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Magíster en Ciencias, Mención Física / En este trabajo se presenta la teoría para estudiar los modos de oscilación de plasmones y magnones en un lm geométricamente modulado y se analiza la respuesta de la polarización y magnetización, respectivamente, al aplicar un campo externo paralelo al eje de simetría de la perturbación. La geometría en cuestión corresponde a un lm delgado ferromagnético para el análisis de los magnones y dieléctrico en el caso de los plasmones. El lm posee una modulación periódica de sus superficies en una cierta dirección. El estudio se realizó suponiendo que la escala relevante de la nano-estructura, en este caso el ancho del lm, es pequeña en comparación con la longitud de onda de la radiación incidente, esto corresponde al límite estático. En este caso se pueden despreciar los efectos de retardo, no existen efectos inductivos y los problemas eléctricos y magnéticos se desacoplan y por lo tanto se pueden estudiar las respuestas plasmonicas y magnonicas separadamente. Utilizando elementos de variable compleja se obtuvieron ecuaciones integrales para los potenciales electro-estáticos y magneto-estáticos en el borde de la muestra; luego, utilizando una base adecuada para la descripción del potencial en el borde las ecuaciones integrales se transforman en un problema matricial de valores y vectores propios. Los potenciales en el interior y exterior de la estructura y la respuesta a un campo externo se pueden obtener integrando adecuadamente el potencial en el borde. La ventaja al utilizar ecuaciones integrales es que se pueden resolver geometrias complejas. Se realizaron simulaciones numéricas para estudiar los modos normales en el caso plasmónico y magnónico. Los modos estudiados se propagan perpendicularmente a la perturbación de la superficie. La periodicidad de la geometría genera modos de Bloch análogos a los que se encuentran para electrones en redes cristalinas periódicas y se puede apreciar la aparición de bandas prohibidas. Para perturbaciones geométricas sinusoidales de pequeña amplitud se puede calcular analíticamente el ancho de las bandas permitiendo el diseño de dispositivos que cumplan ciertos requerimientos.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ciencia de los Materiales / Esta tesis consiste en el uso de la proteína ferritina para la síntesis de nanopartículas plasmónicas y magnéticas en su cavidad, estudiándose el efecto de las condiciones de síntesis de estos materiales sobre las propiedades ópticas, magnéticas y estructurales del sistema resultante. El trabajo está dividido en cinco etapas: i) El estudio de la proteína ferritina como material de partida, ii) la formación de apoferritina, iii) la síntesis de nanoestructuras de oro en la cavidad de la proteína, iv) la formación de óxidos de hierro magnéticos dentro de la proteína y v) la carga mixta de nanoestructuras de oro y óxidos de hierro en la cavidad. En el estudio inicial de la proteína se establece la coexistencia de agregados y monómeros de ferritina, en que el contenido de hierro en la cavidad está relacionado con la existencia de especies oligoméricas. Por otro lado, el núcleo de óxido de hierro presente en la cavidad corresponde a una mezcla de diversos tipos de óxidos con un comportamiento antiferromagnético. Con el propósito de obtener apoferritina, se evaluaron distintas condiciones para la remoción de los óxidos de hierro nativos presentes en la proteína, resultando en un protocolo que permite la remoción casi total del hierro, conservando su integridad estructural. A su vez se observa que las propiedades ópticas de la proteína dependen del contenido de hierro. La síntesis de nanoestructuras de oro en la cavidad de la proteína mediante la adición y reducción controlada del oro permite obtener partículas monodispersas. Sintetizándose inicialmente cúmulos o clusters de oro, los que presentan fluorescencia y posteriormente las nanopartículas de oro, las que exhiben el plasmón de resonancia superficial. La formación de óxidos de hierro magnéticos en la cavidad de la proteína fue obtenida mediante la adición y oxidación controlada de hierro, produciendo una mezcla de óxidos magnéticos cuya proporción depende principalmente del contenido de hierro y del pH del proceso. La carga mixta y secuencial de clusters de oro y de óxidos de hierro genera moléculas de proteína en las cuales coexisten ambas nanoestructuras, conservándose las propiedades magnéticas. La existencia de clusters de oro limita el proceso de incorporación del hierro.

Los plasmones describen las oscilaciones colectivas de la densidad del gas de electrones libres. Estos son capaces de interactuar, al igual que otras cuasipartículas, con los fotones para dar origen a nuevos tipos de cuasipartículas. De todas ellas, los Surface Plasmon en interfaces planas metaldieléctrico o en nanopartículas metálicas han recibido considerable interés por parte de la comunidad científica debido a sus propiedades ópticas difícilmente alcanzables con otros materiales ópticos. En adición, el campo eléctrico asociado con los Surface Plasmon en nanopartículas mejora significativamente variando las propiedades físicas de la propia nanopartícula o el medio que lo rodea. Actualmente, estas ventajas se utilizan en el campo de la medicina y el estudio de procesos biológicos, las cuales requieren de instrumentos de detección que posean una alta sensibilidad. Por ello, se han utilizado plasmones para desarrollar nuevas técnicas de contraste de imágenes, etiquetado celular, sensores con alta sensibilidad, tratamiento térmico para cáncer entre otros. En adición, el campo eléctrico mejorado alrededor de un grupo de nanopartículas permite mejorar las señales Raman para desarrollar SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy). Por ello, los plasmones ofrecen nuevas posibilidades en Biomedicina para desarrollar nuevas técnicas de detección o tratamiento que compitan con los enfoques convencionales como el ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas (ELISA), la aglutinación de látex (LA) y los tratamientos o métodos de detección para diferentes tipos de cáncer. Esto demuestra que el uso de plasmones en el campo de la Biomedicina tiene bastante relevancia para aplicaciones futuras.

