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.

Na presente tese de doutorado, foram exploradas possibilidades para a aplicação de nanopartículas (NPs) metálicas plasmônicas (fenômenos ópticos intensificados) em processos de fotocatálise e em células solares de Si. Estratégias foram exploradas para a imobilização das NPs plasmônicas em TiO2 Degussa P25 (mistura anatase:rutila 4:1) para captação da radiação eletromagnética UV/visível e somente visível em processos fotocatalíticos; e de NPs de Cu em células solares de Si para processos de fotoconversão, contribuindo com a compreensão dos fenômenos de intensificação local de energia mediados pelas NPs, o qual ainda está em debate no cenário científico. Compósitos de P25+NPs Ag de diferentes arquiteturas (fios, esferas e fotorreduzidas), de P25+NPs Ag recoberta com uma camada de SiO2 e de P25+NPs Au foram desenvolvidos. A caracterização dos materiais foi realizada por meio de técnicas de espectroscopia UV-VIS, IR e Raman, área superficial, DRX e de microscopia eletrônica de varredura e de transmissão. Os efeitos das propriedades plasmônicas dessas nanopartículas foram avaliados na eficiência de fotodegradação de três corantes (alizarina vermelha S, vermelho do Congo e fenossafranina) e de fenol. Todos os materiais plasmônicos apresentaram bom desempenho catalítico, aumentando consideravelmente a velocidade e a porcentagem de fotodegradação sob radiação UV/visível, mas principalmente sob radiação visível (onde a fotodegradação catalisada por P25 é limitada). A comparação entre a fotodegradação de fenol pelo compósito P25+NPs Ag esferas e P25+NPs Ag@SiO2 permitiu concluir que a transferência de carga não é o fenômeno que governa o aumento da eficiência catalítica em comparação à fotodegradação catalisada por P25. O fenômeno de intensificação de radiação eletromagnética localizada por meio de LSPR foi observado também em células solares de silício de primeira geração (wafer) contendo NPs de Cu imobilizadas em sua superfície. Aumentos na densidade de corrente de curto-circuito de cerca de 8 % na região acima de 750 nm e de até 16% na potência destas células solares foram observados. / In this thesis, we explored possibilities for the application of metallic plasmonic nanoparticles (NPs) resulting in intensified optical phenomena processes in photocatalysis and Si solar cell. Different strategies were explored for the immobilization of plasmonic NPs on TiO2 Degussa P25 (mixture anatase: rutile 4:1) to capture electromagnetic radiation UV / visible and visible only in photocatalytic processes; and Cu NPs in Si solar cell for photoconversion processes, contributing with the understanding of the phenomena related to the localized ressonance energy mediated by NPs, which is still under debate in the scientific field. Composites of P25+Ag NPs of various architectures (wires, spheres and photoreduced) P25+Ag NPs coated with a layer of SiO2 and P25+Au NPs were developed. The material characterization was performed by means of UV-VIS, IR and Raman spectroscopies, BET surface area, XRD and scanning and transmission electron microscopy. The effects of plasmonic nanoparticles properties were evaluated in the photodegradation efficiency of three textile dyes (Alizarin Red S, Congo red and phenosafranine) and phenol. All plasmonic materials showed good catalytic performance, greatly increasing the kinetic and percentage of photodegradation under UV/visible, but mostly under visible light (where the photodegradation catalyzed by P25 is limited). The comparison between the photodegradation of phenol by P25+Ag sphere NPs and P25+Ag@SiO2 composite showed that the charge transfer is not the phenomenon that governs the increase in catalytic efficiency when compared to the photodegradation catalyzed by P25. The phenomenon of near field intensification through LSPR was also observed in first generation Si solar cells (wafer) containing Cu NPs immobilized on its surface. Increases in the short-circuit current density of about 8% in the region above 750 nm and up to 16% in the power of these solar cells were observed.

