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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ

PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA

PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA – PIBIC : CNPq, CNPq/AF, UFPA, UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PARD, PIAD,

PIBIT, PADRC E FAPESPA

RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO Período: 08/2014 a 07/2015 ( ) PARCIAL ( x ) FINAL IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinculado o Plano de Trabalho): Nanosensores Plasmônicos para Análise e Caracterização de Biomoléculas e Nanopoluentes Nome do Orientador: Karlo Queiroz da Costa Titulação do Orientador: Doutor Faculdade: Faculdade de Engenharia Elétrica Instituto/Núcleo: Campus Universitário de Tucuruí Laboratório: Laboratório de Eletromagnetismo Título do Plano de Trabalho: Estudo de Elementos Radiadores em Estruturas Multicamadas Nome do Bolsista: Rafael Correia dos Santos Tipo de Bolsa: ( x ) PIBIC/ CNPq

( ) PIBIC/CNPq – AF ( )PIBIC /CNPq- Cota do pesquisador ( ) PIBIC/UFPA ( ) PIBIC/UFPA – AF ( ) PIBIC/ INTERIOR ( )PIBIC/PARD ( ) PIBIC/PADRC ( ) PIBIC/FAPESPA ( ) PIBIC/ PIAD ( ) PIBIC/PIBIT

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INTRODUÇÃO: Processos biológicos geralmente envolvem interações multimoleculares

em escalas nanométricas o que torna difícil de visualizar e estudar através de técnicas convencionais de microscopia. Nanoantenas metálicas e biomoléculas possuem grande potencial como ferramentas para aplicação em nanosensores devido suas propriedades de confinamento e amplificação de campos ópticos em escalas manométricas.

A oscilação coletiva de cargas na fronteira de um dielétrico e de um metal possibilita a propagação de ondas eletromagnéticas cuja frequência se encontra na faixa óptica. Tais ondas são chamadas de SPPs (surface plasmon polaritons) [1], e são guiadas ao longo da interface entre o dielétrico e o metal. A fabricação de nanosistemas que explorem as SPPs possibilita uma canalização eficiente da luz, de forma que haja um aumento significativo no campo elétrico, adequado para uma interação mais forte com metais que possuem permissividade dispersiva e de natureza complexa, como por exemplo, o ouro.

A proposta deste trabalho, a principio, é a simulação de onda plana se propagando, com uma determinada frequência, em diferentes meios, onde na pratica será justificada com a teoria, e em seguida simular a radiação de um nanodipolo infinitesimal sobre a estrutura multicamada. Primeiramente serão realizadas simulações com o fim de aperfeiçoamento do software, que no caso será o COMSOL Multiphysics 4.4 e para efeito de comparações com resultados já conhecidos da literatura e encontrados por bolsistas anteriores com softwares diferentes. Pretende-se fazer um estudo da interação das ondas plasmônicas com o elemento radiador elementar. Com as simulações se poderão retirar valores pertinentes, como por exemplo, o campo elétrico próximo ao condutor, o s-parâmetro, a impedância de entrada e os diagramas de radiação.

JUSTIFICATIVA: Um dos principais desafios encontrados em biologia é entender a relação

entre a estrutura, as funções e as dinâmicas de biomoléculas em seu meio natural, ou seja, biomoléculas de células vivas. Embora a biologia molecular moderna tenha feito grandes progressos na identificação de diferentes componentes de uma célula, tanto no interior e sobre a membrana celular, a observação de processos moleculares em células vivas ainda é um desafio. As principais interações moleculares que definem as funcionalidades de uma célula ocorrem em escala nanométrica, onde técnicas convencionais da óptica não podem ser utilizadas devido ao limite de difração da luz. Para investigar estes processos entre elementos individuais de uma célula, seria necessário reduzir no mínimo três vezes o volume de detecção das técnicas convencionais da óptica.

Por outro lado, os avanços da nanofotônica estão indo na direção de resoluções ópticas além do limite de difração da luz. Neste contexto, tem se tornado cada vez mais importantes às pesquisas de nanofotônica sobre partículas metálicas com pontas agudas, nanopartículas e ressonâncias plasmônicas. Os principais objetivos nestes estudos estão voltados para o aumento da amplificação e do confinamento de radiações ópticas em regiões pequenas (na escala nanométrica). Estes problemas são similares aqueles de

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antenas operando no modo de recepção, onde a radiação eletromagnética incidente é confinada em uma região pequena da antena chamada de feedgap. Devido a esta similaridade que comumente as nanopartículas metálicas são chamadas de antenas ópticas ou nanoantenas. As interessantes propriedades de confinamento e amplificação das antenas ópticas irão trazer um grande impacto em diversas áreas da ciência, inclusive em bio-sensores e bio-imagem.

