng/cm². La détection à l’aide de ces surfaces de la β-lactamase (une enzyme responsable de la résistance aux antibiotiques au niveau μM) a démontré la possibilité d’employer ces surfaces pour bâtir des biocapteurs SPR. Des peptides de longueur allant de 2 à 5 résidus attachés à 3-MPA ont été synthétisés sur support solide. Cette étude a démontré que l’augmentation de la longueur des peptides formés d’AA résistants aux NBS accroit leur résistance jusqu’à 5 résidus. Le composé le plus performant de ce type (3-MPA-(Ser)5-OH) a permis d’atteindre 180 ng/cm². Cette valeur est similaire à celle des meilleures surfaces disponibles commercialement, notamment les surfaces de polyethylène glycol (PEG) à 100 ng/cm². Des surfaces de 3-MPA-(Ser)5-OH ont permis l’étalonnage de la β-lactamase et sa quantification directe dans un lysat cellulaire. La LOD pour ces biocapteurs est de 10 nM. Une troisième génération de surfaces peptidiques binaires a permis la réduction de la NSB jusqu’à un niveau de 23±10 ng/cm² une valeur comparable aux meilleures surfaces disponibles. Ces surfaces ont permis l’étalonnage d’un indicateur potentiel du cancer la metalloprotéinase-3 de matrice (MMP-3). Les surfaces formées de peptides binaires (3-MPA-H3D2-OH) ont permis la quantification directe de la MMP-3 dans le sérum sanguin complet. Une quatrième génération de surfaces peptidiques a permis de réduire davantage le niveau de NSB jusqu’à une valeur de 12 ± 11 ng/cm². Ces surfaces ont été modifiées en y attachant une terminaison de type acide nitriloacétique (NTA) afin d’y attacher des biomolécules marquées par six résidus histidines terminaux. Ces surfaces ont permis le développement d’une méthode rapide de balayage des ligands ciblant le « cluster of differenciation-36 » (CD36). L’étude d’électroformation des monocouches de peptide a permis de déterminer les conditions de formation optimales d’une couche de 3-MPA-HHHDD-OH permettant ainsi la formation de monocouches résistantes au NSB en moins de 6 minutes en appliquant un potentiel de formation de 200mV vs Ag/AgCl.

Étude de l’oxydoréduction de monocouches électroactives de ferrocénylalcanethiolates par spectroscopie à résonance des plasmons de surface

L’oxydoréduction de monocouches auto-assemblées (SAMs) de ferrocénylalcanethiolates à la surface d’or (FcRSAu) a été étudiée en temps réel par la spectroscopie de résonance de plasmons de surface couplée avec l’électrochimie (E-SPR). La sensibilité de cette technique permet de déterminer des changements d’épaisseur de couche l’ordre de quelques angström résultant d’un changement de structure de la SAM. Plusieurs études antérieures ont proposé que l’oxydation électrochimique d’une SAM de FcRSAu induit une réorientation moléculaire. L’E-SPR est utilisé pour identifier l’origine de ce changement structurel. D’abord, une calibration du réfractomètre SPR utilisé a été effectuée afin de trouver une équation de conversion du signal SPR obtenu en pixel en angle d’incidence pour que l’on puisse calculer le changement d’épaisseur de monocouche à partir du changement d’angle de résonance avec le modèle de Fresnel. Par la suite, une caractérisation approfondie des SAMs de FcCnSAu (où n = 6, 8, 12, 14) en contact avec du NaClO4 acidifié a été réalisée par électrochimie, éllipsométrie, spectroscopie infrarouge et microscopie à force atomique. Les résultats obtenus montrent que l’augmentation de la longueur des chaînes alkyles donne des SAMs de ferrocènes plus épaisses et moins désordonnées. L’analyse par l’E-SPR de ces SAMs pures montre que le changement d’épaisseur induit par l’électro-oxydation dépend linéairement du nombre de méthylènes sur la chaîne alkyle. En appliquant la déconvolution mathématique aux voltampérogrammes cycliques enregistrés pour les SAM mixtes (FcC12SAu/C11SAu) de différentes compositions, on arrive à la conclusion qu’il y a un redressement des chaînes alkyles dans les domaines des ferrocènes agrégés mais la réorientation des têtes de ferrocène dans les domaines de ferrocènes agrégés ou dispersés ne peut pas être exclue. Enfin, l’effet de l’anion électrolytique sur le changement d’épaisseur de la SAM mesuré par l’E-SPR a été étudié. L’analyse électrochimique montre que la capacité de pairage d’anions avec les ferrocéniums décroit comme suit : PF6- > ClO4- > BF4- > NO3-. Tandis que l’épaisseur de la SAM donnée par le changement d’angle de résonance suit la tendance suivante : NO3- ≥ ClO4- > PF6- ≈ BF4-. Des études plus approfondies seront nécessaire pour clarifier cette tendance observée par E-SPR.