Na presente tese de doutorado, foram exploradas possibilidades para a aplicação de nanopartículas (NPs) metálicas plasmônicas (fenômenos ópticos intensificados) em processos de fotocatálise e em células solares de Si. Estratégias foram exploradas para a imobilização das NPs plasmônicas em TiO2 Degussa P25 (mistura anatase:rutila 4:1) para captação da radiação eletromagnética UV/visível e somente visível em processos fotocatalíticos; e de NPs de Cu em células solares de Si para processos de fotoconversão, contribuindo com a compreensão dos fenômenos de intensificação local de energia mediados pelas NPs, o qual ainda está em debate no cenário científico. Compósitos de P25+NPs Ag de diferentes arquiteturas (fios, esferas e fotorreduzidas), de P25+NPs Ag recoberta com uma camada de SiO2 e de P25+NPs Au foram desenvolvidos. A caracterização dos materiais foi realizada por meio de técnicas de espectroscopia UV-VIS, IR e Raman, área superficial, DRX e de microscopia eletrônica de varredura e de transmissão. Os efeitos das propriedades plasmônicas dessas nanopartículas foram avaliados na eficiência de fotodegradação de três corantes (alizarina vermelha S, vermelho do Congo e fenossafranina) e de fenol. Todos os materiais plasmônicos apresentaram bom desempenho catalítico, aumentando consideravelmente a velocidade e a porcentagem de fotodegradação sob radiação UV/visível, mas principalmente sob radiação visível (onde a fotodegradação catalisada por P25 é limitada). A comparação entre a fotodegradação de fenol pelo compósito P25+NPs Ag esferas e P25+NPs Ag@SiO2 permitiu concluir que a transferência de carga não é o fenômeno que governa o aumento da eficiência catalítica em comparação à fotodegradação catalisada por P25. O fenômeno de intensificação de radiação eletromagnética localizada por meio de LSPR foi observado também em células solares de silício de primeira geração (wafer) contendo NPs de Cu imobilizadas em sua superfície. Aumentos na densidade de corrente de curto-circuito de cerca de 8 % na região acima de 750 nm e de até 16% na potência destas células solares foram observados. / In this thesis, we explored possibilities for the application of metallic plasmonic nanoparticles (NPs) resulting in intensified optical phenomena processes in photocatalysis and Si solar cell. Different strategies were explored for the immobilization of plasmonic NPs on TiO2 Degussa P25 (mixture anatase: rutile 4:1) to capture electromagnetic radiation UV / visible and visible only in photocatalytic processes; and Cu NPs in Si solar cell for photoconversion processes, contributing with the understanding of the phenomena related to the localized ressonance energy mediated by NPs, which is still under debate in the scientific field. Composites of P25+Ag NPs of various architectures (wires, spheres and photoreduced) P25+Ag NPs coated with a layer of SiO2 and P25+Au NPs were developed. The material characterization was performed by means of UV-VIS, IR and Raman spectroscopies, BET surface area, XRD and scanning and transmission electron microscopy. The effects of plasmonic nanoparticles properties were evaluated in the photodegradation efficiency of three textile dyes (Alizarin Red S, Congo red and phenosafranine) and phenol. All plasmonic materials showed good catalytic performance, greatly increasing the kinetic and percentage of photodegradation under UV/visible, but mostly under visible light (where the photodegradation catalyzed by P25 is limited). The comparison between the photodegradation of phenol by P25+Ag sphere NPs and P25+Ag@SiO2 composite showed that the charge transfer is not the phenomenon that governs the increase in catalytic efficiency when compared to the photodegradation catalyzed by P25. The phenomenon of near field intensification through LSPR was also observed in first generation Si solar cells (wafer) containing Cu NPs immobilized on its surface. Increases in the short-circuit current density of about 8% in the region above 750 nm and up to 16% in the power of these solar cells were observed.

