Propagation of Dyakonon Wave-Packets at the Boundary of Metallodielectric Lattices

We rigorously analyze the propagation of localized surface waves that takes place at the boundary between a semi-infinite layered metal-dielectric (MD) nanostructure cut normally to the layers and a isotropic medium. It is demonstrated that Dyakonov-like surface waves (also coined dyakonons) with hybrid polarization may propagate in a wide angular range. As a consequence, dyakonon-based wave-packets (DWPs) may feature sub-wavelength beamwidths. Due to the hyperbolic-dispersion regime in plasmonic crystals, supported DWPs are still in the canalization regime. The apparent quadratic beam spreading, however, is driven by dissipation effects in metal.

Ultrathin high-index metasurfaces for shaping focused beams

The volume size of a converging wave, which plays a relevant role in image resolution, is governed by the wavelength of the radiation and the numerical aperture (NA) of the wavefront. We designed an ultrathin (λ/8 width) curved metasurface that is able to transform a focused field into a high-NA optical architecture, thus boosting the transverse and (mainly) on-axis resolution. The elements of the metasurface are metal-insulator subwavelength gratings exhibiting extreme anisotropy with ultrahigh index of refraction for TM polarization. Our results can be applied to nanolithography and optical microscopy.

Reduced graphene oxide and Ag wrapped TiO2 photocatalyst for enhanced visible light photocatalysis

A well-organised reduced graphene oxide (RGO) and silver (Ag) wrapped TiO2 nano-hybrid was successfully achieved through a facile and easy route. The inherent characteristics of the synthesized RGO-Ag/TiO2 were revealed through crystalline phase, morphology, chemical composition, Raman scattering, UV-visible absorption, and photoluminescence analyses. The adopted synthesis route significantly controlled the uniform formation of silver nanoparticles and contributed for the absorption of light in the visible spectrum through localized surface plasmon resonance effects. The wrapped RGO nanosheets triggered the electron mobility and promoted visible light shift towards red spectrum. The accomplishment of synergised effect of RGO and Ag well degraded Bisphenol A under visible light irradiation with a removal efficiency of 61.9%.

Single-Polarization Double Refraction in Plasmonic Crystals: Considerations on Energy Flow

We examined the optical properties of nanolayered metal-dielectric lattices. At subwavelength regimes, the periodic array of metallic nanofilms demonstrates nonlocality-induced double refraction, conventional positive and as well as negative. In particular, we report on energy-flow considerations concerning both refractive behaviors concurrently. Numerical simulations provide transmittance of individual beams in Ag-TiO2 metamaterials under different configurations. In regimes of the effective-medium theory predicting elliptic dispersion, negative refraction may be stronger than the expected positive refraction.

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.

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.

Coupling light into graphene plasmons with the help of surface acoustic waves

We propose a scheme for coupling laser light into graphene plasmons with the help of electrically generated surface acoustic waves. The surface acoustic wave forms a diffraction grating which allows us to excite the long lived phononlike branch of the hybridized graphene plasmon-phonon dispersion with infrared laser light. Our approach avoids patterning the graphene sheet, does not rely on complicated optical near-field techniques, and allows us to electrically switch the coupling between far-field radiation and propagating graphene plasmons.

Numerical and experimental investigation of wedge tip radius effect on wedge plasmons

We report numerical analysis and experimental observation of strongly localized plasmons guided by triangular metal wedges and pay special attention to the effect of smooth (nonzero radius) tips. Dispersion, dissipation, and field structure of such wedge plasmons are analyzed using the compact two-dimensional finite-difference time-domain algorithm. Experimental observation is conducted by the end-fire excitation and near-field scanning optical microscope detection of the predicted plasmons on 40°silver nanowedges with the wedge tip radii of 20, 85, and 125 nm that were fabricated by the focused-ion beam method. The effect of smoothing wedge tips is shown to be similar to that of increasing wedge angle. Increasing wedge angle or wedge tip radius results in increasing propagation distance at the same time as decreasing field localization (decreasing wave number). Quantitative differences between the theoretical and experimental propagation distances are suggested to be due to a contribution of scattered bulk and surface waves near the excitation region as well as the addition of losses due to surface roughness. The theoretical and measured propagation distances are several plasmon wavelengths and are useful for a range of nano-optical applications

