Actively Tuned Plasmons on Elastomerically Driven Au Nanoparticle Dimers

We demonstrate a novel way to actively tune surface plasmons by fabricating plasmonic nanostructures on stretchable elastomeric films. This allows reversible modification of the metal geometry on the nanometer scale. Using 100 nm scale Au nanoparticle dimers whose spacing is stretch-tuned reveals radically different spectral tuning than previously reported for sub-10-nm nanoparticles, but which can be explained by a revised interpretation of existing models. Tuning plasmons in this way offers a much more robust way than lithography to interrogate the physics of localized plasmons and has applications in optimized surface-enhanced luminescence and Raman scattering.

Enhancing solar cells with localized plasmons in nanovoids

Localized plasmon resonances of spherical nanovoid arrays strongly enhance solar cell performance by a factor of 3.5 in external quantum efficiency at plasmonic resonances, and a four-fold enhancement in overall power conversion efficiency. Large area substrates of silver nanovoids are electrochemically templated through self-assembled colloidal spheres and organic solar cells fabricated on top. Our design represents a new class of plasmonic photovoltaic enhancement: that of localized plasmon-enhanced absorption within nanovoid structures. Angularly-resolved spectra demonstrate strong localized Mie plasmon modes within the nanovoids. Theoretical modelling shows varied spatial dependence of light intensity within the void region suggesting a first possible route towards Third Generation plasmonic photovoltaics. (C) 2011 Optical Society of America

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.

PHOTOSIGNAL ENHANCEMENT IN AL-GAAS DIODES DUE TO SURFACE-PLASMONS AND GUIDED-WAVE MODES

Light of wavelength 632.8 nm and p-polarization is incident on a prism-air gap (varied from 0.7 to 7 mum)-Al-GaAs arrangement. Both the photosignal generated by the Schottky diode and the reflectance are measured as a function of the internal angle of incidence in the prism. There is significant, well-defined enhancement of the photosignal, up to a factor of approximately 7.5, associated with two different types of enhanced absorption modes. For air gaps <1.5 mum there is photosignal enhancement due to an enhanced absorption feature (reflectance dip) that occurs at an angle of incidence just above critical angle in the prism; this feature corresponds to the excitation of a surface plasmon polariton at the Al-air interface. For air gaps > 1 mum there are between one and ten photoresponse peaks at input angles less than the critical angle. The corresponding enhanced absorption features are due to leaky guided wave modes set up in the air gap.

INFRARED SURFACE-PLASMONS ON PLATINUM SILICIDE

It is shown that surface plasmons (SPs) are supported on thin PtSi films. Using a prism-air gap-sample configuration, p-polarised infra-red light (3.39-mu-m) has been coupled with approximately 95% efficiency to SPs on the silicide electrode of PtSi-Si Schottky barrier structures. Stimulating SPs offers both a means of optically characterising silicide films and of enhancing optical absorption with a view to significantly increasing the Schottky barrier photoresponse.

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.

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.

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.

On the role of acoustic plasmons in high Tc superconductors

The role of acoustic plasmons in the recently discovered high Tc superconductors is discussed. It is shown that the exchange of acoustic plasmons together with the usual phonon exchange between electrons can give rise to a Tc - 100 K.

Estudo de acoplamento de luz a sistemas multicamadas : plasmons de superfícies e guias de onda

O acoplamento de radiação óptica em sistemas multicamadas tem sido objeto de diversas pesquisas, não somente acadêmicas, mas também para aplicações industriais, tanto na área de sensores ópticos, como na de processadores ópticos e na de comunicações ópticas. Existe uma variedade de técnicas que são exploradas nestes estudos. Nesta tese, focalizamos nossa atenção no acoplamento de radiação laser ou mesmo de luz branca incoerente a um filme tipo multicamadas e estudamos os mecanismos físicos que governam as reflexões e as perdas por absorção nas multicamadas, efeitos que normalmente não parecem quando a incidência ocorre diretamente do ar para o filme. A técnica que exploramos é conhecida como reflexão interna total atenuada, ATR. A presença de um filme fino metálico permite o estudo experimental de plasmons de superfície e do acoplamento a modos guiados do sistema multicamadas. Além dos estudos experimentais, apresentamos um cálculo teórico iterativo para a refletividade dos filmes do tipo multicamadas para um número qualquer de camadas, que apresenta vantagens computacionais no ajuste dos dados experimentais ou em simulações. Esta contribuição não necessita as aproximações encontradas em um grande número de trabalhos que envolvem sistemas mais simples. Apresentamos também o cálculo do fluxo de energia dentro de cada camada individual do sistema, o que nos permite determinar o tipo de modo acoplado e a sua localização. O método foi aplicado a diversos sistemas, quando uma das camadas foi modificada. Estes estudos foram realizados como função do ângulo de incidência e do comprimento de onda da radiação incidente para uma variedade de sistemas multicamadas. Nossa simulação teórica se mostra bastante adequada e útil para a projeção de sistemas multicamadas complexos com camadas metálicas e dielétricas para sensores óticos.

Espectro de polariton de plasmons e propriedades ópitcas de super-redes tipo cantor

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

Espectro de Polariton de Plasmons e Ondas de Luz em Quasi-Cristais

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior