Nanosistemas plasmónicos para la generación y detección de ondas de hipersonido

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Las nanoantenas metálicas nos permiten, gracias a sus propiedades plasmónicas, acceder en forma eficiente a las escalas nanométricas y a fenómenos que ocurren en la escala sub-difracción. Cuando una nanoantena metálica es excitada ópticamente por un pulso ultrarrápido, una parte de la energía decae...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal:	Della Picca, Fabricio Leandro
Otros Autores:	Bragas, Andrea V.
Formato:	Tesis doctoral publishedVersion
Lenguaje:	Español
Publicado:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2018
Materias:	PUMP-PROBE NANOANTENAS PLASMONICAS NANORESONADORES HIPERSONIDO FONONES ONDAS MECANICAS SUPERFICIALES SAW NANOBARRAS NANODISCOS ONDAS DE RAYLEIGH PLASMONIC NANOANTENNA NANORESONATOR HIPERSOUND PHONONS SURFACE ACOUSTIC WAVES (SAW) NANOROD NANODISK RAYLEIGH WAVES
Acceso en línea:	https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6542_DellaPicca http://repositoriouba.sisbi.uba.ar/gsdl/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=aextesis&d=tesis_n6542_DellaPicca_oai
Aporte de:	Repositorio Digital de la Universidad de Buenos Aires (UBA) de Universidad de Buenos Aires

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description	Las nanoantenas metálicas nos permiten, gracias a sus propiedades plasmónicas, acceder en forma eficiente a las escalas nanométricas y a fenómenos que ocurren en la escala sub-difracción. Cuando una nanoantena metálica es excitada ópticamente por un pulso ultrarrápido, una parte de la energía decae rápidamente a la red atómica iniciando vibraciones mecánicas coherentes y localizadas. A su vez, las vibraciones mecánicas en una nanoantena pueden afectar sus propiedades plasmónicas y ser así detectadas ópticamente. Estas características convierten a las nanoantenas metálicas en nanoresonadores mecánicos en el rango de GHz a THz , con la propiedad de poder indagar la nanoescala utilizando ondas de hipersonido. En este trabajo estudiaremos diversos sistemas plasmónicos como generadores y detectores de hipersonido, mostraremos como cambian sus modos mecánicos en función de forma, tamaño y condiciones de contorno, cómo se comportan las ondas generadas en la nanoescala y cuáles son sus potenciales aplicaciones. La introducción al tema y motivaciones se discute en el Capítulo 1. Durante todo el trabajo de Tesis se utilizó la técnica pump-probe a uno y dos colores para medir sobre nanoantenas de oro fabricadas mediante litografía de electrones y mediante química húmeda. Las mediciones fueron siempre de partícula única, pudiendo así individualizar sus propiedades y evitando el ensanchamiento inhomogéneo. La descripción de los dispositivos, técnicas experimentales y diseños de los experimentos se discute en el Capítulo 2. En el capítulo 3 se presentan las mediciones de las oscilaciones mecánicas de nanocilindros fabricados químicamente y depositados sobre un sustrato de cuarzo, caracterizando sus frecuencias, así como los efectos provocados por irradiación con láser, que son básicamente el calentamiento de la nanoantena y el entorno y el reshaping por difusión atómica superficial. Además, se demuestra cómo el valor de la frecuencia de oscilación de los nanocilindros individuales es sensible a las propiedades mecánicas del entorno en el rango de GHz, que es un rango generalmente no alcanzado por los ensayos mecánicos estándar. Esta técnica abre un amplio rango de posibilidades para el estudio de las propiedades térmicas y mecánicas de polímeros en estas escalas espaciales y temporales. Buscando nuevas formas de sintonizar los modos mecánicos en nanoantenas, en el capítulo 4 se estudiaron nanobarras de oro sobre sustrato de cuarzo fabricadas por litografía de electrones, sobre las cuales se insertaron parches de sílice de forma localizada en tres configuraciones distintas. Se pudieron medir correctamente las tres configuraciones y compararlas con las nanobarras sin sílice, encontrando diferencias de frecuencia mecánica, amplitud de señal y decaimiento de las oscilaciones. Las frecuencias experimentales fueron comparadas con valores simulados con los cuales se observó excelente coincidencia. Las simulaciones fueron realizadas por colaboradores del Imperial College de Londres, mediante el método de elementos finitos (FEM) en el dominio de las frecuencias. Se encontró que los parches en los extremos de la nanobarra tienen bajo efecto en la frecuencia mecánica, pero disminuyen la amplitud de la señal y afectan la respuesta plasmónica. Si el parche se coloca en el centro de la nanobarra, la resonancia plasmónica no se ve afectada, pero la frecuencia mecánica aumenta y no disminuye su amplitud. Finalmente, si se cubre por completo la nanobarra con sílice obtenemos mayor aumento de la frecuencia mecánica que el caso anterior, pero también gran disminución de la señal medida, debido al corrimiento significativo de la respuesta plasmónica. En el capítulo 5 se diseñaron experimentos para comprender la interacción de los nanoresonadores litografiados con el sustrato donde están adheridos y estudiar la propagación del hipersonido en esos sustratos. Para llevar adelante estas mediciones se desarrolló una novedosa técnica de medición diferida que consistió en excitar una nanoantena de oro litografiada en un sustrato de cuarzo y detectar la onda de hipersonido generada y transmitida a través del sustrato con otra nanonatena ubicada a una distancia diez veces mayor que sus tamaños. Luego, utilizando diferentes distancias entre nanoantenas se logró medir la velocidad de propagación de estas ondas mecánicas, concluyendo que se trata de ondas mecánicas superficiales SAW (surface acoustic waves) del tipo Rayleigh. Esta es la primera vez que se demuestra el acoplamiento de SAWs con resonancias plasmónicas producidas en nanoantenas metálicas únicas. Las mediciones fueron realizadas para nueve combinaciones de distintos pares de nanoantenas conformados por nanobarras horizontales o verticales y nanodiscos, en las cuales se detectó señal, concluyendo que en los nueve casos hay acoplamiento a través del sustrato. Esta técnica tiene un gran potencial para poder estudiar cómo afecta el sustrato a los nanoresonadores y a cuáles de sus variables influye más. También abre la puerta a investigar diferentes métodos para direccionar las ondas superficiales SAW.
