Plasmonic nanoengineering in hollow metal nanostructures: an electron energy-loss spectroscopy study

Abstract

Resumen en Español Las nanoestructuras metálicas están siendo objeto de gran atención dada su capacidad para generar resonancias plasmónicas, que son oscilaciones colectivas de electrones alojados en la banda de conducción en un metal excitado por efecto de un campo electromagnético. El creciente interés entorno a las nanoestructuras metálicas como fuentes de plasmones, ha resultado en el desarrollo de un nuevo campo, la plasmónica, definida como la ciencia y tecnología de la generación, control y manipulación de las excitaciones resultantes de las interaciones de la luz con la materia. Las nanoestructuras plasmónicas encuentran aplicaciones en diversos campos que cubren biología, física, química, ingeniería y medicina. Por ejemplo, son ampliamente usados en sensores, espectroscopía Raman aumentada por la superficie (SERS), celdas solares potenciadas con plasmones, fotodetectores, sistemas de transporte de medicamentos en el cuerpo y terapia de cáncer, así como nanoláseres, capas de invisibilidad y computación cuántica. Es bien sabido que las propiedades plasmónicas de las nanoestructuras metálicas se ven muy afectadas por diferentes parámetros, como el tamaño, la forma, la composición y las condiciones ambientales. Por tanto, entender y manipular las propiedades de los plasmones en la escala nanométrica es imprescindible para fabricar dispositivos con las características deseadas. En este manuscrito de tesis, presentamos un detallado estudio de caracterización de las propiedades plasmónicas de nanoestructuras huecas de AuAg, empleando técnicas espectroscópicas de pérdida de energía electrónica (en inglés, electron energy-loss spectroscopy, EELS). Se sabe que las nanoestructuras huecas muestran propiedades plasmónicas mejoradas si se comparan con las mismas estructuras macizas, debido al acoplamiento de las resonancias plasmónicas internas y externas. Este estudio incluye los primeros ejemplos de mapeo de plasmones resueltos espacialmente en nanoestructuras huecas de AuAg, tales come nanocajas y nanotubos, en 2 y 3D. Este manuscrito de tesis está divido en seis capítulos. El Capítulo 1 es la introducción, que incluye las bases teóricas de la resonancia de plasmones de superficie, revisiones de los diferentes parámetros que afectan a las propiedades plasmónicas de nanoestructuras metálicas, las áreas de aplicación de las nanoestructuras plasmónicas y las técnicas de caracterización usadas para determinar estas propiedades. En el Capítulo 2 se presentan los detalles metodológicos. Los resultados experimentales acompañados de simulaciones se presentan en los Capítulos 3, 4 y 5, donde realizamos caracterizaciones detalladas y estudios de modelaje de complejas nanoestructuras metálicas. Finalmente, el Capítulo 6 recoge las conclusiones generales de la tesis completa, así como los proyectos relacionados empezados o planeados a corto plazo.

Metallic nanostructures have received great attention due to their ability to generate surface plasmon resonances, which are the collective oscillations of conduction band electrons in a metal excited by an electromagnetic field. Ever-increasing interest in plasmonic metal nanostructures has emerged into the field of plasmonics, which can be defined as the science and technology of generation, control and manipulation of excitations resulted by the light-matter interactions. Plasmonic nanostructures have been used in many different applications spanning over the fields of biology, physics, chemistry, engineering and medicine. For instance, they are widely used in sensing, surface enhanced Raman spectroscopy (SERS), plasmon-enhanced solar cells, photodetectors, drug delivery and cancer therapy as well as nanolasers, invisibility cloaks and quantum computing. It is very-well known that plasmonic properties of metallic nanostructures are greatly affected by different parameters such as the size, shape, composition and local environment. Thus, understanding and manipulating the plasmonic properties at the nanoscale is essential to fabricate devices with the desired features. In this thesis manuscript, we present a detailed characterization study on the plasmonic properties hollow AuAg nanostructures by using electron energy-loss spectroscopy (EELS) technique. Hollow nanostructures are known to have enhanced plasmonic properties compared to their solid counterparts due to the coupling of inner and outer plasmon resonances. This study involves the first examples of spatially resolved plasmon mapping in hollow AuAg nanostructures such as nanoboxes and nanotubes, both in 2D and 3D. This thesis manuscript is divided into six chapters. Chapter 1 is the introduction, which includes the theoretical background of surface plasmon resonances, the reviews of different parameters that affect the plasmonic properties of metal nanostructures, the application areas of plasmonic nanostructures and characterization techniques used to determine the plasmonic properties. In Chapter 2, details of the methodology are presented. Experimental results and accompanying simulations are presented in Chapters 3, 4 and 5, where we perform a detailed characterization and modeling studies on complex metal nanostructures. Finally, Chapter 6 includes the general conclusions of the whole thesis and some future works that are already on-going or planned to be done in the near future.