A plasmônica é a área que faz a junção entre fotônica e nanoestruturas. As implicações tecnológicas resultantes do acoplamento entre campos eletromagnéticos e oscilações eletrônicas em um material condutor fazem desta área uma das mais excitantes da óptica atualmente. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é o projeto, fabricação e caracterização de nanoestruturas metálicas visando aplicações em óptica difrativa, incluindo filtros e lentes. Inicialmente, uma extensa revisão bibliográfica permitiu definir quais tipos de estruturas seriam abordadas, levando em conta tanto a capacidade computacional para fazer a modelagem numérica quanto a infraestrutura necessária na fabricação dos elementos. A primeira estrutura analisada foi um filtro óptico baseado em ressonância de modo guiado e ressonância plasmônica. Foram projetados e fabricados três filtros operando no azul, verde e vermelho. Resultados experimentais mostraram eficiência acima de 80% e largura de banda em torno de 20 nm, consideravelmente menor que os ~60 nm obtidos previamente na literatura considerando estrutura semelhante. Foi possível verificar as cores puras associadas à ressonância de modo guiado. Além disso, foi demonstrado como gerar as três cores primárias - azul, verde e vermelho - usando apenas o filtro vermelho. A segunda estrutura proposta consiste em uma lente tipo zonas de Fresnel integrada com um filme metálico. Resultados numéricos identificaram uma estrutura ressonante do tipo Fabry-Perot que possibilita uma redução dos lóbulos laterais gerada pela lente por um fator 3.0 na polarização TM e 4.8 na polarização TE. A estrutura foi fabricada usando litografia por nanoimpressão. Por fim, a terceira estrutura analisada foi um holograma binário baseado em metassuperfície, cuja célula básica é composta de um ressoador tipo nanorod. Foi proposta uma geometria na qual a diferença de fase entre os elementos é igual a π independente do comprimento de onda. Assim, o holograma pode operar em uma faixa espectral definida pela largura de banda transmitida. É descrito o inicio da fabricação do elemento usando litografia por feixe de elétrons. / Plasmonics is a field of study that merge photonics and nanostructures. The advanced technological implications makes it one of the most exciting field in Optics in current days. Therefore the objective of this study is the design and fabrication of metallic nanostructures aiming at applications in diffractive optics. Firstly, an extensive literature review allowed to define what types of structures would be addressed, taking into account both software simulations and the require infrastructure for the elements\' fabrication. The first analyzed structure was an optical color filter based on guided mode resonance and surface plasmon resonance. Three filters, operating in blue, green and red, were designed and fabricated using interferometric lithography. Experimental results show above 80% efficiency and ~20 nm bandwidth, which is significantly smaller than ~60 nm previously obtained in the literature with similar structures. It was possible to show the pure colors associated with the modal resonance. Furthermore, it was shown how to obtain the primary red, blue, and green colors using only the red filter. The second structure proposed consists of Fresnel zones plates integrated with a metallic film. Numerical results show a resonant structure which enables side lobe reduction by a factor 3.0 in the TM polarization and 4.8 in the TE polarization. This structure was fabricated using nanoimprint lithography. The third analyzed structure was a binary hologram based on metasurface whose basic cell is composed of a nanorod metallic resonator. The phase difference between two elements is equal to π, regardless of the wavelength; thus, the hologram operates in a spectral band defined by transmitted bandwidth. The first steps of its fabrication process using electron beam lithography are presented and described.

