Numerical simulation of plasmonic effects in amorphous silicon induced by embedded aluminium nanoparticles

This work reports a theoretical study aimed to identify the plasmonic resonance condition for a system formed by metallic nanoparticles embedded in an a-Si: H matrix. The study is based on a Tauc-Lorentz model for the electrical permittivity of a-Si: H and a Drude model for the metallic nanoparticles. It is calculated the The polarizability of an sphere and ellipsoidal shaped metal nanoparticles with radius of 20 nm. We also performed FDTD simulations of light propagation inside this structure reporting a comparison among the effects caused by a single nanoparticles of Aluminium, Silver and, as a comparison, an ideally perfectly conductor. The simulation results shows that is possible to obtain a plasmonic resonance in the red part of the spectrum (600-700 nm) when 20-30 nm radius Aluminium ellipsoids are embedded into a-Si: H.

Visible range plasmonic effect produced by aluminium nanoparticles embedded in amorphous silicon

We present results, obtained by means of an analytic study and a numerical simulation, about the resonant condition necessary to produce a Localized Surface Plasmonic Resonance (LSPR) effect at the surface of metal nanospheres embedded in an amorphous silicon matrix. The study is based on a Lorentz dispersive model for a-Si:H permittivity and a Drude model for the metals. Considering the absorption spectra of a-Si:H, the best choice for the metal nanoparticles appears to be aluminium, indium or magnesium. No difference has been observed when considering a-SiC:H. Finite-difference time-domain (FDTD) simulation of an Al nanosphere embedded into an amorphous silicon matrix shows an increased scattering radius and the presence of LSPR induced by the metal/semiconductor interaction under green light (560 nm) illumination. Further results include the effect of the nanoparticles shape (nano-ellipsoids) in controlling the wavelength suitable to produce LSPR. It has been shown that is possible to produce LSPR in the red part of the visible spectrum (the most critical for a-Si:H solar cells applications in terms of light absorption enhancement) with aluminium nano-ellipsoids. As an additional results we may conclude that the double Lorentz-Lorenz model for the optical functions of a-Si:H is numerically stable in 3D simulations and can be used safely in the FDTD algorithm. A further simulation study is directed to determine an optimal spatial distribution of Al nanoparticles, with variable shapes, capable to enhance light absorption in the red part of the visible spectrum, exploiting light trapping and plasmonic effects. © 2015 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

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.