Espetroscopia de fluorescência resolvida no tempo em estruturas nanoplasmonicas baseadas em grafeno

Abstract

A descoberta do grafeno, em 2004, despertou a imaginação de muitos investigadores que viram nesta estrutura bidimensional um candidato atraente para transporte balístico de energia elétrica e novos dispositivos eletro-óticos. A dispersão linear da estrutura de bandas junto ao nível de Fermi conduz à criação de dispositivos de nanoeletrónica de características únicas. Apesar de ter apenas a espessura de um único átomo, pode ser visualizado por um simples microscópio ótico, devido ao seu elevado coeficiente de absorção  2.3%. Durante esta dissertação foi otimizado e publicado um novo método de aumento do contraste do grafeno num microscópio ótico de reflexão. O método consiste em aproximar os índices de refração dos meios, acima e abaixo, do grafeno através da introdução de um líquido, com um índice de refração semelhante ao do vidro usado como suporte, entre a objetiva do microscópio e o suporte. O contraste de uma ou várias camadas de grafeno é melhorado por um fator de quatro vezes, em comparação com os valores obtidos para substratos transparentes geralmente usados em microscópio ótico de reflexão sem otimização do índice de refração. Recentemente, grafeno também tem sido reconhecido como um material bidimensional com propriedades plasmónicas únicas exibindo uma ampla gama de propriedades extraordinárias o que faz dele um material versátil para novas aplicações nanoplasmónicas. Esta combinação do grafeno com a fotónica e plasmonics permite a construção de uma variedade avançada de dispositivos, tais como uma régua molecular através da inibição da fluorescência a grandes distâncias, foi nesta perspetiva que eu centrei a atenção desta dissertação. A inibição da fluorescência pelo grafeno foi estudada em função da distância que o separa de uma molécula fluorescente, onde se constatou pela primeira vez as alterações na lei da dependência da distância para grandes distâncias. Estes resultados também confirmam a existência de decaimentos transversos, o que possibilita o seu uso como ferramenta de estudo e análise de plasmões transversos em grafeno dopado.

The discovery of graphene in 2004, sparked the imagination of many researchers who saw in this bi-dimensional structure an appealing candidate for ballistic electrical transport and novel electro-optical devices. The linear band dispersion at the Fermi level (Dirac cone) leads to unique characteristics in nanoelectronics devices. Despite being just a single atom thick, it can be optically visualized by a simple optical microscope due to the large absorption coefficient  2.3%. During this dissertation a new method to enhancement the graphene contrast in optical reflection microscope has been optimized and published. The method employs a refractive index optimization of the mediums, above and below, of graphene through the introduction of a liquid, with a refractive index that is equal to that of the glass support used, in between the microscope objective and the support. The contrast of single and few layer graphene crystals and structures can be enhanced by a factor of four compared to values commonly achieved with transparent substrates using optical reflection microscopy lacking refractive index optimization. Recently, graphene has also been recognized as unique two-dimensional plasmonics material that displays a wide range of extraordinary properties which could lead to a variety of novel nanoplasmonics applications. This combination of graphene nanophotonics with nanoplasmonics could enable a variety of advanced devices such as a molecular ruler. The main body of this thesis is dedicated to exploring this possibility. Graphene fluorescence quenching was studied as a function of distance between a dye molecule and significant changes in the power law that describes the distance dependence were observed for the first time at large distances. These results also confirm the transverse decays, which allows their use as a tool to study and analysis of transverse plasmon in doped graphene.