The effects of gas occlusions and strains on the magnetic properties of thin permalloy films /

"May 1965."

Aging in thin metallic films /

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Structure and dynamics of thin colloidal films

This thesis begins by studying the thickness of evaporative spin coated colloidal crystals and demonstrates the variation of the thickness as a function of suspension concentration and spin rate. Particularly, the films are thicker with higher suspension concentration and lower spin rate. This study also provides evidence for the reproducibility of spin coating in terms of the thickness of the resulting colloidal films. These colloidal films, as well as the ones obtained from various other methods such as convective assembly and dip coating, usually possess a crystalline structure. Due to the lack of a comprehensive method for characterization of order in colloidal structures, a procedure is developed for such a characterization in terms of local and longer range translational and orientational order. Translational measures turn out to be adequate for characterizing small deviations from perfect order, while orientational measures are more informative for polycrystalline and highly disordered crystals. Finally, to obtain an understanding of the relationship between dynamics and structure, the dynamics of colloids in a quasi-2D suspension as a function of packing fraction is studied. The tools that are used are mean square displacement (MSD) and the self part of the van Hove function. The slow down of dynamics is observed as the packing fraction increases, accompanied with the emergence of 6-fold symmetry within the system. The dynamics turns out to be non-Gaussian at early times and Gaussian at later times for packing fractions below 0.6. Above this packing fraction, the dynamics is non-Gaussian at all times. Also the diffusion coefficient is calculated from MSD and the van Hove function. It goes down as the packing fraction is increased.

Plasmonenresonanzen von sichelförmigen metallischen Nanoobjekten

Metallische Objekte in der Größenordnung der optischen Wellenlänge zeigen Resonanzen im optischen Spektralbereich. Mit einer Kombination aus Kolloidlithographie, Metallfilmbedampfung und reaktivem Ionenstrahl¨atzen wurden Nanosicheln aus Gold bzw. Silber mit identischer Form und Orientierung in Sichelform mit einer Größe von 60nm bis 400nm hergestellt. Der Öffnungswinkel der Nanosicheln lässt sich kontinuierlich einstellen. Durch die einheitliche Orientierung lassen sich Messungen am Ensemble direkt auf das Verhalten des Einzelobjektes übertragen, wie ein Vergleich der Extinktionsspektren einer Ensemblemessung am UV/Vis/NIR-Spektrometer mit einer Einzelpartikelmessung in einem konfokalen Mikroskop zeigt. Die optische Antwort der Nanosicheln wurde als zwei-dimensionales Modell mit einer Finite Elemente Methode berechnet. Das Ergebnis sind mehrere polarisationsabhängige Resonanzen im optischen Spektrum. Diese lassen sich durch Variation des Öffnungswinkels und der Gr¨oße der Nanosichel verschieben. Durch Beleuchten lassen sich plasmonische Schwingungen anregen, die ein stark lokalisiertes Nahfeld an den Spitzen und in der Öffnung der Nanosicheln erzeugen. Das Nahfeld der Partikelresonanz wurde mit einer Fotolackmethode nachgewiesen. Die Untersuchungen am UV/Vis/NIR-Spektrometer zeigen mehrere polarisationsabhängige Resonanzen im Spektralbereich von 300 nm bis 3200 nm. Die Resonanzen der Nanosicheln lassen sich durch den Öffnungswinkel und den Durchmesser in der Größenordnung der Halbwertbreite im optischen Spektrum verschieben. In der Anwendung als Chemo- bzw. Biosensor zeigen Gold-Nanosicheln eine ähnliche Empfindlichkeit wie vergleichbare Sensoren auf der Basis von dünnen Metallstrukturen. Das Nahfeld zeichnet sich durch eine starke Lokalisierung aus und dringt, je nach Multipolordnung, zwischen 14 nm und 70 nm in die Umgebung ein. Quantenpunkte wurden an das Nahfeld der Nanosicheln gekoppelt. Die Emission der Quantenpunkte bei einer Wellenlänge von 860nm wird durch die Resonanz der Nanosicheln verstärkt. Die Nanosicheln wurden als optische Pinzette eingesetzt. Bei einer Anregung mit einem Laser bei einer Wellenlänge von 1064 nm wurden Polystyrolkolloide mit einem Durchmesser von 40 nm von den resonanten Nanosicheln eingefangen. Die Nanosicheln zeigen außergewöhnliche optische Eigenschaften, die mithilfe der Geometrieparameter über einen großen Bereich verändert werden können. Die ersten Anwendungen haben Anknüpfungspunkte zur Verwendung in der Sensorik, Fluoreszenzspektroskopie und als optische Pinzette aufgezeigt.

