Nanotech thin film photovoltaics

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Nanobiophotonics for biomolecular diagnostics

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Biotecnologia

Study of gold nanoparticle assisted neuron stimulation

The unique proprieties exhibited by nanoscale particles compared to their macro size counterparts allow for the creation of novel neural activity manipula-tion procedures. In this sense, gold nanoparticles (AuNPs) can be used to stimu-late the electrical activity of neuron by converting light into heat. During this dissertation, AuNPs are synthesized by the citrate reduction method, resulting in a hydrodynamic diameter of approximately 16 nm and an absorbance peak of 530 nm. A system to control a 532 nm laser and measure the temperature variation was custom built from scratch specifically for this project. Temperature is then measured with recourse to a thermocouple and through changes in impedance. The built system had in consideration the necessities pre-sented by in vivo tests. Trials were performed by measuring the temperature rise of colloidal AuNP solutions, having the temperature variation reached a maximum of ap-proximately 18 ºC relative to control trials; successfully showing that light is ef-fectively transduced into heat when AuNPs are present. This novel approach enables an alternative to optogenetics, which require the animal to be genetically modified in order to allow neuron stimulation.

Effect of surface plasmon resonance in TiO2/Au thin films on the fluorescence of self-assembled CdTe QDs structure

The exceptional properties of localised surface plasmons (LSPs), such as local field enhancement and confinement effects, resonant behavior, make them ideal candidates to control the emission of luminescent nanoparticles. In the present work, we investigated the LSP effect on the steady-state and time-resolved emission properties of quantum dots (QDs) by organizing the dots into self-assembled dendrite structures deposited on plasmonic nanostructures. Self-assembled structures consisting of water-soluble CdTe mono-size QDs, were developed on the surface of co-sputtered TiO2 thin films doped with Au nanoparticles (NPs) annealed at different temperatures. Their steady-state fluorescence properties were probed by scanning the spatially resolved emission spectra and the energy transfer processes were investigated by the fluorescence lifetime imaging (FLIM) microscopy. Our results indicate that a resonant coupling between excitons confined in QDs and LSPs in Au NPs located beneath the self-assembled structure indeed takes place and results in (i) a shift of the ground state luminescence towards higher energies and onset of emission from excited states in QDs, and (ii) a decrease of the ground state exciton lifetime (fluorescence quenching).

Thin films composed of Ag nanoclusters dispersed in TiO2: Influence of composition and thermal annealing on the microstructure and physical responses

Noble metal powders containing gold and silver have been used for many centuries, providing different colours in the windows of the medieval cathedrals and in ancient Roman glasses. Nowadays, the interest in nanocomposite materials containing noble nanoparticles embedded in dielectric matrices is related with their potential use for a wide range of advanced technological applications. They have been proposed for environmental and biological sensing, tailoring colour of functional coatings, or for surface enhanced Raman spectroscopy. Most of these applications rely on the so-called localised surface plasmon resonance absorption, which is governed by the type of the noble metal nanoparticles, their distribution, size and shape and as well as of the dielectric characteristics of the host matrix. The aim of this work is to study the influence of the composition and thermal annealing on the morphological and structural changes of thin films composed of Ag metal clusters embedded in a dielectric TiO2 matrix. Since changes in size, shape and distribution of the clusters are fundamental parameters for tailoring the properties of plasmonic materials, a set of films with different Ag concentrations was prepared. The optical properties and the thermal behaviour of the films were correlated with the structural and morphological changes promoted by annealing. The films were deposited by DC magnetron sputtering and in order to promote the clustering of the Ag nanoparticles the as-deposited samples were subjected to an in-air annealing protocol. It was demonstrated that the clustering of metallic Ag affects the optical response spectrum and the thermal behaviour of the films.