Com o desenvolvimento recente de modernas técnicas de micro e nano fabricação, como por exemplo, as técnicas de electron-beam lithography (EBL) e focused ion-beam milling (FIB), tem se tornado possível fabricar com boa precisão nanoantenas. Exemplos que têm sido utilizados com sucesso são estruturas planares de nanoantenas sobre substratos de vidro. Exemplos de nanoantenas que são utilizadas nestas estruturas são dipolos retos e dipolos bowtie que possuem pequenos feedgaps em torno de 30nm. Estes dipolos possuem amplificação do campo próximo no feedgap em torno de 1000 vezes maior que partículas isoladas. Esta propriedade de amplificação do campo próximo no pequeno volume do feedgap de nanoantenas dipolos tem possibilitado o estudo de interações entre bio-moléculas altamente concentradas. Também a propriedade de nanoantenas de aumento do confinamento de campo em pequenas regiões aumenta o limite de detecção em algumas ordens de magnitude, possibilitando o monitoramento de reações químicas e biológicas extremamente fracas. É possível também a aplicação de nanoantenas em espectroscopia Raman para moléculas isoladas. Arranjos de nanoantenas podem também ser utilizados sobre substratos onde células biológicas isoladas podem ser depositadas para análise. Neste caso os feedgaps das nanoantenas funcionariam como hot spots de campo, onde a espectroscopia da fluorescência local pode ser investigada. Exemplo destes tipos de nanosensores baseados em nanoantenas é apresentado na Fig. 1a.

Entre as muitas técnicas de microscopia de fluorescência usadas em biologia recentemente tem sido demonstrada uma técnica de imagem baseada no acoplamento ótico entre a luminescência das sondas e os plasmons de superfície que caracterizam a estrutura planar metal-dielétrica onde as células são depositadas [J.R Lacowicz, Radiative decay engineering 5: metal-enhanced fluorescence and plasmon emission, Analytical Biochemistry 337, pp. 171–194, (2005)]. Este particular esquema experimental, comumente chamado por SPCE (Surface Plasmon Coupled Emission), tem a vantagem de aumentar o contraste das imagens obtido através de esquemas mais.

O problema eletromagnético equivalente destes nanosensores plasmônicos pode ser representado por elementos radiadores excitados e situados em estruturas multicamadas. O estudo teórico deste problema pode auxiliar no projeto e otimização da geometria e configuração do nanosensor. Esta análise eletromagnética pode ser realizada através de softwares específicos de simulação eletromagnética, como por exemplo, o Comsol o qual será utilizado neste trabalho. Desta forma justifica-se o desenvolvimento deste plano de trabalho.

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Fig. 1- Mostra o modelo básico da estrutura molecular primeiramente com

a excitação de uma onda plana e posteriormente por uma nanoantena de dipolo infinitesimal

OBJETIVO Objetivo geral O objetivo geral esperado para ser alcançado com o termino do projeto é

a análise numérica através do software Comsol de elementos radiadores em estruturas multicamadas de nanosensores plasmônicos em função do tipo de radiador, polarização, posição e frequência.

Objetivo especifico Para a primeira parte do trabalho, foi realizado o estudo sobre

Nanosensores Plasmônicos através das referências base para o projeto, além de uma revisão sobre os princípios do eletromagnetismo, afim de atualizar o bolsista com o tema proposto. A seguir, o objetivo a ser alcançado foi o aperfeiçoamento do uso do software COMSOL 4.4, para isso foram realizadas simulações a nível iniciante, utilizando tutoriais de antigos bolsistas do laboratório, junto a isso houve a análise das atividades já realizadas pelos mesmos, além de apoio de conteúdos online disponíveis, para melhor compreender os passos para alcançar os objetivos deste projeto. Sendo que o objetivo será a leitura do campo elétrico ao longo das varias estruturas utilizada no projeto, em relação ao campo elétrico próximo também.

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Em outro momento será colocado nanopartículas sobre a primeira superfície para assim simular nanopoluentes da atmosfera, procurando, sempre, o valor com menor reflexão e maior transmissão.

