Manufacturing and characterization of metal nanostructures for plasmonics devices applications

O interesse por aplicações que utilizam efeitos de plásmons poláritons de superfície (SPP) vem crescendo, pois as ondas SPPs apresentam enorme potencial no desenvolvimento de filtros e biossensores ópticos. A sensibilidade da ressonância de plásmons em nanoestruturas permite o estudo em tempo real de variações mínimas em índice de refração, solutos e antígenos. Neste trabalho foram aplicadas técnicas de nanofabricação (litografia por feixe de elétrons e íons) para o desenvolvimento de estruturas plasmônicas e sua posterior caracterização. As estruturas foram utilizadas para verificar propriedades de absorção e fluorescência em moléculas opticamente ativas - Porfirina e Rodamina 6G. As estruturas - conjuntos de fendas e matrizes de buracos circulares com diversos períodos - foram fabricadas em um filme fino de ouro (Au) sobre substrato de vidro (Borofloat 33 - Schott), usando um feixe de íons de Gálio (FEI Quanta Quanta 3D 200i). A transmissão óptica foi estudada na região de 400nm a 900nm (VIS-NIR). Os resultados experimentais foram comparados com simulações computacionais. O estudo da absorção molecular da porfirina foi conduzido observando-se a variação na intensidade da transmissão. Ao alterar a concentração da porfirina sobre as estruturas, foi possível caracterizar a curva de absortividade ε(λ) da porfirina para concentrações entre 100 μg/ml e 500 μg/ml em quantidades mínimas de analito (20 μl). A técnica de microscopia confocal foi empregada no estudo da fluorescência da Rodamina 6G diluída num filme fino de PMMA sobre as estruturas. Ao avaliar a fluorescência da Rodamina 6G na reflexão das estruturas, observou-se o efeito de quenching devido a emissão de plásmons. Os resultados obtidos poderão ser utilizados de apoio a trabalhos futuros, desenvolvidos em plasmônica aplicada a biossensores.The interest in applications that use the effects of surface plasmon polaritons (SPP) has been increasing. SPPs waves have an enormous potential for the construction of optical filters and biosensors. The sensitivity of plasmon resonance in nano-structures allows studying in real-time minimal variations in the refractive index, solutes and antigens. In this work, we have studied nanofabrication techniques (electron and ion beam lithography) and the characterization of plasmonic structures. Plasmonic effects were used as biosensors of absorption and fluorescence in optically active molecules - Porphyrin and Rhodamine 6G. The structures - sets of slits and arrays of circular holes with different periods - were manufactured in gold (Au) thin film on a glass substrate (Borofloat 33 - Schott) using a galium ion beam equipment (FIB FEI Quanta Quanta 3D 200i). Optical transmission was studied in the region of 400 nm to 900 nm (VIS-NIR). The characterization of structures was realized used the Ocean Optics USB-2000 spectrometer. The experimental results were compared to computer simulations. The study of molecular absorption of porphyrin was conducted by observing the variation in intensity of transmission. By changing the porphyrin concentration in the structures, it was possible to characterize the porphyrin absorptivity curve ε(λ) in concentrations between 100 μg/ml and 500 μg/ml in minimum amounts of analyte (20 μl). Confocal microscopy was used to study the fluorescence of Rhodamine 6G on plasmonic structures. The plasmon quenching effect was observed in the evaluation of the fluorescence of Rhodamine 6G in the reflection of the structures. The results will support future works linking plasmonics and biosensors