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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 2008 – p. 1/39
ÍndiceIntroduccion:
- Antenas
- Espectro Electromagnetico
Miniaturizacion ⇒ Micro-antenas
⇓
NANO-ANTENAS ⇒ SENSORES MOLECULARES
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 2/39
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
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 3/39
...AntenasRadio
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 4/39
...AntenasRadar
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 5/39
...AntenasTV
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 6/39
...AntenasMoviles
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 7/39
...AntenasParabolicas
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 8/39
...AntenasYagi
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 9/39
...AntenasAnimales
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 10/39
...AntenasReales
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 11/39
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
k = ωc
= 2πλ
E = hω
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...Antenas. . . Tamano importa
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 14/39
...Antenas
Metro cm mm µm,nm
??
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ÍndiceIntroduccion:
- Antenas
- Espectro Electromagnetico
Miniaturizacion ⇒ Micro-antenas
⇓
NANO-ANTENAS ⇒ SENSORES MOLECULARES
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 16/39
Espectroelectromagnético
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 17/39
Antenas THzTHz
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 18/39
Micro-AntenasIR
J. Alda et al, Nanotechnology 2005
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 19/39
Nano-AntenasLuz
??
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 20/39
ÍndiceIntroduccion:
- Antenas
- Espectro Electromagnetico
Miniaturizacion ⇒ Micro-antenas
⇓
NANO-ANTENAS ⇒ SENSORES MOLECULARES
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 21/39
∼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
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 22/39
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
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 23/39
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 2008 – p. 24/39
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 2008 – p. 25/39
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
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 26/39
Metales: Plasmones
Scattering MIE (Esfera, Cilindro)
Nanopartıcula =⇒ DipoloRESONANCIA PLASMON
Sonnichsen et al, PRL (2002)
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 27/39
Colloides MetálicosCOPA LICURGUS
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 28/39
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 2008 – p. 29/39
Emisiónespontánea
Emision espontanea: η0 Efecto Purcell: EM-LDOS
I ∼ η0∗EM-LDOS
EM-LDOS ⇒ densidad local estados EM
Atomos, Moleculas, puntos cuanticos, . . .
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 30/39
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 2008 – p. 31/39
Nano-antenas
Nano-pajarita (Bowtie) Nano-estrellas Nano-arroz
Fromm et al, NanoLett. 2004 Nehl et al, NanoLett. 2006 Wiley et al, NanoLett. 2007
. . .
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 32/39
Nano-antenas
Muhschlegel et al, Science 2005 Greffet, Science 2005
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 33/39
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 2008 – p. 34/39
Nanoantena:Fluorescencia
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 35/39
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
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 36/39
Nanoantenas:SERS
Surface-enhanced Raman scattering
Raman Espectros: SERS
HUELLA MOLECULAR
Sanchez-Cortes et al Haynes, McFarland, van Duyne, Anal. Chem. 2005
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 37/39
RESUMENNano-Ciencia/Nano-Tecnologıa
Nano-Optica/Metales...
Nanoantenas: diseno de nanoestructuras
Nanolitografıa
Nano-Quımica
(Bio)molecular Sensing
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 38/39
Gracias
Semana de la Ciencia, Noviembre 2008 – p. 39/39