O interesse por aplicações que utilizam efeitos de plásmons poláritons de superfície (SPP) vem crescendo, pois as ondas SPPs apresentam enorme potencial no desenvolvimento de filtros e biossensores ópticos. A sensibilidade da ressonância de plásmons em nanoestruturas permite o estudo em tempo real de variações mínimas em índice de refração, solutos e antígenos. Neste trabalho foram aplicadas técnicas de nanofabricação (litografia por feixe de elétrons e íons) para o desenvolvimento de estruturas plasmônicas e sua posterior caracterização. As estruturas foram utilizadas para verificar propriedades de absorção e fluorescência em moléculas opticamente ativas - Porfirina e Rodamina 6G. As estruturas - conjuntos de fendas e matrizes de buracos circulares com diversos períodos - foram fabricadas em um filme fino de ouro (Au) sobre substrato de vidro (Borofloat 33 - Schott), usando um feixe de íons de Gálio (FEI Quanta Quanta 3D 200i). A transmissão óptica foi estudada na região de 400nm a 900nm (VIS-NIR). Os resultados experimentais foram comparados com simulações computacionais. O estudo da absorção molecular da porfirina foi conduzido observando-se a variação na intensidade da transmissão. Ao alterar a concentração da porfirina sobre as estruturas, foi possível caracterizar a curva de absortividade ε(λ) da porfirina para concentrações entre 100 μg/ml e 500 μg/ml em quantidades mínimas de analito (20 μl). A técnica de microscopia confocal foi empregada no estudo da fluorescência da Rodamina 6G diluída num filme fino de PMMA sobre as estruturas. Ao avaliar a fluorescência da Rodamina 6G na reflexão das estruturas, observou-se o efeito de quenching devido a emissão de plásmons. Os resultados obtidos poderão ser utilizados de apoio a trabalhos futuros, desenvolvidos em plasmônica aplicada a biossensores. / The interest in applications that use the effects of surface plasmon polaritons (SPP) has been increasing. SPPs waves have an enormous potential for the construction of optical filters and biosensors. The sensitivity of plasmon resonance in nano-structures allows studying in real-time minimal variations in the refractive index, solutes and antigens. In this work, we have studied nanofabrication techniques (electron and ion beam lithography) and the characterization of plasmonic structures. Plasmonic effects were used as biosensors of absorption and fluorescence in optically active molecules - Porphyrin and Rhodamine 6G. The structures - sets of slits and arrays of circular holes with different periods - were manufactured in gold (Au) thin film on a glass substrate (Borofloat 33 - Schott) using a galium ion beam equipment (FIB FEI Quanta Quanta 3D 200i). Optical transmission was studied in the region of 400 nm to 900 nm (VIS-NIR). The characterization of structures was realized used the Ocean Optics USB-2000 spectrometer. The experimental results were compared to computer simulations. The study of molecular absorption of porphyrin was conducted by observing the variation in intensity of transmission. By changing the porphyrin concentration in the structures, it was possible to characterize the porphyrin absorptivity curve ε(λ) in concentrations between 100 μg/ml and 500 μg/ml in minimum amounts of analyte (20 μl). Confocal microscopy was used to study the fluorescence of Rhodamine 6G on plasmonic structures. The plasmon quenching effect was observed in the evaluation of the fluorescence of Rhodamine 6G in the reflection of the structures. The results will support future works linking plasmonics and biosensors.

A plasmônica é a área que faz a junção entre fotônica e nanoestruturas. As implicações tecnológicas resultantes do acoplamento entre campos eletromagnéticos e oscilações eletrônicas em um material condutor fazem desta área uma das mais excitantes da óptica atualmente. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é o projeto, fabricação e caracterização de nanoestruturas metálicas visando aplicações em óptica difrativa, incluindo filtros e lentes. Inicialmente, uma extensa revisão bibliográfica permitiu definir quais tipos de estruturas seriam abordadas, levando em conta tanto a capacidade computacional para fazer a modelagem numérica quanto a infraestrutura necessária na fabricação dos elementos. A primeira estrutura analisada foi um filtro óptico baseado em ressonância de modo guiado e ressonância plasmônica. Foram projetados e fabricados três filtros operando no azul, verde e vermelho. Resultados experimentais mostraram eficiência acima de 80% e largura de banda em torno de 20 nm, consideravelmente menor que os ~60 nm obtidos previamente na literatura considerando estrutura semelhante. Foi possível verificar as cores puras associadas à ressonância de modo guiado. Além disso, foi demonstrado como gerar as três cores primárias - azul, verde e vermelho - usando apenas o filtro vermelho. A segunda estrutura proposta consiste em uma lente tipo zonas de Fresnel integrada com um filme metálico. Resultados numéricos identificaram uma estrutura ressonante do tipo Fabry-Perot que possibilita uma redução dos lóbulos laterais gerada pela lente por um fator 3.0 na polarização TM e 4.8 na polarização TE. A estrutura foi fabricada usando litografia por nanoimpressão. Por fim, a terceira estrutura analisada foi um holograma binário baseado em metassuperfície, cuja célula básica é composta de um ressoador tipo nanorod. Foi proposta uma geometria na qual a diferença de fase entre os elementos é igual a π independente do comprimento de onda. Assim, o holograma pode