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En este trabajo estudiaremos diversos sistemas plasmónicos como generadores y detectores de hipersonido, mostraremos como cambian sus modos mecánicos en función de forma, tamaño y condiciones de contorno, cómo se comportan las ondas generadas en la nanoescala y cuáles son sus potenciales aplicaciones. La introducción al tema y motivaciones se discute en el Capítulo 1. Durante todo el trabajo de Tesis se utilizó la técnica pump-probe a uno y dos colores para medir sobre nanoantenas de oro fabricadas mediante litografía de electrones y mediante química húmeda. Las mediciones fueron siempre de partícula única, pudiendo así individualizar sus propiedades y evitando el ensanchamiento inhomogéneo. La descripción de los dispositivos, técnicas experimentales y diseños de los experimentos se discute en el Capítulo 2. En el capítulo 3 se presentan las mediciones de las oscilaciones mecánicas de nanocilindros fabricados químicamente y depositados sobre un sustrato de cuarzo, caracterizando sus frecuencias, así como los efectos provocados por irradiación con láser, que son básicamente el calentamiento de la nanoantena y el entorno y el reshaping por difusión atómica superficial. Además, se demuestra cómo el valor de la frecuencia de oscilación de los nanocilindros individuales es sensible a las propiedades mecánicas del entorno en el rango de GHz, que es un rango generalmente no alcanzado por los ensayos mecánicos estándar. Esta técnica abre un amplio rango de posibilidades para el estudio de las propiedades térmicas y mecánicas de polímeros en estas escalas espaciales y temporales. Buscando nuevas formas de sintonizar los modos mecánicos en nanoantenas, en el capítulo 4 se estudiaron nanobarras de oro sobre sustrato de cuarzo fabricadas por litografía de electrones, sobre las cuales se insertaron parches de sílice de forma localizada en tres configuraciones distintas. Se pudieron medir correctamente las tres configuraciones y compararlas con las nanobarras sin sílice, encontrando diferencias de frecuencia mecánica, amplitud de señal y decaimiento de las oscilaciones. Las frecuencias experimentales fueron comparadas con valores simulados con los cuales se observó excelente coincidencia. Las simulaciones fueron realizadas por colaboradores del Imperial College de Londres, mediante el método de elementos finitos (FEM) en el dominio de las frecuencias. Se encontró que los parches en los extremos de la nanobarra tienen bajo efecto en la frecuencia mecánica, pero disminuyen la amplitud de la señal y afectan la respuesta plasmónica. Si el parche se coloca en el centro de la nanobarra, la resonancia plasmónica no se ve afectada, pero la frecuencia mecánica aumenta y no disminuye su amplitud. Finalmente, si se cubre por completo la nanobarra con sílice obtenemos mayor aumento de la frecuencia mecánica que el caso anterior, pero también gran disminución de la señal medida, debido al corrimiento significativo de la respuesta plasmónica. En el capítulo 5 se diseñaron experimentos para comprender la interacción de los nanoresonadores litografiados con el sustrato donde están adheridos y estudiar la propagación del hipersonido en esos sustratos. Para llevar adelante estas mediciones se desarrolló una novedosa técnica de medición diferida que consistió en excitar una nanoantena de oro litografiada en un sustrato de cuarzo y detectar la onda de hipersonido generada y transmitida a través del sustrato con otra nanonatena ubicada a una distancia diez veces mayor que sus tamaños. Luego, utilizando diferentes distancias entre nanoantenas se logró medir la velocidad de propagación de estas ondas mecánicas, concluyendo que se trata de ondas mecánicas superficiales SAW (surface acoustic waves) del tipo Rayleigh. Esta es la primera vez que se demuestra el acoplamiento de SAWs con resonancias plasmónicas producidas en nanoantenas metálicas únicas. Las mediciones fueron realizadas para nueve combinaciones de distintos pares de nanoantenas conformados por nanobarras horizontales o verticales y nanodiscos, en las cuales se detectó señal, concluyendo que en los nueve casos hay acoplamiento a través del sustrato. Esta técnica tiene un gran potencial para poder estudiar cómo afecta el sustrato a los nanoresonadores y a cuáles de sus variables influye más. También abre la puerta a investigar diferentes métodos para direccionar las ondas superficiales SAW. The metallic nanoantennas allow us, thanks to their plasmonic properties, access efficiently at nanometer scales and phenomena occurring in the sub-diffraction scale. When a metallic nanoantenna is excited optically by an ultrafast pulse, a part of the energy quickly decays to the atomic lattice initiating coherent and localized mechanical vibrations. In turn, the mechanical vibrations in a nanoantenna can affect their plasmonic properties and thus be optically detected. These characteristics convert the metallic nanoantennas into mechanical nanoresonators in the range of GHz to THz, with the property of being able to investigate the nanoscale using hypersound waves. In this