Bistable regime of surface magnetoplasma waves excitation at a semiconductor-metal interface

The theoretical analysis of the bistability associated with the excitation of surface magnetoplasma waves (SWs) propagating across an external magnetic field at the semiconductor-metal interface by the attenuated total reflection (ATR) method is presented. The Kretschmann-Raether configuration of the ATR method is considered, i.e. a plane electromagnetic wave is incident onto a metal surface through a coupling prism. The third-order nonlinearity of the semiconductor medium is considered in the general form using the formalism of the third-order nonlinear susceptibilities and of the perturbation theory. The examples of the nonlinear mechanisms which influence the SW propagation are given. The analytical and numerical analyses show that the realization of bistable regimes of the SW excitation is possible. The SW amplitude values providing bistability in the structure are evaluated and are reasonably low to provide the experimental observation.

Surface oxidation of cadmium, indium, tin and antimony by photoelectron and Auger spectroscopy

Surface oxidation of Cd, In, Sn and Sb has been investigated by employing valence bands, metal 4d levels and plasmon bands in X-ray photoelectron spectra. O(KLL), metal M4N45N45, and plasmon transitions in electron-induced Auger spectra as well as Auger transitions due to the metal (metal oxide) and plasmons in X-ray-induced Auger spectra. The surface oxides are In2O4, CdO and a mixture of SnO and SnO2 in the case of In. Cd and Sn respectively. The facility of surface oxidation is found to vary as In>Cd>Sn>Sb. Inter-atomic Auger transitions involving oxygen valence bands have been identified on oxidized surfaces of Cd and In.

Acoustic plasmons in extrinsic free-standing graphene

An acoustic plasmon is predicted to occur, in addition to the conventional two-dimensional (2D) plasmon, as the collective motion of a system of two types of electronic carriers coexisting in the same 2D band of extrinsic (doped or gated) graphene. The origin of this novel mode stems from the anisotropy present in the graphene band structure near the Dirac points K and K'. This anisotropy allows for the coexistence of carriers moving with two distinct Fermi velocities along the Gamma K and Gamma K' directions, which leads to two modes of collective oscillation: one mode in which the two types of carriers oscillate in phase with one another (this is the conventional 2D graphene plasmon, which at long wavelengths (q -> 0) has the same dispersion, q(1/2), as the conventional 2D plasmon of a 2D free electron gas), and the other mode found here corresponds to a low-frequency acoustic oscillation (whose energy exhibits at long-wavelengths a linear dependence on the 2D wavenumber q) in which the two types of carriers oscillate out of phase. This prediction represents a realization of acoustic

Flat Surface Plasmon Polariton Bands in Bragg Grating Waveguide for Slow Light

The formations of the surface plasmonpolariton (SPP) bands in metal/air/metal (MAM) sub-wavelength plasmonic grating waveguide (PGW) are proposed. The band gaps originating from the highly localized resonances inside the grooves can be simply estimated from the round trip phase condition. Due to the overlap of the localized SPPs between the neighboring grooves, a Bloch mode forms in the bandgap and can be engineered to build a very flat dispersion for slow light. A chirped PGW with groove depth varying is also demonstrated to trap light, which is validated by finite-difference time-domain (FDTD) simulations with both continuous and pulse excitations.

Dressing Plasmons in Particle-in-Cavity Architectures

Placing metallic nanoparticles inside cavities, rather than in dimers, greatly improves their plasmonic response. Such particle-in-cavity (PIC) hybrid architectures are shown to produce extremely strong field enhancement at the particle cavity junctions, arising from the cascaded focusing of large optical cross sections into small gaps. These simply constructed PIC structures produce the strongest field enhancement for coupled nanoparticles, up to 90% stronger than for a dimer. The coupling is found to follow a universal power law with particle surface separation, both for field enhancements and resonant wavelength shifts. Significantly enhanced Raman signals are experimentally observed for molecules adsorbed in such PIC structures, in quantitive agreement with theoretical calculations. PIC architectures may have important implications in many applications, such as reliable single molecule sensing and light harvesting in plasmonic photovoltaic devices.

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.