operar em uma faixa espectral definida pela largura de banda transmitida. É descrito o inicio da fabricação do elemento usando litografia por feixe de elétrons. / Plasmonics is a field of study that merge photonics and nanostructures. The advanced technological implications makes it one of the most exciting field in Optics in current days. Therefore the objective of this study is the design and fabrication of metallic nanostructures aiming at applications in diffractive optics. Firstly, an extensive literature review allowed to define what types of structures would be addressed, taking into account both software simulations and the require infrastructure for the elements\' fabrication. The first analyzed structure was an optical color filter based on guided mode resonance and surface plasmon resonance. Three filters, operating in blue, green and red, were designed and fabricated using interferometric lithography. Experimental results show above 80% efficiency and ~20 nm bandwidth, which is significantly smaller than ~60 nm previously obtained in the literature with similar structures. It was possible to show the pure colors associated with the modal resonance. Furthermore, it was shown how to obtain the primary red, blue, and green colors using only the red filter. The second structure proposed consists of Fresnel zones plates integrated with a metallic film. Numerical results show a resonant structure which enables side lobe reduction by a factor 3.0 in the TM polarization and 4.8 in the TE polarization. This structure was fabricated using nanoimprint lithography. The third analyzed structure was a binary hologram based on metasurface whose basic cell is composed of a nanorod metallic resonator. The phase difference between two elements is equal to π, regardless of the wavelength; thus, the hologram operates in a spectral band defined by transmitted bandwidth. The first steps of its fabrication process using electron beam lithography are presented and described.

O interesse por aplicações que utilizam efeitos de plásmons poláritons de superfície (SPP) vem crescendo, pois as ondas SPPs apresentam enorme potencial no desenvolvimento de filtros e biossensores ópticos. A sensibilidade da ressonância de plásmons em nanoestruturas permite o estudo em tempo real de variações mínimas em índice de refração, solutos e antígenos. Neste trabalho foram aplicadas técnicas de nanofabricação (litografia por feixe de elétrons e íons) para o desenvolvimento de estruturas plasmônicas e sua posterior caracterização. As estruturas foram utilizadas para verificar propriedades de absorção e fluorescência em moléculas opticamente ativas - Porfirina e Rodamina 6G. As estruturas - conjuntos de fendas e matrizes de buracos circulares com diversos períodos - foram fabricadas em um filme fino de ouro (Au) sobre substrato de vidro (Borofloat 33 - Schott), usando um feixe de íons de Gálio (FEI Quanta Quanta 3D 200i). A transmissão óptica foi estudada na região de 400nm a 900nm (VIS-NIR). Os resultados experimentais foram comparados com simulações computacionais. O estudo da absorção molecular da porfirina foi conduzido observando-se a variação na intensidade da transmissão. Ao alterar a concentração da porfirina sobre as estruturas, foi possível caracterizar a curva de absortividade ε(λ) da porfirina para concentrações entre 100 μg/ml e 500 μg/ml em quantidades mínimas de analito (20 μl). A técnica de microscopia confocal foi empregada no estudo da fluorescência da Rodamina 6G diluída num filme fino de PMMA sobre as estruturas. Ao avaliar a fluorescência da Rodamina 6G na reflexão das estruturas, observou-se o efeito de quenching devido a emissão de plásmons. Os resultados obtidos poderão ser utilizados de apoio a trabalhos futuros, desenvolvidos em plasmônica aplicada a biossensores. / The interest in applications that use the effects of surface plasmon polaritons (SPP) has been increasing. SPPs waves have an enormous potential for the construction of optical filters and biosensors. The sensitivity of plasmon resonance in nano-structures allows studying in real-time minimal variations in the refractive index, solutes and antigens. In this work, we have studied nanofabrication techniques (electron and ion beam lithography) and the characterization of plasmonic structures. Plasmonic effects were used as biosensors of absorption and fluorescence in optically active molecules - Porphyrin and Rhodamine 6G. The structures - sets of slits and arrays of circular holes with different periods - were manufactured in gold (Au) thin film on a glass substrate (Borofloat 33 - Schott) using a galium ion beam equipment (FIB FEI Quanta Quanta 3D 200i). Optical transmission was studied in the region of 400 nm to 900 nm (VIS-NIR). The characterization of structures was realized used the Ocean Optics USB-2000 spectrometer. The experimental results were compared to computer simulations. The study of molecular absorption of porphyrin was conducted by observing the variation in intensity of transmission. By changing the porphyrin concentration in the structures, it was possible to characterize the porphyrin absorptivity curve ε(λ) in concentrations between 100 μg/ml and 500 μg/ml in minimum amounts of analyte (20 μl). Confocal microscopy was used to study the fluorescence of Rhodamine 6G on plasmonic structures. The plasmon quenching effect was observed in the evaluation of the fluorescence of Rhodamine 6G in the reflection of the structures. The results will support future works linking plasmonics and biosensors.