Nanoantenna enhanced emission of lightharvesting complex 2: the role of resonance, polarization, and radiative and non-radiative rates

Nanoantennae show potential for photosynthesis research for two reasons; first by spatially confining light for experiments which require high spatial resolution, and second by enhancing the photon emission of single light-harvesting complexes. For effective use of nanoantennae a detailed understanding of the interaction between the nanoantenna and the light-harvesting complex is required. Here we report how the excitation and emission of multiple purple bacterial LH2s (light-harvesting complex 2) are controlled by single gold nanorod antennae. LH2 complexes were chemically attached to such antennae, and the antenna length was systematically varied to tune the resonance with respect to the LH2 absorption and emission. There are three main findings. (i) The polarization of the LH2 emission is fully controlled by the resonant nanoantenna. (ii) The largest fluorescence enhancement, of 23 times, is reached for excitation with light at λ = 850 nm, polarized along the long antenna-axis of the resonant antenna. The excitation enhancement is found to be 6 times, while the emission efficiency is increased 3.6 times. (iii) The fluorescence lifetime of LH2 depends strongly on the antenna length, with shortest lifetimes of [similar]40 ps for the resonant antenna. The lifetime shortening arises from an 11 times resonant enhancement of the radiative rate, together with a 2–3 times increase of the non-radiative rate, compared to the off-resonant antenna. The observed length dependence of radiative and non-radiative rate enhancement is in good agreement with simulations. Overall this work gives a complete picture of how the excitation and emission of multi-pigment light-harvesting complexes are influenced by a dipole nanoantenna.

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 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.

Detection of methotrexate using surface plasmon resonance biosensors for chemotherapy monitoring

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique.

Détection de protéines par diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS)

La concentration locale des messagers chimiques sécrétés par les cellules peut être mesurée afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à diverses maladies, dont les métastases du cancer. De nouvelles techniques analytiques sont requises pour effectuer ces mesures locales de marqueurs biologiques à proximité des cellules. Ce mémoire présentera le développement d’une nouvelle technique basée sur la réponse plasmonique sur des leviers AFM, permettant d’étudier les réactions chimiques et biologiques à la surface des leviers grâce au phénomène de résonance des plasmons de surface (SPR), ainsi qu’à la diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS). En effet, il est possible de localiser l’amplification du signal Raman à la pointe d’un levier AFM, tout comme le principe de la diffusion Raman exaltée par effet de surface (SERS) basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques, et permettant une large amplification du signal Raman. La surface du levier est recouverte d’une nano-couche métallique d’or, suivi par des réactions biologiques pour l’immobilisation d’un récepteur moléculaire, créant ainsi un biocapteur sur la pointe du levier. Une détection secondaire utilisant des nanoparticules d’or conjuguées à un anticorps secondaire permet également une amplification du signal SPR et Raman lors de la détection d’antigène. Ce mémoire démontrera le développement et la validation de la détection de l’immunoglobuline G (IgG) sur la pointe du levier AFM.Dans des projets futurs, cette nouvelle technique d’instrumentation et d’imagerie sera optimisée grâce à la création d’un micro-détecteur protéique généralement adapté pour l’étude de la communication cellulaire. En intégrant le signal SPR à la microscopie AFM, il sera alors possible de développer des biocapteurs SPR couplés à une sonde à balayage, ce qui permettra d’effectuer une analyse topographique et de l’environnement chimique d’échantillons cellulaires en temps réel, pour la mesure des messagers moléculaires sécrétés dans la matrice extracellulaire, lors de la communication cellulaire.

Preparation and Study of Optical Properties of CdS, CdS-TiO2 and CdS-Au Nanocomposites for Photonic Applications

