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Type: Tese de Doutorado
Title: Desenvolvimento e estudo de sondas para microscopia óptica de campo próximo
Authors: Thiago de Lourenco e Vasconcelos
First Advisor: Luiz Gustavo de Oliveira Lopes Cancado
First Co-advisor: Wagner Nunes Rodrigues
metadata.dc.contributor.advisor-co2: Braulio Soares Archanjo
First Referee: Ado Jorio de Vasconcelos
Second Referee: Gilberto Medeiros Ribeiro
Third Referee: Carlos Alberto Achete
metadata.dc.contributor.referee4: Ricardo Rego Bordalo Correia
metadata.dc.contributor.referee5: Daniel Lorscheitter Baptista
Abstract: Esta tese de doutoramento apresenta a aplicação de técnicas de microscopia eletrônica no estudo e desenvolvimento de sondas de microscopia óptica de campo próximo (SNOM). São demonstrados dois diferentes métodos para fabricação de sondas para SNOM: o métodode desbaste eletroquímico de fio de ouro, e a fabricação de pirâmides metálicas através da técnica de litografia por feixe de íons focalizado (FIB). Através de imagens de microscopia eletrônica (TEM e SEM) e análises por técnicas correlatas (XEDS e EBSD), melhoramos a eficiência do processo de fabricação das pirâmides e observamos defeitos superficiais nas pontas sólidas de ouro provocados por fronteiras de grãos que apresentam distância do ápice compatível com o necessário para a geração do efeito de ressonância de plasmon de superfície localizado (LSPR). Empregando a técnica de espectroscopia de perda de energia de elétron (EELS) em um microscópio eletrônico de transmissão em modo varredura (STEM), observamos absorções localizadas nas laterais das pontas em energias menores que 2.3 eV, cujos valores dependem da distância entre o ponto de análisee o ápice da sonda. Nossos resultados proporcionam evidências experimentais de que essa absorção tem origem no efeito de interferência com plasmons-polaritons de superfície (SPP) refletidos no ápice da ponta. Com base nessas evidências, desenvolvemos uma rotareprodutível para gerar e sintonizar a LSPR em sondas de SNOM. O método é baseado na realização de um desbaste único e superficial feito por FIB, perpendicular ao eixo principal da ponta e próximo ao seu ápice. Novamente empregando a técnica de EELS, mostramos que ao alterar a distância entre o desbaste e o ápice, a ressonância pode sersintonizada em uma faixa de energia específica. Geramos com isso uma simples expressão empírica que indica a posição de desbaste adequada para um determinado valor de energia de transição em processos de absorção óptica. Por fim, aplicamos as pontas deouro modificadas em experimentos de espectroscopia Raman de campo-próximo (TERS) nos quais foram observadas melhoras significativas no aumento de sinal gerado por sondas possuindo ranhuras em posição apropriada.
Abstract: This thesis reports the usage of electron microscopy on the study and development of probes for scanning near-field optical microscopy (SNOM). Two fabrication methods for the production of sharp SNOM probes are described: electrochemical etching of gold wires for making conventional solid gold tips, and lithography for the production of template stripped gold pyramids. The probes were characterized by electron microscopy (SEM and TEM) and other correlated analytical techniques such as EBSD and XEDS. Based on the information obtained from these analyses, we substantially improved the fabrication yield for the pyramid probes. Also, we observed morphological flaws on the surface of the solid gold tips, generally caused by grain boundaries. It is shows that those features are compatible with localized surface plasmon resonance (LSPR) generation that leads to optical absorption, although the transition energy is not controllable in this schema. In order to investigate the plasmonic properties of SNOM probes with high energy and spatial resolutions, we applied electron energy-loss spectroscopy (EELS) combined with scanning transmission electron microscopy (STEM). First, localized absorption channels were observed on EELS spectra acquired at the solid gold tips shafts. Experimental results obtained from four different tips strongly suggest that those absorption channels are consequence of an interference effect on surface plasmon polariton (SPP) which are reflected on the tip apex. In the odder hand, no LSPR absorption was seen on EELS spectra acquired at the vicinity of the apexes of nicely-shaped solid gold tips with no flaws. Finally, we introduce a simple and reproducible route for generating and tuningLSPR in SNOM probes. The method is based on the usage of a focused-ion-beam (FIB) made single groove in the vicinity of the tip apex. The EELS results reveal that the plasmonic properties are linked to the distance L between the groove and the apex of the gold probe, and by varying this single parameter we are able to tune the LSPR energy.Based on the experimental EELS data complemented by discrete dipole approximation simulations, and taking into account the effective wavelength of the plasmon oscillation, we obtained a simple relation to guide the LSPR tuning in FIB-grooved SNOM probes. The protocol was used for production of test probes applied to tip-enhanced Ramanscattering (TERS) experiments which evidenced the improvement of the optical efficiency when operating on SNOM systems in the visible-nIR range.
Subject: Sondas (Instrumentos eletronicos)
Microscopia óptica de campo próximo
Física
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-A9CQG8
Issue Date: 16-Nov-2015
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