New biosensor applications of surface plasmon and hydrogel optical waveguide spectroscopy

Rapid and sensitive detection of chemical and biological analytes becomes increasingly important in areas such as medical diagnostics, food control and environmental monitoring. Optical biosensors based on surface plasmon resonance (SPR) and optical waveguide spectroscopy have been extensively pushed forward in these fields. In this study, we combine SPR, surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy (SPFS) and optical waveguide spectroscopy with hydrogel thin film for highly sensitive detection of molecular analytes.rnrnA novel biosensor based on SPFS which was advanced through the excitation of long range surface plasmons (LRSPs) is reported in this study. LRSPs are special surface plasmon waves propagating along thin metal films with orders of magnitude higher electromagnetic field intensity and lower damping than conventional SPs. Therefore, their excitation on the sensor surface provides further increased fluorescence signal. An inhibition immunoassay based on LRSP-enhanced fluorescence spectroscopy (LRSP-FS) was developed for the detection of aflatoxin M1 (AFM1) in milk. The biosensor allowed for the detection of AFM1 in milk at concentrations as low as 0.6 pg mL-1, which is about two orders of magnitude lower than the maximum AFM1 residue level in milk stipulated by the European Commission legislation.rnrnIn addition, LRSPs probe the medium adjacent to the metallic surface with more extended evanescent field than regular SPs. Therefore, three-dimensional binding matrices with up to micrometer thickness have been proposed for the immobilization of biomolecular recognition elements with large surface density that allows to exploit the whole evanescent field of LRSP. A photocrosslinkable carboxymethyl dextran (PCDM) hydrogel thin film is used as a binding matrix, and it is applied for the detection of free prostate specific antigen (f-PSA) based on the LRSP-FS and sandwich immunoassay. We show that this approach allows for the detection of f-PSA at low femto-molar range, which is approximately four orders of magnitude lower than that for direct detection of f-PSA based on the monitoring of binding-induced refractive index changes.rnrnHowever, a three dimensional hydrogel binding matrix with micrometer thickness can also serve as an optical waveguide. Based on the measurement of binding-induced refractive index changes, a hydrogel optical waveguide spectroscopy (HOWS) is reported for a label-free biosensor. This biosensor is implemented by using a SPR optical setup in which a carboxylated poly(N-isoproprylacrylamide) (PNIPAAm) hydrogel film is attached on a metallic surface and modified by protein catcher molecules. Compared to regular SPR biosensor with thiol self-assembled monolayer (SAM), HOWS provides an order of magnitude improved resolution in the refractive index measurements and enlarged binding capacity owing to its low damping and large swelling ratio, respectively. A model immunoassay experiment revealed that HOWS allowed detection of IgG molecules with a 10 pM limit of detection (LOD) that was five-fold lower than that achieved for SPR with thiol SAM. For the high capacity hydrogel matrix, the affinity binding was mass transport limited.rnrnThe mass transport of target molecules to the sensor surface can play as critical a role as the chemical reaction itself. In order to overcome the diffusion-limited mass transfer, magnetic iron oxide nanoparticles were employed. The magnetic nanoparticles (MNPs) can serve both as labels providing enhancement of the refractive index changes, and “vehicles” for rapidly delivering the analytes from sample solution to an SPR sensor surface with a gradient magnetic field. A model sandwich assay for the detection of β human chorionic gonadotropin (βhCG) has been utilized on a gold sensor surface with metallic diffraction grating structure supporting the excitation of SPs. Various detection formats including a) direct detection, b) sandwich assay, c) MNPs immunoassay without and d) with applied magnetic field were compared. The results show that the highly-sensitive MNPs immunoassay improves the LOD on the detection of βhCG by a factor of 5 orders of magnitude with respect to the direct detection.rn