Nanophotonics can be regarded as a fusion of nanotechnology and photonics and it is an emerging field providing researchers opportunities in fundamental science and new technologies. In recent times many new methodsand techniques have been developed to prepare materials at nanoscale dimensions. Most of these materials exhibit unique and interesting optical properties and behavior. Many of these have been found to be very useful to develop new devices and systems such as tracers in biological systems, optical limiters, light emitters and energy harvesters. This thesis presents a summary of the work done by the author in the field by choosing a few semiconductor systems to prepare nanomaterials and nanocomposites. Results of the study of linear and nonlinear optical properties of materials thus synthesized are also presented in the various chapters of this thesis. CdS is the material chosen here and the methods and the studies of the detailed investigation are presented in this thesis related to the optical properties of CdS nanoparticles and its composites. Preparation and characterization methods and experimental techniques adopted for the investigations were illustrated in chapter 2 of this thesis. Chapter 3 discusses the preparation of CdS, TiO2 and Au nanoparticles. We observed that the fluorescence behaviour of the CdS nanoparticles, prepared by precipitation technique, depends on excitation wavelength. It was found that the peak emission wavelength can be shifted by as much as 147nm by varyingthe excitation wavelengths and the reason for this phenomenon is the selective excitation of the surface states in the nanoparticles. This provided certain amount of tunability for the emission which results from surface states.TiO2 nanoparticle colloids were prepared by hydrothermal method. The optical absorption study showed a blue shift of absorption edge, indicating quantum confinement effect. The large spectral range investigated allows observing simultaneously direct and indirect band gap optical recombination. The emission studies carried out show four peaks, which are found to be generated from excitonic as well as surface state transitions. It was found that the emission wavelengths of these colloidal nanoparticles and annealed nanoparticles showed two category of surface state emission in addition to the excitonic emission. Au nanoparticles prepared by Turkevich method showed nanoparticles of size below 5nm using plasmonic absorption calculation. It was also found that there was almost no variation in size as the concentration of precursor was changed from 0.2mM to 0.4mM.We have observed SHG from CdS nanostructured thin film prepared onglass substrate by chemical bath deposition technique. The results point out that studied sample has in-plane isotropy. The relative values of tensor components of the second-order susceptibility were determined to be 1, zzz 0.14, xxz and 0.07. zxx These values suggest that the nanocrystals are oriented along the normal direction. However, the origin of such orientation remains unknown at present. Thus CdS is a promising nonlinear optical material for photonic applications, particularly for integrated photonic devices. CdS Au nanocomposite particles were prepared by mixing CdS nanoparticles with Au colloidal nanoparticles. Optical absorption study of these nanoparticles in PVA solution suggests that absorption tail was red shifted compared to CdS nanoparticles. TEM and EDS analysis suggested that the amount of Au nanoparticles present on CdS nanoparticles is very small. Fluorescence emission is unaffected indicating the presence of low level of Au nanoparticles. CdS:Au PVA and CdS PVA nanocomposite films were fabricated and optically characterized. The results showed a red-shift for CdS:Au PVA film for absorption tail compared to CdS PVA film. Nonlinear optical analysis showed a huge nonlinear optical absorption for CdS:Au PVA nanocomposite and CdS:PVA films. Also an enhancement in nonlinear optical absorption is found for CdS:Au PVA thin film compared to the CdS PVA thin film. This enhancement is due to the combined effect of plasmonic as well as excitonic contribution at high input intensity. Samples of CdS doped with TiO2 were also prepared and the linear optical absorption spectra of these nanocompositeparticles clearly indicated the influence of TiO2 nanoparticles. TEM and EDS studies have confirmed the presence of TiO2 on CdS nanoparticles. Fluorescence studies showed that there is an increase in emission peak around 532nm for CdS nanoparticles. Nonlinear optical analysis of CdS:TiO2 PVA nanocomposite films indicated a large nonlinear optical absorption compared to that of CdS:PVA nanocomposite film. The values of nonlinear optical absorption suggests that these nanocomposite particles can be employed for optical limiting applications. CdSe-CdS and CdSe-ZnS core-shell QDs with varying shell size were characterized using UV–VIS spectroscopy. Optical absorption and TEM analysis of these QDs suggested a particle size around 5 nm. It is clearly shown that the surface coating influences the optical properties of QDs in terms of their size. Fluorescence studies reveal the presence of trap states in CdSe-CdS and CdSe- ZnS QDs. Trap states showed an increase as a shell for CdS is introduced and increasing the shell size of CdS beyond a certain value leads to a decrease in the trap state emission. There is no sizeable nonlinear optical absorption observed. In the case of CdSe- ZnS QDs, the trap state emission gets enhanced with the increase in ZnS shell thickness. The enhancement of emission from trap states transition due to the increase in thickness of ZnS shell gives a clear indication of distortion occurring in the spherical symmetry of CdSe quantum dots. Consequently the nonlinear optical absorption of CdSe-ZnS QDs gets increased and the optical limiting threshold is decreased as the shell thickness is increased in respect of CdSe QDs. In comparison with CdSe-CdS QDs, CdSe-ZnS QDs possess much better optical properties and thereby CdSe-ZnS is a strong candidate for nonlinear as well as linear optical applications.

