Zero-Reflectance Metafilms for Optimal Plasmonic Sensing

An ultrathin layer of metasurface that almost completely annihilates the reflection of light (>99.5%) over a wide range of incident angles (>80°) is experimentally demonstrated. Such zero-reflectance metafilms exhibit optimal performance for plasmonic sensing, since their sensitivity to changes of local refractive index is far superior to films of nonzero reflectance. Since both main detection mechanisms tracking intensity changes and wavelength shifts are improved, zero-reflectance metafilms are optimal for localized surface plasmon resonance molecular sensing. Such nanostructures have significant opportunities in many areas, including enhanced light harvesting as well as in developing high-performance molecular sensors for a wide range of chemical and biomedical applications.

Plasmonic Coupling in Er3+:Au Tellurite Glass

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Efficient plasmonic coupling between Er3+:(Ag/Au) in tellurite glasses

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

Plasmonic structures fabricated by interference lithography for sensor applications

In this work we demonstrate the use of holographic lithography for generation of large area plasmonic periodic structures. Submicrometric array of holes, with different periods and thickness, were recorded in gold films, in areas of about 1 cm2, with homogeneity similar to that of samples recorded by Focused Ion Beam. In order to check the plasmonic properties, we measured the transmission spectra of the samples. The spectra exhibit the typical surface plasmon resonances (SPR) in the infrared whose position and width present the expected behavior with the period of the array and film thickness. The shift of the peak position with the permittivity of the surrounding medium demonstrates the feasebility of the sample as large area sensors. © 2009 SPIE.

Resonant properties, of modified triangular plasmonic nanoparticles with higher field concentration

In this paper, we present an analysis of the resonant response of modified triangular metallic nanoparticles with polynomial sides. The particles are illuminated by an incident plane wave and the method of moments is used to solve numerically the electromagnetic scattering problem. We investigate spectral response and near field distribution in function of the length and polynomial order of the nanoparticles. Our results show that in the analyzed wavelength range (0.5-1.8) µm these particles possess smaller number of resonances and their resonant wavelengths, near field enhancement and field confinement are higher than those of the conventional triangular particle with linear sides.

Large-Area Plasmonic Substrate of Silver-Coated Iron Oxide Nanorod Arrays for Plasmon-Enhanced Spectroscopy

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

Plasmonic Nanobiosensor with Chain Reaction Amplification Mechanism

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

Plasmonic Coupling in Er3+:Au Tellurite Glass

In this paper, we report on luminescence and absorbance effects of Er+3:Au-doped tellurite glasses synthesized by a melting-quenching and heat treatment technique. After annealing times of 2.5, 5.0, 7.5, and 10.0 h, at 300 A degrees C, the gold nanoparticles (GNP) effects on the Er+3 are verified from luminescence spectra and the corresponding levels lifetime. The localized surface plasmon resonance around 800 nm produced a maximum fluorescence enhancement for the band ranging from 800 to 840 nm, corresponding to the transitions H-4(11/2) -> aEuro parts per thousand I-4(13/2) (805 nm) and S-4(3/2) -> aEuro parts per thousand I-4(13/2) (840 nm), with annealing time till 7.5 h. The measured lifetime of the levels H-4(11/2) and S-4(3/2) confirmed the lifetime reduction due to the energy transfer from the GNP to Er+3, causing an enhanced photon emission rate in these levels.

Efficient plasmonic coupling between Er3+:(Ag/Au) in tellurite glasses

We report a systematic study of the localized surface plasmon resonance effects on the photoluminescence of Er3+-doped tellurite glasses containing Silver or Gold nanoparticles. The Silver and Gold nanoparticles are obtained by means of reduction of Ag ions (Ag+ -> Ag-0) or Au ions (Au3+ -> Au-0) during the melting process followed by the formation of nanoparticles by heat treatment of the glasses. Absorption and photoluminescence spectra reveal particular features of the interaction between the metallic nanoparticles and Er3+ ions. The photoluminescence enhancement observed is due to dipole coupling of Silver nanoparticles with the I-4(13/2) -> I-4(15/2) Er3+ transition and Gold nanoparticles with the H-2(11/2)-> I-4(13/2) (805 nm) and S-4(3/2) -> I-4(13/2) (840 nm) Er3+ transitions. Such process is achieved via an efficient coupling yielding an energy transfer from the nanoparticles to the Er3+ ions, which is confirmed from the theoretical spectra calculated through the decay rate. Crown Copyright (C) 2011 Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Cu nanoparticles enable plasmonic-improved silicon photovoltaic devices