work we will study different plasmonic systems as hypersound generators and detectors, we will show how they change their mechanical modes depending on shape, size and boundary conditions, how the waves generated at the nanoscale behave and what their potential applications are. The introduction to the topic and motivations are discussed in Chapter 1. Through all this thesis work, the one and two color pump probe technique was used to measure gold nanoantenas fabricated by e-beam lithography and wet chemistry. The measurements were always single particle, thus being able to individualize their properties and avoiding inhomogeneous broadening. The description of the devices, experimental techniques and designs of the experiments is discussed in Chapter 2. Chapter 3 presents the measurements of the mechanical oscillations of chemically fabricated nanorod and deposited on a quartz substrate, characterizing their frequencies, as well as the effects caused by laser irradiation, which are basically the heating of the nanoantenna and the environment and reshaping by superficial atomic diffusion. In addition, it is demonstrated how the value of the oscillation frequency of the individual nanorod is sensitive to the mechanical properties of the environment in the GHz range, which is a range generally not reached by the standard mechanical tests. This technique opens a wide range of possibilities for the study of the thermal and mechanical properties of polymers in these spatial and temporal scales. Looking for new ways of tuning the mechanical modes in nanoantennas, in chapter 4, gold nanorods on quartz substrate fabricated by e-beam lithography were studied, on which silica patches were inserted in three localized configurations. The three configurations could be correctly measured and compared with the nanorod without silica, finding differences in mechanical frequency, signal amplitude and oscillation decay. The experimental frequencies were compared with simulated values with which excellent agreement was observed. The simulations were carried out by collaborators of the Imperial College of London, using the finite element method (FEM) in the frequency domain. It was found that the patches at the ends of the nanorod have a low effect on the mechanical frequency, but they decrease the amplitude of the signal and affect the plasmonic response. If the patch is placed in the center of the nanorod, the plasmonic resonance is not affected, but the mechanical frequency increases and its amplitude does not decrease. Finally, if the nanorod is completely covered with silica, we obtain a greater increase in the mechanical frequency than the previous case, a large decrease in the measured signal and a significant shift in the plasmonic response. In Chapter 5, experiments were designed to understand the interaction of the e-beam lithography nanoresonators with the substrate where they are attached and to study the propagation of the hypersound in those substrates. To carry out these measurements, a new dalayed measurement technique was developed, which consisted in exciting a e-beam lithography gold nanoantenna on a quartz substrate and detecting the hypersound wave generated and transmitted through the substrate with another nanoantenna located at a distance ten times greater than its sizes. Then, using different distances between nanoantennas, it was possible to measure the propagation speed of these mechanical waves, concluding that they are surface acoustic waves (SAW) of the Rayleigh type. This is the first time that the coupling of SAWs with plasmonic resonances produced in unique metal nanoantennas has been demonstrated. The measurements were made for nine combinations of different pairs of nanoantennas formed by horizontal or vertical nanorods and nanodiscs, in which a signal was detected, concluding that in the nine cases there is coupling through the substrate. This technique has a great potential to be able to study how the substrate affects the nanoresonators and which of its variables influences the most. It also opens the door to investigate different methods to produce directionals SAWs. Fil: Della Picca, Fabricio Leandro. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. application/pdf https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6542_DellaPicca spa Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar PUMP-PROBE NANOANTENAS PLASMONICAS NANORESONADORES HIPERSONIDO FONONES ONDAS MECANICAS SUPERFICIALES SAW NANOBARRAS NANODISCOS ONDAS DE RAYLEIGH PUMP-PROBE PLASMONIC NANOANTENNA NANORESONATOR HIPERSOUND PHONONS SURFACE ACOUSTIC WAVES (SAW) NANOROD NANODISK RAYLEIGH WAVES Nanosistemas plasmónicos para la generación y detección de ondas de hipersonido Plasmonic nanosystems for the generation and detection of hypersound waves info:eu-repo/semantics/doctoralThesis info:ar-repo/semantics/tesis doctoral info:eu-repo/semantics/publishedVersion http://repositoriouba.sisbi.uba.ar/gsdl/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=aextesis&d=tesis_n6542_DellaPicca_oai

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