The harvesting of solar light is one of the main challenges in science. The outstanding optical properties of plasmonic in the visible and near-infrared ranges due to the localized surface plasmon resonance (SPR) has emerged as a promising approach for the solar-tochemical energy conversion. Specifically, it has been demonstrated that the SPR excitation in the visible range in silver (Ag) and gold (Au) nanoparticles can drive and accelerate chemical transformations. This field, coined plasmonic catalysis, enables one to merge catalytic and optical properties in the nanoscale and use visible or near-infrared light as a sustainable energy input to accelerate molecular transformations. In the first part of this thesis. we developed Au branched nanostructures to be employed as plasmonic catalysts. In this case, we aimed at investigating the effect of the sharp tips at their surface over their plasmonic catalytic performance, as it is established that tips can concentrate higher electric field enhancements relative to rounded surfaces as a result of the lightning rod effect, which, in turn, can translate into higher plasmonic catalytic performances. Here, the plasmonic-catalytic performances were tested using the SPR mediated oxidation of paminothiophenol and benzylamine as model transformations. While the Ag and Au nanoparticles support LSPR excitation in the visible and near-infrared ranges, their catalytic properties are limited in terms of versatility. Conversely, metals that are important in catalysis, such as palladium Pd, do not support SPR excitation in the visible or near-infrared range. In the second part of this thesis, we developed multimetallic nanoparticle morphologies, composed of both Au and Pd, that enabled us to marry catalytic and plasmonic component in order to address this challenge. We focused on plasmonic core-catalytic shell structures, in which the shell displayed a branched morphology. Parameters such as shell thickness could be controlled, and structure performance relationships were established towards the methanol electro-oxidation under plasmonic excitation. / O aproveitamento da luz solar é um dos principais desafios da ciência. As excepcionais propriedades óticas plasmônicas nas regiões do visível e do infravermelho próximo, devido a ressonância plasmônica de superfície localizada (SPR), surgiram como uma abordagem promissora para conversão de energia solar em energia química. De maneira mais específica, vem sendo demonstrado que a excitação SPR na região do visível em nanopartículas de prata (Ag) e ouro (Au) podem conduzir e acelerar transformações químicas. Esse campo, chamado catálise plasmônica, permite a fusão de propriedades óticas e catalíticas na nanoescala e a utilização de luz visível ou infravermelha próxima como uma fonte de energia para acelerar transformações moleculares. Na primeira parte desta dissertação, nós desenvolvemos nanoestruturas de ouro ramificadas para serem empregadas em catálise plasmônica. Neste caso, nosso foco era investigar o efeito de pontas afiadas em sua superfície sobre seu desempenho catalítico plasmônico, visto que está bem estabelecido que pontas podem concentrar maiores intensificações de campo elétrico em relação a superfícies arredondadas como resultado do \"efeito para-raios\" o que, por sua vez, pode se traduzir em maiores desempenhos em catálise plasmônica. O desempenho da catálise plasmônica foi testado através da oxidação mediada por SPR do p-aminotiofenol e da benzilamina como reações modelo. Contudo, enquanto nanopartículas de prata e ouro apresentam excitação SPR nas regiões do visível e infravermelho próximo, suas propriedades catalíticas são limitadas em termos de versatilidade. Por outro lado, metais que são importantes em catálise, como o paládio, não apresentam excitação SPR no visível e infravermelho próximo. Por isso, na segunda parte desta dissertação, nós desenvolvemos nanopartículas multimetálicas, compostas de Au e Pd, que nos permitem unir os componentes catalíticos e plasmônicos com o objetivo de enfrentar este desafio. Nós focamos em estruturas do tipo core-shell, com núcleos plasmônicos e cascas catalíticas, na qual a casca apresenta morfologia ramificada. Paramêtros como a espessura da casca puderam ser controlados, e a relação estruturaperformance foi estabelecida através da eletro-oxidação do metanol sobre excitação plasmônica.