Neste trabalho apresentamos um estudo sistemático da transmissão da radiação eletromagnética em um conjunto de fendas metálicas individuais depositadas em substratos de vidro BK7 com larguras abaixo do comprimento de onda da luz incidente. As fendas foram obtidas através da evaporação térmica de prata e ouro sobre um substrato dielétrico (vidro BK7). A fabricação das fendas foi feita de forma direta através de um equipamento de feixe de íons de Gálio (FEI Quanta 3D). A transmissão óptica das fendas foi estudada com radiação laser para os comprimentos de onda de 488 nm e 632.8 nm. Observouse uma oscilação de intensidade na transmissão devido ao efeito de interferência dos surface plasmon polariton (SPP) gerados na superfície metálica como função da espessura do filme metálico. Os resultados experimentais obtidos foram confrontados com simulações computacionais, via método de elementos finitos, a partir das quais pode se compreender os mecanismos de propagação da radiação na estrutura em questão, e compará-los com detalhes da fabricação de fendas. Procedimento similar foi realizado ao variar a largura das mesmas. Também foi feita a análise da transmissão óptica em fendas fabricadas em filmes constituídos por camadas alternadas de prata e ouro, a fim de comparar como tal mudança na configuração da estrutura afeta os resultados anteriores. O trabalho serviu para mostrar que as dimensões dos filmes metálicos, assim como das fendas, apresentavam grande influência nas propriedades de transmissão e, além do que foi possível conferir diversos conceitos básicos da teoria eletromagnética num sistema relativamente simples. A compreensão dessas propriedades é fundamental para o desenvolvimento de futuros dispositivos que utilizam efeitos plasmônicos. / This work presents a systematic study of the transmission of electromagnetic radiation on a set of single metallic slits metallic with widths below the wavelength of incident light, deposited on BK7 glass substrates. The slits were obtained by thermal evaporation of silver and gold on a dielectric (BK7 glass). The fabrication of the slits was performed directly through a gallium ion beam equipment (FEI Quanta 3D). The optical transmission of the slits was studied by laser radiation for the wavelengths of 488 nm and 632.8 nm. An oscillation in the transmission intensity was observed due to the interference effect of the surface plasmon polariton (SPP) generated on the metallic surface as a function of the metal film thickness. The experimental results were compared with computational simulations, via finite element method, in order to comprehend the mechanisms of radiation propagation in the structure and compare them with details of slits fabrication. A similar procedure was performed by varying the width of the slits. An analagous analysis of the optical transmission in slits fabricated in films consisting of alternating layers of silver and gold was performed in order to compare how this change in structure configuration affects the previous results. The work served to show that the dimensions of the metal films, as well as of the slits, have a significant influence on the properties of transmission, and, moreover it was possible to confer different basic concepts of electromagnetic theory in a relatively simple system. Understanding these properties is fundamental for the development of future devices that make use of plasmonics effects.