This work examines the effect of copper nanoparticles (Cu NPs) on the photocurrent efficiency of silicon photovoltaic (Si PV) devices. An optimized synthesis of stable Cu NPs is reported together with a procedure for their immobilization on the Si PV surface. A comprehensive analysis of the photocurrent and power dependence of the Cu NPs surface coverage and size is presented. A decrease in photoconversion was observed for wavelengths shorter than similar to 500 nm, due to the Cu interband absorption. In the low surface coverage limit, where the level of aggregation was found to be low, the surface plasmon resonance absorption dominates leading to a modest effect on the photocurrent response. As the number of aggregates increased with the surface coverage, the photocurrent efficiency also increased, and a maximum enhancement power conversion of 16% was found for a 54 +/- 6 NPs per mu m(2) PV cell. This enhancement was attributed to SPR light scattering and trapping into the Si PV device. Higher surface coverage yielded numerous aggregates which acted as a bulk coating and caused a decrease in both photocurrent and power measurements.

Focusing surface plasmons on Er3+ ions through gold planar plasmonic lenses

Gold plasmonic lenses consisting of a planar concentric rings-groove with different periods were milled with a focused gallium ion beam on a gold thin film deposited onto an Er3+-doped tellurite glass. The plasmonic lenses were vertically illuminated with an argon ion laser highly focused by means of a 50x objective lens. The focusing mechanism of the plasmonic lenses is explained using a coherent interference model of surface plasmon-polariton (SPP) generation on the circular grating due to the incident field. As a result, phase modulation can be accomplished by the groove gap, similar to a nanoslit array with different widths. This focusing allows a high confinement of SPPs that can excite the Er3+ ions of the glass. The Er3+ luminescence spectra were measured in the far-field (500-750 nm wavelength range), where we could verify the excitation yield via the plasmonic lens on the Er3+ ions. We analyze the influence of the geometrical parameters on the luminescence spectra. The variation of these parameters results in considerable changes of the luminescence spectra.

Plasmonic nanorods and nanoparticle-assemblies

Die vorliegenden Dissertation beschäftigt sich mit plasmonischen Nanopartikeln, deren Wechselwirkung mit Licht in einer Plasmonenschwingung resultiert. Suspensionen dieser Partikel zeigen kräftige Farben, da sich die Resonanzfrequenz der Plasmonenschwingung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrum befindet. Durch die Veränderung interner (Material, Größe, Form) oder externer Parameter (Brechungsindex der Umgebung, Abstand zu anderen plasmonischen Partikeln) lässt sich die Farbe der Partikel verändern, eine Verschiebung der Resonanzfrequenz kann beobachtet werden. Ihre Sensitivität gegenüber äußeren Bedingungen ist der Grund, weshalb plasmonische Nanopartikel als Sensoren eingesetzt werden können. Wichtig ist hierbei nicht nur, dass die Partikel eine hohe Sensitivität zeigen, sondern auch die Möglichkeit, reproduzierbar Partikel zu synthetisieren, die experimentellen Anforderungen entsprechen. In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von reinen Gold- und mit Silber beschichteten Goldnanostäbchen untersucht. Des Weiteren werden plasmonische Nanopartikel als Orientierungs-, Brechungsindex- und Abstandssensoren verwendet. Die Synthese von Goldnanostäbchen erfolgt auf nasschemischen Weg, ihr anisotropes Wachstum aus isotropen Keimen wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. In diesem Zusammenhang wurde ein Wachstumsmodell entwickelt, das neben dem Vorhandensein eines Stabilisators auch die Rolle von Bromid- und Silberionen herausstellt, die durch selektive Adsorption das Wachstum bestimmter Kristallflächen inhibieren. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Potentialdifferenz zwischen Reduktions- und Oxidationsmittel klein sein muss, um ein langsames selektives Wachstum zu gewährleisten. rnDurch das Aufwachsen einer dünnen Silberschicht auf Goldnanostäbchen verbessert sich deren Qualität im Bezug auf die heterogene Linienbreite. Der “Plasmonic Focusing Effect”, die Änderung der Steigung des linearen Zusammenhangs von Plasmonenresonanz und Aspektverhältnis, konnte theoretisch berechnet und experimentell verifiziert werden. Durch die Aufnahme zeitaufgelöster Spektren und die Untersuchung des Verlaufs der Reaktion wurden sowohl Reaktionsordnung, als auch Aktivierungsenergie ermittelt. Das so gefundene kinetische Model erlaubt zudem die Vorhersage des Reaktionsprodukts zu verschiedenen Zeiten. rnEinzelne Goldnanostäbchen wurden in einer Gelmatrix bei verschiedenen Temperaturen untersucht, die Aufnahme der zeitlichen Variation der polarisationsabhängigen Streuintensität konnte genutzt werden, um den Kollaps des Gels zu charakterisieren. Neben der Verwendung einzelner plasmonischer Nanopartikel wurden auch Dimere, bestehend aus zwei Goldnanokugeln, untersucht. Nach der Kalibrierung der Resonanzfrequenz gegenüber des Abstandes der beiden Partikel durch externe Methoden (Lichtstreuung, Cryo- Elektronenmikroskopie) wurde der so gefundene exponentielle Zusammenhang verwendet, um sowohl den Brechungsindex der Umgebung, als auch den Abstand der beiden Goldnanokugeln zu bestimmen. Des Weiteren wurden Goldnanopartikeldimere benutzt, um ein als Linker verwendetes thermoresponsives Elastin-Polymer bei verschiedenen Temperaturen zu charakterisieren. Neben Aggregaten aus zwei Goldnanokugeln wurden auch so genannte “core-satellite” Strukturen synthetisiert, die um einen großen Goldnanopartikelkern viele kleine Goldnanopartikel tragen. Diese Partikel haben eine theoretisch vorhergesagte höhere Sensitivität gegenüber Brechungsindexänderungen, was in ersten Experimenten gezeigt werden konnte.