A plasmônica tem chamado atenção nos últimos anos como um candidato viável para substituir a indústria eletrônica, assim como interação dos plásmons com a matéria devido a suas propriedades exóticas. O confinamento destes plásmons de superfície em nanoestruturas metálicas fabricadas com técnicas de litografia óptica, eletrônica e de íons cada vez mais avançadas, abriu a possibilidade de desenvolver vários modelos de dispositivos ópticos que trabalham na região do visível. Além disso, o estudo da interação de plásmons poláritons de superfície com emissores quânticos nas proximidades de nanoestruturas metálicas permite manipular as propriedades tanto dos plásmons como dos emissores quânticos. Tanto a preparação como a análise de amostras em plasmônica necessitam de técnicas capazes de investigar sistemas em nanoescala. Neste trabalho, investigamos a interação de plásmon poláritons confinados numa superfície de ouro com átomos artificiais, i.e. os emissores quânticos são pontos quânticos numa matriz de InAs/GaAs. Para isso, empregamos a análise da interação dos plásmons confinados numa grade metálica, com dimensões características abaixo do comprimento de onda da luz utilizada, assim como um sistema simples composto por uma na camada de ouro capaz de confinar plásmons em duas dimensões. A análise da interação com os estados de energia dos éxcitons nos pontos quânticos foi feita empregando medidas de micro-fotoluminescência a 77K e medidas de tempo de vida. Nos sistemas compostos pelas grades metálicas, observamos que é possível manipular a relação do espectro de luminescência correspondente a cada estado de energia do éxciton. Já no sistema composto pelo filme metálico simples, foi possível modificar o tempo de vida do estado fundamental do éxciton apenas modificando o cap layer da camada de pontos quânticos. / Plasmonics has drawn attention in recent years as a viable candidate to replace the electronics industry, as well as the interaction of plasmons with matter due to its exotic properties. The confinement of these surface plasmons in metal nanostructures made of increasingly advanced optical, electronic and ionic lithography techniques, opened the possibility of developing various models of optical devices working in the visible spectrum. Moreover, the study of interaction of surface plasmon polaritons with quantum emitters nearby metallic nanostructures opens a path to manipulate the properties of both plasmons and the quantum emitters. Both the preparation and analysis of samples in plasmonics require techniques capable of investigating nanoscale systems. In this thesis, we investigate the interaction of plasmon polaritons confined to a golden metallic surface with artificial atoms, i.e. quantum emitters consisting of quantum dots in a matrix of InAs/GaAs. For this, we used the analysis of the interaction of plasmons confined in a metallic grating with characteristic dimensions below the wavelength of light used, as well as a simple system composed of a thin gold layer which can confine plasmons in two dimensions. The analysis of the interaction with the exciton energy states in quantum dots was made using micro-photoluminescence measurements at 77 K and lifetime measurements. In systems composed by metal gratings, we note that it is possible to manipulate the relationship of the corresponding luminescence spectrum for each exciton energy state. In the system composed of the simple metal lm, it was possible to modify the ground state lifetime of the exciton only modifying the cap layer of the quantum dot layer.