Étude des propriétés plasmoniques des réseaux de nanotrous

Les réseaux de nanotrous sont des structures plasmoniques ayant un énorme potentiel en tant que transducteurs pour la conception de biocapteurs. De telles structures sont prometteuses pour l’élaboration de biocapteurs capable d’effectuer du criblage à haut débit. L’intérêt de travailler avec des réseaux de nanotrous est dû à la simplicité d’excitation des polaritons de plasmons de surface en transmission directe, à la sensibilité et à la facilité de fabrication de ces senseurs. L’architecture de tels réseaux métalliques permet la conception de nanostructures ayant de multiples propriétés plasmoniques. L’intensité, la signature spectrale et la sensibilité du signal plasmonique sont grandement affectées par l’aspect physique du réseau de nanotrous. L’optimisation du signal plasmonique nécessite ainsi un ajustement du diamètre des trous, de la périodicité et de la composition métallique du réseau. L'agencement de l'ensemble de ces paramètres permet d'identifier une structure optimale possédant une périodicité de 1000 nm, un diamètre des nanotrous de 600-650 nm et un film métallique ayant une épaisseur de 125 nm d'or. Ce type de transducteur a une sensibilité en solution de 500-600 nm/RIU pour des bandes plasmoniques situées entre 600-700 nm. L'intérêt de travailler avec cette structure est la possibilité d'exciter les plasmons de polaritons de surface (SPPs) selon deux modes d'excitation : en transmission exaltée (EOT) ou en réflexion totale interne par résonance des plasmons de surface (SPR). Une comparaison entre les propriétés plasmoniques des senseurs selon les modes d'excitation permet de déterminer expérimentalement que le couplage de la lumière avec les ondes de SPP de Bloch (BW-SPPs) en transmission directe résulte en un champ électromagnétique davantage propagatif que localisé. D'un point de vue analytique, la biodétection de l'IgG en SPR est 6 fois plus sensible par rapport au mode EOT pour une même structure. Une étude du signal plasmonique associé au BW-SPP pour un certain mode de diffraction démontre que la distance de pénétration de ces structures en EOT est d'environ 140 nm. La limite de détection de l'IgG humain pour un réseau de nanotrous de 1000 nm de périodicité est d'environ 50 nM en EOT. Ce mémoire démontre la viabilité des réseaux de nanotrous pour effectuer de la biodétection par criblage à haut débit lors de prochaines recherches. L'investigation de l'effet de l'angle d'excitation en transmission exaltée par rapport au signal plasmonique associé au mode (1,0) d'un réseau de nanotrous de 820 nm d'or démontre que la sensibilité en solution n'est pas proportionnelle à la sensibilité en surface du senseur. En fait, une optimisation de l'angle d'incidence pour le mode (1,0) de diffraction des BW-SPP permet d'amplifier la sensibilité en surface du senseur jusqu'à 3-fois pour un angle de 13,3°. Ce mémoire démontre ainsi la nécessité d'optimiser l'angle d'excitation et les propriétés physiques du senseur afin de développer un transducteur de grande sensibilité basé sur l'excitation en transmission de réseaux de nanotrous.

Optical Antennas for Biosensing Applications

The aim of the thesis is to theoretically investigate optical/plasmonic antennas for biosensing applications. The full 3-D numerical electromagnetic simulations have been performed by using finite integration technique (FIT). The electromagnetic properties of surface plasmon polaritons (SPPs) and the localized surface plasmons (LSPs) based devices are studied for sensing purpose. The surface plasmon resonance (SPR) biosensors offer high refractive index sensitivity at a fixed wavelength but are not enough for the detection of low concentrations of molecules. It has been demonstrated that the sensitivity of SPR sensors can be increased by employing the transverse magneto-optic Kerr effect (TMOKE) in combination with SPPs. The sensor based on the phenomena of TMOKE and SPPs are known as magneto-optic SPR (MOSPR) sensors. The optimized MOSPR sensor is analyzed which provides 8 times higher sensitivity than the SPR sensor, which will be able to detect lower concentration of molecules. But, the range of the refractive index detection is limited, due to the rapid decay of the amplitude of the MOSPR-signal with the increase of the refractive indices. Whereas, LSPs based sensors can detect lower concentrations of molecules, but their sensitivity is small at a fixed wavelength. Therefore, another device configuration known as perfect plasmonic absorber (PPA) is investigated which is based on the phenomena of metal-insulator-metal (MIM) waveguide. The PPA consists of a periodic array of gold nanoparticles and a thick gold film separated by a dielectric spacer. The electromagnetic modes of the PPA system are analyzed for sensing purpose. The second order mode of the PPA at a fixed wavelength has been proposed for the first time for biosensing applications. The PPA based sensor combines the properties of the LSPR sensor and the SPR sensor, for example, it illustrates increment in sensitivity of the LSPR sensor comparable to the SPR and can detect lower concentration of molecules due to the presence of nanoparticles.

Fluctuations of the Stokes and anti-Stokes surface-enhanced resonance Raman scattering intensities in an electrochemical environment

Stokes and anti-Stokes SERRS intensity fluctuations were observed from a roughened silver electrode immersed in diluted solutions of Brilliant Green (BG), a behaviour linked to single-molecule events. The distributions of the anti-Stokes to Stokes ratios were obtained and their shape showed a strong dependence on the applied potential.