Near-field mediated enhancement effects on plasmonic nanostructures

In dieser Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung und Charakterisierung der Zwei-Photonen-induzierten Fluoreszenzverstärkung von organischen Farbstoffen auf plasmonischen Nanostrukturen vorgestellt. Diese Fluoreszenzverstärkung ist insbesondere für hochaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie und Einzelmolekülspektroskopie von großer Bedeutung. Durch die Zwei-Photonen-Anregung resultiert eine Begrenzung des Absorptionsprozesses auf das fokale Volumen. In Kombination mit dem elektrischen Nahfeld der Nanostrukturen als Anregungsquelle entsteht eine noch stärkere Verringerung des Anregungsvolumens auf eine Größe unterhalb der Beugungsgrenze. Dies erlaubt die selektive Messung ausgewählter Farbstoffe. Durch die Herstellung der Nanopartikel mittels Kolloidlithografie wird eine definierte, reproduzierbare Geometrie erhalten. Polymermultischichten dienen als Abstandshalter, um die Farbstoffe an einer exakten Distanz zum Metall zu positionieren. Durch die kovalente Anbindung des Farbstoffs an die oberste Schicht wird eine gleichmäßige Verteilung des Farbstoffs in geringer Konzentration erhalten. rnEs wird eine Verstärkung der Fluoreszenz um den Faktor 30 für Farbstoffe auf Goldellipsen detektiert, verglichen mit Farbstoffen außerhalb des Nahfelds. Sichelförmige Nanostrukturen erzeugen eine Verstärkung von 120. Dies belegt, dass das Ausmaß der Fluoreszenzverstärkung entscheidend von der Stärke des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur abhängt. Auch das Material der Nanostruktur ist hierbei von Bedeutung. So erzeugen Silberellipsen eine 1,5-fach höhere Fluoreszenzverstärkung als identische Goldellipsen. Distanzabhängige Fluoreszenzmessungen zeigen, dass die Zwei-Photonen-angeregte Fluoreszenzverstärkung an strukturspezifischen Abständen zum Metall maximiert wird. Elliptische Strukturen zeigen ein Maximum bei einem Abstand von 8 nm zum Metall, wohingegen bei sichelförmigen Nanostrukturen die höchste Fluoreszenzintensität bei 12 nm gemessen wird. Bei kleineren Abständen unterliegt der Farbstoff einem starken Löschprozess, sogenanntes Quenching. Dieses konkurriert mit dem Verstärkungsprozess, wodurch es zu einer geringen Nettoverstärkung kommt. Hat die untersuchte Struktur Dimensionen größer als das Auflösungsvermögen des Mikroskops, ist eine direkte Visualisierung des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur möglich. rnrnEin weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der Herstellung neuartiger Nanostrukturen durch kolloidlithografische Methoden. Gestapelte Dimere sichelförmiger Nanostrukturen mit exakter vertikaler Ausrichtung und einem Separationsabstand von etwa 10 nm wurden hergestellt. Die räumliche Nähe der beiden Strukturen führt zu einem Kopplungsprozess, der neue optische Resonanzen hervorruft. Diese können als Superpositionen der Plasmonenmoden der einzelnen Sicheln beschrieben werden. Ein Hybridisierungsmodell wird angewandt, um die spektralen Unterschiede zu erklären. Computersimulationen belegen die zugrunde liegende Theorie und erweitern das Modell um experimentell nicht aufgelöste Resonanzen. rnWeiterhin wird ein neuer Herstellungsprozess für sichelförmige Nanostrukturen vorgestellt, der eine präzise Formanpassung ermöglicht. Hierdurch kann die Lage der Plasmonenresonanz exakt justiert werden. Korrelationen der geometrischen Daten mit den Resonanzwellenlängen tragen zum grundlegenden Verständnis der Plasmonenresonanzen bei. Die vorgestellten Resultate wurden mittels Computersimulationen verifiziert. Der Fabrikationsprozess erlaubt die Herstellung von Dimeren sichelförmiger Nanostrukturen in einer Ebene. Durch die räumliche Nähe überlappen die elektrischen Nahfelder, wodurch es zu kopplungs-induzierten Shifts der Plasmonenresonanzen kommt. Der Unterschied zu theoretisch berechneten ungekoppelten Nanosicheln kann auch bei den gegenüberliegenden sichelförmigen Nanostrukturen mit Hilfe des Plasmonenhybridisierungsmodells erklärt werden.