L'enginyeria de les propietats plasmòniques de les nanoestructures metàl·liques requereix un control acurat de les seves formes i distribució. Això normalment s'aconsegueix amb l'ús de la litografia per feix d'electrons sobre polímers electro-sensibles combinat amb la deposició de capes fines de metall i el lift-off. La deposició directa i localitzada de metalls induïda per un feix d'electrons (FEBID per Focused Electron Beam Induced Deposition) és un mètode alternatiu querecentment ha rebut un interès creixent en microelectrònica però encara no ha despertat massa atenció dins la comunitat d'òptica. L'FEBID és el resultat de la descomposició local, per un feixd'electrons focalitzat, de les molècules d'un precursor adsorbides sobre una superfície. Aquesta s'ha aplicat majoritàriament en la escriptura directa de contactes o per a la reparació de circuits, però amb l'ús de metalls nobles podria aprofitar-se per a l'òptica de plasmons.En aquesta tesi es demostra l'ús de l'FEBID per a fabricar nanoestructures d'or per a aplicacions d'òptica de plasmons. S'investiguen els efectes del material del substrat i dels paràmetres de deposició, com ara el corrent del feix i la pressió de vapor d'aigua, sobre el ritme de creixement i la puresa de l'or. S'ha emprat un recuit ex situ de la mostra com a mètode de millora de la puresa. Les mesures òptiques de dispersió sobre les estructures purificades evidencien que suporten plasmons de superfície localitzats. Aquest mètode de fabricació permet el creixement d'estructures plasmòniques amb una elevada relació d'aspecte i ha de facilitar l'escriptura en superfícies no planes com l'extremitat d'una sonda de rastreig allargada. / La ingeniería de las propiedades plasmónicas de las nanoestructuras metálicas requiere un control preciso de sus formas y distribución. Esto normalmente se consigue con el uso de la litografía por haz de electrones sobre polímeros electro-sensibles combinado con la deposición de capas finas de metal y el lift-off. La deposición directa y localizada de metales inducida por un haz de electrones (FEBID por Focused Electron Beam Induced Deposition) es un método alternativo que recientemente ha despertado un interés creciente en microelectrónica pero todavía no ha recibido demasiada atención dentro de la comunidad de óptica. La FEBID es el resultado de la descomposición local, por un haz de electrones focalizado, de las moléculas de un precursor adsorbidas sobre una superficie. Esta se ha aplicado mayoritariamente en la escritura directa de contactos o para la reparación de circuitos, pero con el uso de metales nobles podría ser aprovechada para la óptica de plasmones.En esta tesis se demuestra el uso de la FEBID para fabricar nanoestructuras de oro para aplicaciones de óptica de plasmones. Se investigan los efectos del material del sustrato y de los parámetros de deposición, como la corriente del haz y la presión de vapor de agua, sobre el ritmo de crecimiento y la pureza del oro. Se ha utilizado un recocido ex situ de la muestracomo método de mejora de la pureza. Las medidas ópticas de dispersión sobre las estructuras purificadas evidencian que soportan plasmones de superficie localizados. Este método de fabricación permite el crecimiento de estructuras plasmónicas con una elevada relación de aspecto y tiene que facilitar la escritura en superficies no planas como la extremidad de una sonda de rastreo alargada. / Engineering the plasmon properties of metal nanostructures requires an accurate control on their shapes and distribution. This is conventionally achieved by using electron-beam lithography on electro-sensitive polymers combined with thin-metal-film deposition and lift-off. Direct local deposition of metals induced by a focused electron beam (FEBID for Focused ElectronBeam Induced Deposition) is an alternative method that has been receiving a growing interest in microelectronics but it has not yet received much attention in the optical community. The FEBID is the result of the local decomposition, by a focused electron beam, of precursor molecules adsorbed on a surface. It has mostly been applied to direct-contact writing or to circuit reparation, but can be applied advantageously to plasmon optics when involving noble metals.In this thesis the use of the FEBID to fabricate gold nanostructures for plasmon optics applications is demonstrated. The effects of the substrate material and the deposition parameters, such as beam current and water vapor pressure, on both the deposition rate and the gold purity are investigated. Ex-situ annealing of the sample is used as a purity improvement method. Scattering optical measurements on the purified structures evidence that they support localized surface plasmon resonances. This fabrication method enables to grow high aspect ratio plasmonic structures and to render much easier nano-patterning on non-flat surfaces such as the extremity of an elongated scanning probe.