ESPECTROSCOPIA DE RESSONÂNCIA DE PLASMON DE SUPERFÍCIE PARA A CARACTERIZAÇÃO DE NANOPARTÍCULAS, FILMES FINOS ORGÂNICOS E MATERIAIS 2-D

• Autor(a) principal: QUAID ZAMAN
• Data de Publicação: 2019
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: eng
• Título da fonte: Repositório Institucional da PUC-RIO (Projeto Maxwell)
• Texto Completo: https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=46145@1; https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=46145@2

Sensores baseados na espectroscopia de ressonância de plásmons de superfície (SPR) são dispositivos fotônicos amplamente usados para a detecção ultra sensível de gases e analitos (bio) químicos sem marcadores. O mecanismo de sensoriamento baseia-se na sensitividade do campo eletromagnético evanescente associado aos Polaritons de Plásmon de Superfície (SPP) propagando-se na interface metal-dielétrica, o qual age como uma eficiente nanosonda no meio exterior. Mesmo com resultados excelentes em aplicações de sensoriamento em tempo real, a espectroscopia SPR encontra severas limitações nas caracterizações elipsométricas de filmes finos com espessuras maiores que alguns nm. As limitações são principalmente associadas a instabilidade no longo prazo das propriedades físico-químicas das interfaces metal-dielétricas dos dispositivos SPR, a qual prejudica a acurácia na determinação simultânea da espessura e do índice de refração dos filmes finos que estão sendo investigados. Por estas razões, a primeira parte da tese é dedicada ao estudo da degradação e do processo de estabilização das interfaces metal-dielétricas de diferentes plataformas de sensoriamento SPR, tanto no ar como em ambiente aquoso. As plataformas de sensoriamento foram monitoradas por espectroscopia SPR e microscopia de força atômica (AFM). Diferentes configurações de interfaces metal-dielétricas foram analisadas, tanto em termos de camadas de adesão, tipo de metal que suporta a onda de plasma, e supercamadas, com o objetivo de otimizar a estabilidade e a sensitividade de plataformas SPR monomodais e multimodais. As melhores performances foram obtidas quando uma interface metal-dielétrica com baixo amortecimento eletromagnético é criada através da deposição de uma monocamada adesiva de (3-Mercaptopropyl) trimethoxysilane (MPTS), e quando uma monocamada de grafeno (SLG) é transferida como supercamada na cima de um filme fino metálico de ouro. O estudo do processo de estabilização das plataformas SPR foi a base para o desenvolvimento da segunda parte da tese, onde nós mostramos as potencialidades da espectroscopia SPR na configuração Kretschmann para a acurada caracterização elipsométrica de três classes de materiais deferentes: nanopartículas de ouro (AuNPs), filmes finos de materiais orgânicos luminescentes, e grafeno. Para determinar simultaneamente a espessura e o índice de refração dos filmes finos, foram adoptados os métodos das duas cores e/ou dois modos, esse último realizado através do uso de guias de onda carregadas por dielétricos (DLWGs) com interfaces simétricas do tipo Au/MPTS/SiO2. Por fim, estas três classes de materiais foram usadas no desenvolvimento de novos sensores ópticos SPR de interesse biológico e ambiental. A prova de conceito de um dosímetro de raios UVA baseado em espectroscopia SPR é demonstrado através do monitoramento das modificações da espessura e índice de refração induzidas pela radiação em filmes finos de tris (8-hydroxyquinoline) (Alq3) e tris (dibenzoylmethane) mono (1,10-phenanthroline) europium (III) (Eu (dbm)3Phen). AuNPs com um diâmetro nominal de 15nm estabilizadas por citrato de sódio, foram usadas para demonstrar o princípio de funcionamento de medidores de tamanho de partículas e contadores superficiais de AuNPs baseados na espectroscopia SPR de duas cores. Neste último caso, nós mostramos experimentalmente que as DLWG podem ser usadas como acurados nanocontadores para densidades superficiais entre 20 e 200 NP/um2, com importantes resultados para a metrologia óptica e a emergente espectroscopia SPR amplificada por nanopartículas (PA-SPR). Por último, mostramos o utilizo da interface Au/SLG para a detecção ultra-sensível de íons de metais pesados de interesse ambiental, com um limite de detecção (LoD) sem precedentes da ordem de uma parte por bilhão (ppb). Os resultados experimentais suportam as previsões teóricas sobre a afinidade de sítios particulares do grafeno infinito para íons de metais pesados, e a possibilidade de aumentar a sensibilidade dos dispositivos SPR através da transferência de elétrons assistida por plásmons entre o filme de metal e o SLG.