Preparation and applications of periodical gold nanoparticle arrays

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Anwendungen von periodischen Goldnanopartikel-Arrays (PPAs), die mit Hilfe von Nanosphären-Lithografie hergestellt wurden. In Abhängigkeit der verwendeten Nanosphären-Größe wurden dabei entweder kleine dreieckige Nanopartikel (NP) (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 330 nm) oder große dreieckige NPD sowie leicht gestreckte NP (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 1390 nm) hergestellt. Die Charakterisierung der PPAs erfolgte mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und optischer Spektroskopie. Die kleinen NP besitzen ein Achsverhältnis (AV) von 2,47 (Kantenlänge des NPs: (74+/-6) nm, Höhe: (30+/-4) nm. Die großen dreieckigen NP haben ein AV von 3 (Kantenlänge des NPs:(465+/-27) nm, Höhe: (1530+/-10) nm) und die leicht gestreckten NP (die aufgrund der Ausbildung von Doppelschichten ebenfalls auf der gleichen Probe erzeugt wurden) haben eine Länge von (364+/-16)nm, eine Breite von (150+/-20) nm und eine Höhe von (150+/-10)nm. Die optischen Eigenschaften dieser NP werden durch lokalisierte Oberflächenplasmon-Polariton Resonanzen (LPPRs) dominiert, d.h. von einem eingestrahlten elektromagnetischen Feld angeregte kollektive Schwingungen der Leitungsbandelektronen. In dieser Arbeit wurden drei signifikante Herausforderungen für Plasmonik-Anwendungen bearbeitet, welche die einzigartigen optischen Eigenschaften dieser NP ausnutzen. Erstens wurden Ergebnisse der selektiven und präzisen Größenmanipulation und damit einer Kontrolle der interpartikulären Abstände von den dreieckigen Goldnanopartikel mit Hilfe von ns-gepulstem Laserlicht präsentiert. Die verwendete Methode basiert hierbei auf der Größen- und Formabhängigkeit der LPPRs der NP. Zweitens wurde die sensorischen Fähigkeiten von Gold-NP ausgenutzt, um die Bildung von molekularen Drähten auf den PPAs durch schrittweise Zugabe von unterschiedlichen molekularen Spezies zu untersuchen. Hierbei wurde die Verschiebung der LSPPR in den optischen Spektren dazu ausgenutzt, die Bildung der Nanodrähte zu überwachen. Drittens wurden Experimente vorgestellt, die sich die lokale Feldverstärkung von NP zu nutze machen, um eine hochgeordnete Nanostrukturierung von Oberflächen mittels fs-gepulstem Laserlicht zu bewerkstelligen. Dabei zeigt sich, dass neben der verwendeten Fluenz die Polarisationsrichtung des eingestrahlten Laserlichts in Bezug zu der NP-Orientierung sowie die Größe der NP äußerst wichtige Parameter für die Nanostrukturierung darstellen. So konnten z.B. Nanolöcher erzeugt werden, die bei höheren Fluenzen zu Nanogräben und Nanokanälen zusammen wuchsen. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse von enormer Wichtigkeit für weitere Anwendungen sind.

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.

Equivalent Circuits and Nanoplasmonics

We show how a circuit analysis, used widely in electrical engineering, finds application to problems of light wave injection and transport in subwavelength structures in the optical frequency range. Lumped circuit and transmission-line analysis may prove helpful in the design of plasmonic devices with standard, functional properties.

Portable smart films for ultrasensitive detection and chemical analysis using SERS and SERRS

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)