Espectroscopia ultra-rápida e estudos de dinâmica eletrônica em nano-estruturas plasmônicas
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Ariete Righi
Franklin Massami Matinaga
Acácio Aparecido de Castro Andrade
Edílson Lucena Falcão Filho
Franklin Massami Matinaga
Acácio Aparecido de Castro Andrade
Edílson Lucena Falcão Filho
Resumo
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.
Assunto
Espectroscopia, Nanopartículas, Fotoluminescência
Palavras-chave
Nanobastões de ouro, Arranjos de nanocristais, Plasmônica, Espectroscopia resolvida no tempo, Elétrons quentes
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