Fluctuation spectroscopy of single plasmonic nanostructures

Plasmonic nanoparticles are great candidates for sensing applications with optical read-out. Plasmon sensing is based on the interaction of the nanoparticle with electromagnetic waves where the particle scatters light at its resonance wavelength. This wavelength depends on several intrinsic factors like material, shape and size of the nanoparticle as well as extrinsic factors like the refractive index of the surrounding medium. The latter allows the nanoparticle to be used as a sensor; changes in the proximate environment can be directly monitored by the wavelength of the emitted light. Due to their minuscule size and high sensitivity this allows individual nanoparticles to report on changes in particle coverage.rnrnTo use this single particle plasmon sensor for future sensing applications it has to meet the demand for detection of incidents on the single molecule level, such as single molecule sensing or even the detection of conformational changes of a single molecule. Therefore, time resolution and sensitivity have to be enhanced as today’s measurement methods for signal read-out are too slow and not sensitive enough to resolve these processes. This thesis presents a new experimental setup, the 'Plasmon Fluctuation Setup', that leads to tremendous improvements in time resolution and sensitivity. This is achieved by implementation of a stronger light source and a more sensitive detector. The new setup has a time resolution in the microsecond regime, an advancement of 4-6 orders of magnitude to previous setups. Its resonance wavelength stability of 0.03 nm, measured with an exposure time of 10 ms, is an improvement of a factor of 20 even though the exposure time is 3000 times shorter than in previous reports. Thus, previously unresolvable wavelength changes of the plasmon sensor induced by minor local environmental alteration can be monitored with extremely high temporal resolution.rnrnUsing the 'Plasmon Fluctuation Setup', I can resolve adsorption events of single unlabeled proteins on an individual nanorod. Additionally, I monitored the dynamic evolution of a single protein binding event on a millisecond time scale. This feasibility is of high interest as the role of certain domains in the protein can be probed by a study of modified analytes without the need for labels possibly introducing conformational or characteristic changes to the target. The technique also resolves equilibrium fluctuations in the coverage, opening a window into observing Brownian dynamics of unlabeled macromolecules. rnrnA further topic addressed in this thesis is the usability of the nanoruler, two nanospheres connected with a spacer molecule, as a stiffness sensor for the interparticle linker under strong illumination. Here, I discover a light induced collapse of the nanoruler. Furthermore, I exploit the sensing volume of a fixed nanorod to study unlabeled analytes diffusing around the nanorod at concentrations that are too high for fluorescence correlation spectroscopy but realistic for biological systems. Additionally, local pH sensing with nanoparticles is achieved.