Individual plasmonic nanogaps : controlled assembly and detailed investigation

Diese Arbeit befasst sich mit den optischen Resonanzen metallischer Nanopartikel im Abstand weniger Nanometer von einer metallischen Grenzfläche. Die elektromagnetische Wechselwirkung dieser „Kugel-vor-Fläche“ Geometrie ruft interessante optische Phänomene hervor. Sie erzeugt eine spezielle elektromagnetische Eigenmode, auch Spaltmode genannt, die im Wesentlichen auf den Nanospalt zwi-schen Kugel und Oberfläche lokalisiert ist. In der quasistatischen Näherung hängt die Resonanzposition nur vom Material, der Umgebung, dem Film-Kugel Abstand und dem Kugelradius selbst ab. Theoretische Berechnungen sagen für diese Region unter Resonanzbedingungen eine große Verstärkung des elektro-magnetischen Feldes voraus. rnUm die optischen Eigenschaften dieser Systeme zu untersuchen, wurde ein effizienter plasmonenver-mittelnder Dunkelfeldmodus für die konfokale Rastermikroskopie durch dünne Metallfilme entwickelt, der die Verstärkung durch Oberflächenplasmonen sowohl im Anregungs- als auch Emissionsprozess ausnutzt. Dadurch sind hochwertige Dunkelfeldaufnahmen durch die Metallfilme der Kugel-vor-Fläche Systeme garantiert, und die Spektroskopie einzelner Resonatoren wird erleichtert. Die optischen Untersuchungen werden durch eine Kombination von Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie vervollständigt, so dass die Form und Größe der untersuchten Resonatoren in allen drei Dimensionen bestimmt und mit den optischen Resonanzen korreliert werden können. Die Leistungsfähigkeit des neu entwickelten Modus wird für ein Referenzsystem aus Polystyrol-Kugeln auf einem Goldfilm demonstriert. Hierbei zeigen Partikel gleicher Größe auch die erwartete identische Resonanz.rnFür ein aus Gold bestehendes Kugel-vor-Fläche System, bei dem der Spalt durch eine selbstorganisierte Monolage von 2-Aminoethanthiol erzeugt wird, werden die Resonanzen von Goldpartikeln, die durch Reduktion mit Chlorgoldsäure erzeugt wurden, mit denen von idealen Goldkugeln verglichen. Diese ent-stehen aus den herkömmlichen Goldpartikeln durch zusätzliche Bestrahlung mit einem Pikosekunden Nd:Yag Laser. Bei den unbestrahlten Partikeln mit ihrer Unzahl an verschiedenen Formen zeigen nur ein Drittel der untersuchten Resonatoren ein Verhalten, das von der Theorie vorhergesagt wird, ohne das dies mit ihrer Form oder Größe korrelieren würde. Im Fall der bestrahlten Goldkugeln tritt eine spürbare Verbesserung ein, bei dem alle Resonatoren mit den theoretischen Rechnungen übereinstimmen. Eine Änderung der Oberflächenrauheit des Films zeigt hingegen keinen Einfluß auf die Resonanzen. Obwohl durch die Kombination von Goldkugeln und sehr glatten Metallfilmen eine sehr definierte Probengeometrie geschaffen wurde, sind die experimentell bestimmten Linienbreiten der Resonanzen immer noch wesentlich größer als die berechneten. Die Streuung der Daten, selbst für diese Proben, deutet auf weitere Faktoren hin, die die Spaltmoden beeinflußen, wie z.B. die genaue Form des Spalts. rnDie mit den Nanospalten verbundenen hohen Feldverstärkungen werden untersucht, indem ein mit Farbstoff beladenes Polyphenylen-Dendrimer in den Spalt eines aus Silber bestehenden Kugel-vor-Fläche Systems gebracht wird. Das Dendrimer in der Schale besteht lediglich aus Phenyl-Phenyl Bindungen und garantiert durch die damit einhergende Starrheit des Moleküls eine überragende Formstabiliät, ohne gleichzeitig optisch aktiv zu sein. Die 16 Dithiolan Endgruppen sorgen gleichzeitig für die notwendige Affinität zum Silber. Dadurch kann der im Inneren befindliche Farbstoff mit einer Präzision von wenigen Nanometern im Spalt zwischen den Metallstrukturen platziert werden. Der gewählte Perylen Farbstoff zeichnet sich wiederum durch hohe Photostabilität und Fluoreszenz-Quantenausbeute aus. Für alle untersuchten Partikel wird ein starkes Fluoreszenzsignal gefunden, das mindestens 1000-mal stärker ist, als das des mit Farbstoff überzogenen Metallfilms. Das Profil des Fluoreszenz-Anregungsspektrums variiert zwischen den Partikeln und zeigt im Vergleich zum freien Farbstoff eine zusätzliche Emission bei höheren Frequenzen, was in der Literatur als „hot luminescence“ bezeichnet wird. Bei der Untersuchung des Streuverhaltens der Resonatoren können wieder zwei unterschiedliche Arten von Resonatoren un-terschieden werden. Es gibt zunächst die Fälle, die bis auf die beschriebene Linienverbreiterung mit einer idealen Kugel-vor-Fläche Geometrie übereinstimmen und dann andere, die davon stark abweichen. Die Veränderungen der Fluoreszenz-Anregungsspektren für den gebundenen Farbstoffs weisen auf physikalische Mechanismen hin, die bei diesen kleinen Metall/Farbstoff Abständen eine Rolle spielen und die über eine einfache wellenlängenabhängige Verstärkung hinausgehen.