Neste trabalho é apresentado em detalhe a fabricação de dispositivos com contato túnel em grafeno, com foco nas caracterizações físico-químicas de barreiras túnel de Al2O3, crescidas sobre grafeno. Uma investigação detalhada das interfaces Co/Al2O3/grafeno é apresentada. Técnicas de caracterização tais como Raman, AFM, HRTEM, STEM, EDX, EELS são utilizadas, assim como processos de nanofabricação de dispositivos via litografia por feixe de elétrons. Os resultados mostram o crescimento de barreira via nucleação de clusters tipo Volmer-Weber e a existência de contatos Co/grafeno via pinholes através da barreira. A fabricação de barreiras finas com espessura nominal de 1 nm resulta no recobrimento parcial do grafeno por camadas com espessura atingindo cerca de 4 nm. A espessura mínima de barreira para a cobertura total da superfície do grafeno é alcançada através da deposição nominal de uma camada de Al2O3 de 3 nm. A caracterização elétrica dos contatos apresenta um caráter assimétrico, semelhante a um diodo túnel, sendo resultante de componentes de contato túnel, associadas a possível formação de cargas e, também, condução via pinholes, assim como efeitos da geometria dos contatos. / In this work, we report the devices constructions and a detailed investigation of the structural and chemical characteristics of thin evaporated Al2O3 tunnel barriers of variable thickness grown onto single-layer graphene sheets. Advanced electron microscopy (HRTEM, STEM) and spectrum-imaging techniques were used to investigate the Co/Al2O3/graphene/SiO2 interfaces. Direct observation of pinhole contacts was achieved using FIB cross-sectional lamellas. Spatially resolved EDX spectrum profiles confirmed the presence of direct point contacts between the Co layer and the graphene. The chemical nature of the Al2O3 barriers was also analyzed using electron energy loss spectroscopy (EELS). On the whole, the high surface diffusion properties of graphene led to Volmer-Weber-like Al2O3 film growth, limiting the minimal possible thickness for complete barrier coverage onto graphene surfaces using standard Al evaporation methods. The results indicate a minimum thickness of nominally 3 nm Al2O3, resulting in a 0.6 nm rms rough film with a maximum thickness reaching 5 nm. The electrical characterization of the device contacts seems to be a resultant of tunneling contact behavior associated to charge trapping,pinhole contacts and geometry of the contacts.

Neste trabalho é apresentado em detalhe a fabricação de dispositivos com contato túnel em grafeno, com foco nas caracterizações físico-químicas de barreiras túnel de Al2O3, crescidas sobre grafeno. Uma investigação detalhada das interfaces Co/Al2O3/grafeno é apresentada. Técnicas de caracterização tais como Raman, AFM, HRTEM, STEM, EDX, EELS são utilizadas, assim como processos de nanofabricação de dispositivos via litografia por feixe de elétrons. Os resultados mostram o crescimento de barreira via nucleação de clusters tipo Volmer-Weber e a existência de contatos Co/grafeno via pinholes através da barreira. A fabricação de barreiras finas com espessura nominal de 1 nm resulta no recobrimento parcial do grafeno por camadas com espessura atingindo cerca de 4 nm. A espessura mínima de barreira para a cobertura total da superfície do grafeno é alcançada através da deposição nominal de uma camada de Al2O3 de 3 nm. A caracterização elétrica dos contatos apresenta um caráter assimétrico, semelhante a um diodo túnel, sendo resultante de componentes de contato túnel, associadas a possível formação de cargas e, também, condução via pinholes, assim como efeitos da geometria dos contatos. / In this work, we report the devices constructions and a detailed investigation of the structural and chemical characteristics of thin evaporated Al2O3 tunnel barriers of variable thickness grown onto single-layer graphene sheets. Advanced electron microscopy (HRTEM, STEM) and spectrum-imaging techniques were used to investigate the Co/Al2O3/graphene/SiO2 interfaces. Direct observation of pinhole contacts was achieved using FIB cross-sectional lamellas. Spatially resolved EDX spectrum profiles confirmed the presence of direct point contacts between the Co layer and the graphene. The chemical nature of the Al2O3 barriers was also analyzed using electron energy loss spectroscopy (EELS). On the whole, the high surface diffusion properties of graphene led to Volmer-Weber-like Al2O3 film growth, limiting the minimal possible thickness for complete barrier coverage onto graphene surfaces using standard Al evaporation methods. The results indicate a minimum thickness of nominally 3 nm Al2O3, resulting in a 0.6 nm rms rough film with a maximum thickness reaching 5 nm. The electrical characterization of the device contacts seems to be a resultant of tunneling contact behavior associated to charge trapping,pinhole contacts and geometry of the contacts.

