Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/40115
Type: Tese
Title: Espectroscopia ultra-rápida e estudos de dinâmica eletrônica em nano-estruturas plasmônicas
Authors: Mychel Gonçalves Silva
First Advisor: Ana Maria de Paula
First Referee: Ariete Righi
Second Referee: Franklin Massami Matinaga
Third Referee: Acácio Aparecido de Castro Andrade
metadata.dc.contributor.referee4: Edílson Lucena Falcão Filho
Abstract: O estudo das dinâmicas de elétrons e plasmons excitados em nanomateriais apresentam bas- tante desafios experimentais devido aos tempos muito curtos (femtossegundos) envolvidos nos estágios iniciais da relaxação de energia. Nas últimas décadas os estudos destes processos em vários tipos de materiais estão sendo revisitados devido ao grande avanço no desenvolvimento de lasers de pulsos ultra-curtos e detetores sensíveis que permitem acesso a esses estágios iniciais de relaxação de energia. Nessa tese apresento resultados obtidos em nanopartículas metálicas: nanobastões de ouro, e arranjos de nanocristais de ouro em matriz orgânica, que permitiram estudos da dinâmica de elétrons fotoexcitados desde o início do processo de excitação até a ter- malização completa com a rede cristalina. Os elétrons de superfície em nanopartículas metálicas podem ser excitados de forma coerente por um campo elétrico externo, gerando oscilações co- letivas ou Plasmons de Superfície Localizados (LSP da sigla em inglês). A excitação dos LSP modificam as propriedades óticas do material como, por exemplo, a absorção e a emissão ótica que podem ser controladas ajustando o formato, tamanho e tipo de material da nanopartícula ou o ambiente que estão imersas. Os processos físicos envolvidos tanto na absorção quanto na emissão tem sido intensamente estudados desde a década de 70, e ainda tem-se várias per- guntas em aberto, devido a riqueza de fenômenos possíveis nessas nanopartículas. Além disto, a possibilidade de modificação das propriedades óticas tornam as nanopartículas ideais para aplicações em várias áreas como plasmônica, ótica não linear e aplicações biológicas. Apresen- tamos resultados para soluções coloidais de nanobastões de ouro que apresentam dois modos vibracionais de plasmons de superfície: o transversal e o longitudinal. Com o objetivo de com- preender a dinâmica eletrônica dos processo envolvidos na absorção ótica, utilizamos a técnica de espectroscopia de excitação e prova (em inglês pump probe) não degenerado e com o pulso de prova com banda larga (branco), que permitiram observar importantes variações na absorção resolvida no tempo em femtosegundos. Estudamos também os processos de emissão através de fotoluminescência por absorção de multi-fótons. Nos arranjos de nanocristais a absorção também é dominada pela ressonância plasmônica. Os resultados são descritos por um mo- delo semi-clássico de relaxação de energia por elétrons quentes considerando três temperaturas, temperatura dos elétrons, dos fônons e da rede. Em todos os nanomateriais estudados deter- minamos que os elétrons fora do equilíbrio térmico são importantes para a descrição completa dos processos físicos de relaxação de energia.
Abstract: The study of photoexcited electron and plasmon dynamics in nanomaterials presents experimental challenges due to the very short times (femtoseconds) involved in the early stages of energy relaxation. In the last decades studies of these processes in various types of materials are being revisited due to the great advance in the development of ultra short pulse lasers and sensitive detectors that allow access to these early stages of energy relaxation. In this thesis I present results obtained in metallic nanoparticles: gold nanorods, and assemblies of gold nanocrystal in organic matrix, which allowed studies of the photoexcited electron dynamics from the earliest times until the complete thermalization with the crystal lattice. Surface electrons in metal nanoparticles can be coherently excited by an external electric field, generating collective oscillations or Localized Surface Plasmons (LSP). Excitation of LSP modify the optical properties of the material such as the absorption and the optical emission that can be controlled by adjusting the shape, size and type of nanoparticle material or the environment that they are immersed. The physical processes involved in both absorption and emission have been intensively studied since the seventies. However, due to the wealth of possible phenomena in these nanoparticles there are still several open questions. In addition the possibility of modifying their optical properties make these nanoparticles ideal for applications in various areas, plasmonics, nonlinear optics and biological applications. We present results for gold nanorods colloidal solutions that present two vibrational modes of surface plasmons: transverse and longitudinal. In order to understand the dynamics of the electronic processes involved in the optical absorption, we use the non-degenerate pump and probe spectroscopy technique with the probe pulse covering a large spectral range (white probe), that allowed the observation of important variations in time resolved absorption in femtoseconds. We studied also the processes of photoluminescence by two photon excitation. In the nanocrystal assemblies we observed that the absorption is also dominated by plasmonic resonance. The results are described by a semi-classical hot electron energy relaxation model considering three temperatures, the temperature of the electrons, the phonons and the lattice. In all the nanomaterials studied we obtained that the electrons out of thermal equilibrium are important for the complete description of the energy relaxation processes.
Subject: Espectroscopia
Nanopartículas
Fotoluminescência
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE FÍSICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Física
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/40115
Issue Date: 16-Dec-2019
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