The optical response of nanostructured surfaces and the composite diffracted evanescent wave model

Investigations of the optical response of subwavelength-structure arrays milled into thin metal films have revealed surprising phenomena, including reports of unexpectedly high transmission of light. Many studies have interpreted the optical coupling to the surface in terms of the resonant excitation of surface plasmon polaritons (SPPs), but other approaches involving composite diffraction of surface evanescent waves (CDEW) have also been proposed. Here we present a series of measurements on very simple one-dimensional subwavelength structures to test the key properties of the surface waves, and compare them to the CDEW and SPP models. We find that the optical response of the silver metal surface proceeds in two steps: a diffractive perturbation in the immediate vicinity (2–3 mu m) of the structure, followed by excitation of a persistent surface wave that propagates over tens of micrometres. The measured wavelength and phase of this persistent wave are significantly shifted from those expected for resonance excitation of a conventional SPP on a pure silver surface.

Study of the dielectric and ferroelectric properties of chemically processed BaxSr1-xTiO3 thin films

Polycrystalline BaxSr1-xTiO3 (x = 0.4 and 0.8) thin films with a perovskite structure were prepared by the polymeric precursor method on a platinum-coated silicon substrate. High-quality thin films with uniform composition and thickness were successfully produced by dip-coating and spin-coating techniques. The resulting thin films prepared by dip and spin-coating showed a well-developed dense polycrystalline structure with uniform grain size distribution. The metal-BST-metal structure of the thin films displays good dielectric and ferroelectric properties. The ferroelectric nature to BaxSr1-xTiO3 (x = 0.8) thin film, indicated by butterfly-shaped C-V curves and confirmed by the hysteresis curve, showed 2P(r) = 5.0 muC/cm(2) and E-c = 20 kV/cm. The capacitance-frequency curve reveals that the dielectric constant may reach a value of up to 794 at 1 kHz. on the other hand, the BaxSr1-xTiO3 (x = 0.4) thin films had paraelectric nature and dielectric constant and the dissipation factor at a frequency of 100 kHz were 680 and 0.01, respectively, for film annealed at 700 degreesC. In addition, an examination of the film's I-V curve at room temperature revealed the presence of two conduction regions in the BaxSr1-xTiO3 (x = 0.4 and 0.8) thin films, showing ohmic-like behavior at low voltage and a Schottky-emission or Poole-Frenkel mechanism at high voltage. (C) 2001 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

Grazing incidence X-ray diffraction and atomic force microscopy analysis of BaBi2Ta2O9 thin films

Thin films of BaBi2Ta2O9 (BBT) composition were prepared through the metal organic decomposition method. The crystallinity, phase formation, crystallite size and morphology of the thin films were measured as a function of the type of substrate, stoichiometry of solution and process variables such as thickness and temperature. The thin films were investigated by grazing incidence X-ray diffractometry and atomic force microscopy (AFM) techniques. For the sample without excess of bismuth, diffraction peaks other than that of the BBT phase were observed. A well crystallized BBT single phase was observed for films prepared from a solution with 10% excess of bismuth, deposited on Si/Pt substrate, with a thickness up to 150 nm and sintered at temperatures of 700 degreesC. The thin BBT phase films heat-treated at 600 degreesC presented a diffraction pattern characteristic of samples with lower degree of crystallinity whereas for the thin films heat-treated at 800 degreesC, we observed the presence of other phases than the BBT. For the thin film deposited on the Sin+ substrate, we observe that the peaks corresponding to the BBT phase are broader than that observed on the samples deposited on the Pt and Si/Pt substrates. No variation of average crystallite size was observed as the excess of Bi increased from 10 to 20%. AFM images for the samples showed that the increasing the amount of bismuth promotes grain growth. The average surface roughness measured was in the range of 16-22 nm showing that the bismuth amount had no or little effect on the roughness of films. (C) 2002 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.