Neste trabalho apresentamos um estudo sistemático da transmissão da radiação eletromagnética em um conjunto de fendas metálicas individuais depositadas em substratos de vidro BK7 com larguras abaixo do comprimento de onda da luz incidente. As fendas foram obtidas através da evaporação térmica de prata e ouro sobre um substrato dielétrico (vidro BK7). A fabricação das fendas foi feita de forma direta através de um equipamento de feixe de íons de Gálio (FEI Quanta 3D). A transmissão óptica das fendas foi estudada com radiação laser para os comprimentos de onda de 488 nm e 632.8 nm. Observouse uma oscilação de intensidade na transmissão devido ao efeito de interferência dos surface plasmon polariton (SPP) gerados na superfície metálica como função da espessura do filme metálico. Os resultados experimentais obtidos foram confrontados com simulações computacionais, via método de elementos finitos, a partir das quais pode se compreender os mecanismos de propagação da radiação na estrutura em questão, e compará-los com detalhes da fabricação de fendas. Procedimento similar foi realizado ao variar a largura das mesmas. Também foi feita a análise da transmissão óptica em fendas fabricadas em filmes constituídos por camadas alternadas de prata e ouro, a fim de comparar como tal mudança na configuração da estrutura afeta os resultados anteriores. O trabalho serviu para mostrar que as dimensões dos filmes metálicos, assim como das fendas, apresentavam grande influência nas propriedades de transmissão e, além do que foi possível conferir diversos conceitos básicos da teoria eletromagnética num sistema relativamente simples. A compreensão dessas propriedades é fundamental para o desenvolvimento de futuros dispositivos que utilizam efeitos plasmônicos. / This work presents a systematic study of the transmission of electromagnetic radiation on a set of single metallic slits metallic with widths below the wavelength of incident light, deposited on BK7 glass substrates. The slits were obtained by thermal evaporation of silver and gold on a dielectric (BK7 glass). The fabrication of the slits was performed directly through a gallium ion beam equipment (FEI Quanta 3D). The optical transmission of the slits was studied by laser radiation for the wavelengths of 488 nm and 632.8 nm. An oscillation in the transmission intensity was observed due to the interference effect of the surface plasmon polariton (SPP) generated on the metallic surface as a function of the metal film thickness. The experimental results were compared with computational simulations, via finite element method, in order to comprehend the mechanisms of radiation propagation in the structure and compare them with details of slits fabrication. A similar procedure was performed by varying the width of the slits. An analagous analysis of the optical transmission in slits fabricated in films consisting of alternating layers of silver and gold was performed in order to compare how this change in structure configuration affects the previous results. The work served to show that the dimensions of the metal films, as well as of the slits, have a significant influence on the properties of transmission, and, moreover it was possible to confer different basic concepts of electromagnetic theory in a relatively simple system. Understanding these properties is fundamental for the development of future devices that make use of plasmonics effects.

Neste trabalho é apresentado em detalhe a fabricação de dispositivos com contato túnel em grafeno, com foco nas caracterizações físico-químicas de barreiras túnel de Al2O3, crescidas sobre grafeno. Uma investigação detalhada das interfaces Co/Al2O3/grafeno é apresentada. Técnicas de caracterização tais como Raman, AFM, HRTEM, STEM, EDX, EELS são utilizadas, assim como processos de nanofabricação de dispositivos via litografia por feixe de elétrons. Os resultados mostram o crescimento de barreira via nucleação de clusters tipo Volmer-Weber e a existência de contatos Co/grafeno via pinholes através da barreira. A fabricação de barreiras finas com espessura nominal de 1 nm resulta no recobrimento parcial do grafeno por camadas com espessura atingindo cerca de 4 nm. A espessura mínima de barreira para a cobertura total da superfície do grafeno é alcançada através da deposição nominal de uma camada de Al2O3 de 3 nm. A caracterização elétrica dos contatos apresenta um caráter assimétrico, semelhante a um diodo túnel, sendo resultante de componentes de contato túnel, associadas a possível formação de cargas e, também, condução via pinholes, assim como efeitos da geometria dos contatos. / In this work, we report the devices constructions and a detailed investigation of the structural and chemical characteristics of thin evaporated Al2O3 tunnel barriers of variable thickness grown onto single-layer graphene sheets. Advanced electron microscopy (HRTEM, STEM) and spectrum-imaging techniques were used to investigate the Co/Al2O3/graphene/SiO2 interfaces. Direct observation of pinhole contacts was achieved using FIB cross-sectional lamellas. Spatially resolved EDX spectrum profiles confirmed the presence of direct point contacts between the Co layer and the graphene. The chemical nature of the Al2O3 barriers was also analyzed using electron energy loss spectroscopy (EELS). On the whole, the high surface diffusion properties of graphene led to Volmer-Weber-like Al2O3 film growth, limiting the minimal possible thickness for complete barrier coverage onto graphene surfaces using standard Al evaporation methods. The results indicate a minimum thickness of nominally 3 nm Al2O3, resulting in a 0.6 nm rms rough film with a maximum thickness reaching 5 nm. The electrical characterization of the device contacts seems to be a resultant of tunneling contact behavior associated to charge trapping,pinhole contacts and geometry of the contacts.