Nanocatalysis has emerged in the last decades as an interface between homogeneous and heterogeneous catalysis, offering simple solutions to problems that conventional materials have not been able to solve. In fact, nanocatalyst design permits to obtain structures with high superficial area, reactivity and stability, and at the same time presenting good selectivity and facility of separation from reaction mixtures. In this work, we prepared hybrid structures comprising gold, palladium and silver nanoparticles (Au, Pd and Ag NPs), titanate nanosheets (TixO2), graphene oxide (GO), and partially reduced graphene oxide (prGO). We focused on bi- and tri-components hybrids, namely TixO2, M/(pr)GO and M/TixO2/(pr)GO (M = Au, Pd or Ag) and developed facile, versatile and environment-friendly preparation methods with an emphasis on control over physicochemical features such as size, shape and composition. In order to exploit the catalytic applications, we employed the reduction of 4-nitrophenol as a model reaction, followed by visible-light assisted oxidation of p-aminothiophenol (PATP). With these tests, we unraveled metal-support interactions and cooperative effects that render hybrid structures superior to their individual counterparts. / A nanocatálise surgiu nas últimas décadas como uma interface entre catálise homogênea e heterogênea, oferecendo soluções simples a problemas que os materiais convencionais não conseguiram resolver. De fato, o design de nanocatalisadores permite obter estruturas com grande área superficial, reatividade e estabilidade, e ao mesmo tempo apresentando boa seletividade e facilidade de separação de misturas reacionais. Neste trabalho apresentamos a preparação de estruturas híbridas compostas por nanopartículas de ouro, paládio e prata (Au, Pd e Ag NPs), nanofolhas de titanato (TixO2), óxido de grafeno (GO) e óxido de grafeno parcialmente reduzido (prGO). Focamos em híbridos do tipo M/TixO2, M/(pr)GO e M/TixO2/(pr)GO (M = Au, Pd ou Ag) e desenvolvemos métodos de preparação simples, versáteis e ambientalmente amigáveis, com ênfase no controle sobre tamanho, forma e composição. Para explorar as potencialidades catalíticas utilizamos a redução do 4-nitrofenol como reação modelo, e em seguida a oxidação assistida por luz do p-aminotiofenol (PATP). Com esses testes, investigamos interações metal-suporte e efeitos cooperativos que tornam as estruturas hibridas superiores a cada um dos materiais que as compõem.

Nanocatalysis has emerged in the last decades as an interface between homogeneous and heterogeneous catalysis, offering simple solutions to problems that conventional materials have not been able to solve. In fact, nanocatalyst design permits to obtain structures with high superficial area, reactivity and stability, and at the same time presenting good selectivity and facility of separation from reaction mixtures. In this work, we prepared hybrid structures comprising gold, palladium and silver nanoparticles (Au, Pd and Ag NPs), titanate nanosheets (TixO2), graphene oxide (GO), and partially reduced graphene oxide (prGO). We focused on bi- and tri-components hybrids, namely TixO2, M/(pr)GO and M/TixO2/(pr)GO (M = Au, Pd or Ag) and developed facile, versatile and environment-friendly preparation methods with an emphasis on control over physicochemical features such as size, shape and composition. In order to exploit the catalytic applications, we employed the reduction of 4-nitrophenol as a model reaction, followed by visible-light assisted oxidation of p-aminothiophenol (PATP). With these tests, we unraveled metal-support interactions and cooperative effects that render hybrid structures superior to their individual counterparts. / A nanocatálise surgiu nas últimas décadas como uma interface entre catálise homogênea e heterogênea, oferecendo soluções simples a problemas que os materiais convencionais não conseguiram resolver. De fato, o design de nanocatalisadores permite obter estruturas com grande área superficial, reatividade e estabilidade, e ao mesmo tempo apresentando boa seletividade e facilidade de separação de misturas reacionais. Neste trabalho apresentamos a preparação de estruturas híbridas compostas por nanopartículas de ouro, paládio e prata (Au, Pd e Ag NPs), nanofolhas de titanato (TixO2), óxido de grafeno (GO) e óxido de grafeno parcialmente reduzido (prGO). Focamos em híbridos do tipo M/TixO2, M/(pr)GO e M/TixO2/(pr)GO (M = Au, Pd ou Ag) e desenvolvemos métodos de preparação simples, versáteis e ambientalmente amigáveis, com ênfase no controle sobre tamanho, forma e composição. Para explorar as potencialidades catalíticas utilizamos a redução do 4-nitrofenol como reação modelo, e em seguida a oxidação assistida por luz do p-aminotiofenol (PATP). Com esses testes, investigamos interações metal-suporte e efeitos cooperativos que tornam as estruturas hibridas superiores a cada um dos materiais que as compõem.