nanoantenas metálicas como sensores...

Nanoantenas metálicascomo sensores

molecularesJOSE A. SANCHEZ GIL

j.sanchez@iem.cfmac.csic.es

Instituto de Estructura de la Materia, CSIC, Madrid

Semana de la Ciencia, Noviembre 2010 – p. 1/46

ÍndiceIntroduccion:

- Antenas

- Espectro Electromagnetico

Miniaturizacion ⇒ Micro-antenas

⇓

NANO-ANTENAS ⇒ SENSORES MOLECULARES

Semana de la Ciencia, Noviembre 2010 – p. 2/46

AntenasUna antena es un dispositivo disenado con el objetivo de

emitir o recibir ondas electromagneticas hacia el espacio

libre. Una antena transmisora transforma corrientes

electricas en ondas electromagneticas, y una receptora

realiza la funcion inversa...

Fuente: wikipedia

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...AntenasRadio

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...AntenasRadar

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...AntenasTV

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...AntenasMoviles

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...AntenasParabolicas

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...AntenasYagi

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...AntenasAnimales

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...AntenasReales

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Ondas. . .Una onda es una propagacion de una perturbacion de alguna

propiedad de un medio: olas, acusticas, sısmicas, electromagneticas,...

Onda longitudinal

Enrarecimiento

Amplitud

Cresta

Compresion

Valle

Onda transversal

Longitud de onda

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Ondaselectromagnéticas

Transversales: Campo electrico y magnetico ⊥ k

No necesitan un medio material de propagacion:

vacıo,. . .

Energıa ∝ ω, Momento ∝ k = 2πλ

Velocidad (fase): c = ω/k

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Antenas

Antena lineal Media Onda

I ∼ sin{

k(

d2− |z|

)}

e−iωt kd = π, d = λ/2 (k = ω/c =2π

λ)

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Espectroelectromagnético

E = hω, k = ωc= 2π

λ

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...Antenas. . . Tamano importa

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...Antenas

Metro cm mm µm,nm

??

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ÍndiceIntroduccion:

- Antenas

- Espectro Electromagnetico

Miniaturizacion ⇒ Micro-antenas

⇓

NANO-ANTENAS ⇒ SENSORES MOLECULARES

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Espectroelectromagnético

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Antenas THzTHz

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Micro-AntenasIR

J. Alda et al, Nanotechnology 2005

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Nano-AntenasLuz

??

Reto tecnologico. . . y cientıfico

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ÍndiceIntroduccion:

- Antenas

- Espectro Electromagnetico

Miniaturizacion ⇒ Micro-antenas

⇓

NANO-ANTENAS ⇒ SENSORES MOLECULARES

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∼Antenas...antennas are widely employed to convert electromagnetic

radiation into localized energy and vice versa.

. . .

Una antena es un dispositivo disenado para convertir

radiacion electromagnetica en energıa localizada y

viceversa...

Fuente: L. Novotny, PRL 2007

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Nano-antenasAntenas: Radio ⇐⇒ Opticas

The end of a coaxial wire (A) is a source of radio waves. Con-

necting the wire to an antena (B) amplifies the radio emission

and modifies its direction. Light emission can be modified in

a similar way by placing a light source such as an atom (C)

between two rods (D). In (C), the photon is emitted in almost

any direction, whereas in (D), the emission direction is concen-

trated in directions perpendicular to the antena

J. J. Greffet, Science 2005

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Nano-antenas

NO 6⇒ Antena convencional para emitir/recibir luz codificada:

Comunicaciones opticas (fibras opticas, guıas de onda,

etc.)

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Nano-antenas

NO 6⇒ Antena convencional para emitir/recibir luz codificada:

Comunicaciones opticas (fibras opticas, guıas de onda,

etc.)

SI ⇒ Controlar (amplificar, dirigir, etc.) emision de luz

Semana de la Ciencia, Noviembre 2010 – p. 26/46

Nano-antenas

Respuesta de los metales a la radiacion visible (luz):

Plasmones

Procesos de emision (espontanea) de luz

Modificacion de la emision debida a las nanoantenas:

efecto Purcell & SERS

Nano-estructuras

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Nano-antenas

Respuesta de los metales a la radiacion visible (luz):

Plasmones

Procesos de emision (espontanea) de luz.