Orientadores: Gilberto Medeiros Ribeiro, Jose A. Brum / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T11:03:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FernandezSiles_PabloRoberto_M.pdf: 9728988 bytes, checksum: 0fd358f0e4752f26b8ebfa6e4a5e3c5a (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: A Oxidação anódica local em substratos tanto semicondutores quanto metálicos através do Microscópio de Força Atômica tem surgido ao longo dos últimos anos como uma das técnicas de litografia mais confiáveis e versáteis para a fabricação de dispositivos e estruturas em escala nanométrica. Embora aspectos fundamentais, como a dinâmica envolvida no processo de oxidação anódica em relação a diferentes parâmetros de controle, é ainda objeto de estudo. Pretende-se neste trabalho realizar uma caracterização de diferentes processos de litografia por AFM, com o objetivo de obter um melhor entendimento da cinética envolvida na oxidação assim como também determinar e quantificar a influência dos principais parâmetros de controle envolvidos no processo. Através de um processo de oxidação dinâmico, onde a ponta do microscópio encontra-se em movimento sobre a superfície da amostra durante o processo de oxidação, são determinadas as taxas de formação das estruturas de óxido em relação a parâmetros como a tensão aplicada na interface ponta-amostra, a umidade e a velocidade de varredura do microscópio. Finalmente, implementa-se a técnica para a fabricação de dispositivos em pequena escala. A construção de dispositivos passa por duas etapas de litografia, uma de ajuste grosso de padrões microscópicos, uma de ajuste fino onde linhas e demais geometrias são gravadas em uma escala de dezenas de nanômetros. O objetivo neste trabalho é de se fazer ambos os passos, sendo que a litografia fina será realizada por litografia por oxidação anódica local através do microscópio de força atômica. Para a definição das estruturas em escala nanométrica é proposta aqui, uma estrutura de duas camadas (PMMA-Ge), utilizada como resist. O sistema a ser estudado centra-se primeiramente nos pontos quânticos auto-formados (QDs). Pretende-se, em se integrando esta litografia e o crescimento de QDs, reunir o melhor de cada um destes processos, a precisão da litografia por oxidação anódica local e as propriedades eletrônicas limpas dos QDs, de maneira a estudar as propriedades eletrônicas de um pequeno número de QDs isolados / Abstract: Local Anodic Oxidation of conducting and non-conducting substrates by means of Atomic Force Microscopy has raised in the last years as a solid and versatile lithographic technique for fabrication of devices and structures in a nanometric scale. Although, fundamental aspects, as the kinetics involved during the oxidation, are still under study. The objective of this work is to develop a characterization process of this AFM lithographic technique aiming not only to obtain a better understanding of the kinetics involved in the oxidation process but also be able to determine and quantify the influence of the main processing parameters that control the anodic oxidation reaction in the probe-sample interface. By means of a dynamic oxidation process, where the AFM probe is scanning the sample's surface during the oxidation process, we determine the volumetric growth rates of the oxide patterns as a function of the applied voltage in the probe-sample interface, the humidity and the scanning rate of the microscope. As an example of the potential of this technique, it is implemented for the fabrication of devices in a sub-micrometric scale.The fabrication of nano-scaled devices is developed by means of two stages of lithography, first a course adjustment of microscopic patterns and then a fine adjustment where lines and other geometries are patterned in a scale of dezens of nanometers. The goal of this work is to develop both processes. Fine lithography will be done by means of local anodic oxidation (LAO oxidation) with an Atomic Force Microscopy (AFM). A two-layer (PMMA-Ge) resist structure is proposed here for de½nition of structures in a nanometric scale. The system to be studied is essentially based on the self-assembled quantum dots (QDs). The idea of the implementation of LAO oxidation and growth of QDs is to obtain the best performance of each of these processes, the high precision of local anodic lithography and the clean electronic properties of the QDs, aiming to study electronic properties of a small number of isolated QDs / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física