Modificacion de la emision debida a las nanoantenas:

efecto Purcell & SERS

Nano-estructuras

Semana de la Ciencia, Noviembre 2010 – p. 28/46

PlasmonesTeorıa Drude de Metales: Modelo electrones libres

ǫ(ω) = 1−ω2

p

ω(ω+ıγ) , ωp ≡frecuencia plasma

ω < ωp, Opaco; ω > ωp, Transparente

ω = ωp, Oscilaciones densidad-carga: Plasmones

Plasmones Superficiales

|H (z)|yy

x

z

xk

E

H

SPP

dielectric

metal

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Metales: Plasmones

Scattering MIE (Esfera, Cilindro)

Nanopartıcula =⇒ DipoloRESONANCIA PLASMON

Sonnichsen et al, PRL (2002)

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Colloides MetálicosCOPA LICURGUS

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Nano-antenas

Respuesta de los metales a la radiacion visible (luz):

Plasmones

Procesos de emision (espontanea) de luz.

Modificacion de la emision debida a las nanoantenas:

efecto Purcell & SERS

Nano-estructuras

Semana de la Ciencia, Noviembre 2010 – p. 32/46

Emisiónespontánea

Emision espontanea: η0 Efecto Purcell: EM-LDOS

I ∼ η0∗EM-LDOS

EM-LDOS ⇒ densidad local estados EM

Atomos, Moleculas, puntos cuanticos, . . .

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Luminiscencia

MOLECULAS PUNTOS CUANTICOS . . .

colorantes Porous Si

Medusa, Cangrejo CdSe QDsSemana de la Ciencia, Noviembre 2010 – p. 34/46

Nano-antenas

Respuesta de los metales a la radiacion visible (luz):

Plasmones

Procesos de emision (espontanea) de luz.

Modificacion de la emision debida a las nanoantenas:

efecto Purcell & SERS

Nano-estructuras

Semana de la Ciencia, Noviembre 2010 – p. 35/46

Nano-antenas

Nano-pajarita (Bowtie) Nano-estrellas Nano-arroz

Fromm et al, NanoLett. 2004 Nehl et al, NanoLett. 2006 Wiley et al, NanoLett. 2007

. . .

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Nano-antenas

Muhschlegel et al, Science 2005 Greffet, Science 2005

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Nanorectángulos:∼ λ/2-antena

Antena ∼ 100 nanometros!!

Aislado Dımero

(b)

(b) 0 1 2

Giannini & Sanchez-Gil, JOSA A (2007)Semana de la Ciencia, Noviembre 2010 – p. 38/46

Nanoantena:Fluorescencia

Semana de la Ciencia, Noviembre 2010 – p. 39/46

Nanoantena:Fluorescencia

Imagen Confocal Calculos

−300 −200 −100 0 100 200 300−100

−50

0

50

100

−300 −200 −100 0 100 200 300−100

−50

0

50

100

5

5.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

Muskens, Giannini, Sanchez-Gil, Gomez Rivas, Nano Lett. 2007

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Nanoantenas:SERS

Surface-enhanced Raman scattering

Raman Espectros: SERS

HUELLA MOLECULAR

Sanchez-Cortes et al Haynes, McFarland, van Duyne, Anal. Chem. 2005

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RESUMENNano-Ciencia/Nano-Tecnologıa

Nano-Optica/Metales...

Nanoantenas: diseno de nanoestructuras

Nanolitografıa

Nano-Quımica

(Bio)molecular Sensing

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Quiénes??

Lorena Roldan

Ramon Paniagua

Jose A Sanchez GilFernando Lopez−TejeiraVincenzo GianniniRogelio Rodriguez

Jose V. Garcia RamosRaquel de LlanosIrene Izquierdo

INSTITUTO DE ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Grupo: Espectroscopia de Superficies

Concha DomingoSantiago Sanchez Cortes

Sagrario MartinezPaz Sevilla

Lorena Roldan

Raquel de LlanosIrene IzquierdoElena del Puerto

Fotonica de Plasmones Surperficiales&

Ramon Paniagua

Jose A Sanchez GilFernando Lopez−TejeiraVincenzo GianniniRogelio Rodriguez

Jose V. Garcia Ramos

Jaime Gomez Rivas

(AMOLF/Philips, The Netherlands)Otto Muskens

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Foto grupo??

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AgradecimientosMICINN, Comunidad de Madrid & CSIC

UNION EUROPEA

FONDO SOCIAL EUROPEO

NANOPLAS

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Gracias

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