Os próximos objetivos, que fazem parte da segunda fase do projeto, a excitação será uma fonte de tensão que se representará por um nanodipolo infinitesimal. Foi realizado a análise numérica através do uso do software Comsol para diversas situações, iniciando com modelos mais simples de um único meio homogêneo com um dipolo infinitesimal definido propositalmente. Dando continuidade, mais adiante, para a ampliação do caso para uma estrutura multicamada.

Mais adiante, será realizado o estudo de linhas de transmissão ópticas, ou seja, uma revisão bibliográfica dos conceitos aprendidos em sala de aula, além de outros novos que não fazem parte do escopo do curso, para uma análise paramétrica do sistema.

Além desses objetivos referentes ao projeto, tem-se também os fins de qualquer pesquisa, que são o treinamento dos bolsistas com a atividade de pesquisa e a contribuição para o desenvolvimento cientifico como um todo.

Com as etapas bases de início do projeto concluídas, o próximo passo será aperfeiçoar os conhecimentos obtidos até aqui e dar prosseguimento com a análise da resposta eletromagnética para campos próximo nas diferentes camadas e campo distante transmitido e refletido. Além de estudos de casos com diferentes elementos radiadores, polarização, posição e frequência.

MATERIAIS E MÉTODOS: Realizou-se uma revisão das bibliografias bases para o projeto, como o

estudo e princípios da nanoplasmônica, superfícies plasmônicas, índice de reflexão de materiais e reflexão e transmissão de ondas eletromagnéticas. Houve o primeiro contato com o software Comsol, através de tutoriais iniciantes disponíveis no laboratório e no próprio site do Comsol Multiphysics estão disponíveis materiais de apoio.

Utilizando um modelo de trabalho já realizado anteriormente por outro aluno, viu-se útil iniciar os trabalhos de simulação a partir da análise e adaptação do mesmo.

Abaixo, na Fig. 2, segue o modelo que foi modificado:

Fig. 2- Modelo inicialmente adotado, com variáveis já definidas no

Comsol.

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Na Fig.3 estão os vetores Kx, Ky, Kz, definidos para „k-vector for Floquet

periodicity‟, para a simulação do modelo 3D:

Fig. 3- Vetores definidos.

Nesta primeira etapa, foram realizados teste apenas com theta variando numa faixa de 0 a 60º, com etapas para cálculos a cada 5º. Para futuramente avaliar os resultados e realizar um estudo mais aprofundado sobre os pontos de maior reflexão e transmissão e cálculos de campo próximo e distante. Além de definir posições diferente para o dipolo, acrescentar novos materiais como nanopoluentes e nanopartículas.

Seguindo as etapas propostas no plano de trabalho, foi realizado um estudo inicial para um dipolo infinitesimal em um meio homogêneo, no caso o ar, sobre a ação de uma onda eletromagnética plana.

Definindo Estrutura

Fig. 4- Estrutura homogênea com um dipolo centralizado. Primeiramente, a geometria definida na Fig. 4 foi um cubo com 300nm de

lado, e o dipolo infinitesimal localizado no centro da estrutura P=(0,0,150nm). Em seguida estabeleceu-se uma estrutura com duas camada. Para

futuras análises e comparação de resultados, foi definido situações com e sem a presença do mesmo dipolo no centro da estrutura.

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Fig.5- Estrutura com 2 camadas.

Na Fig. 5 temos uma camada de Ar (cima) com dimensões de 300nm de lado e, abaixo, foi estabelecido dois casos, primeiro com uma camada com dimensões 300nmX300nmX50nm de dióxido de silício SiO2 como camada dielétrica; e segundo com vidro quartzo como camada dielétrica. Os testes foram realizados para situações com e sem o dipolo infinitesimal na superfície do dielétrico entre as camadas superior e inferior.

Fig. 6- Estrutura com 3 camadas. Posteriormente, como visto na Fig. 6, foi definido uma estrutura com 3

camadas, sendo elas, de cima para baixo, Ar (300nmX300nmX300nm), dióxido de silício SiO2 (300nmX300nmX50nm) e Quartzo-(300nmX300nmX50nm). Com testes de casos com e sem o dipolo na superfície do dielétrico entre a camada superior e a central.

Dados para testes Para familiarização com o Comsol, foi definido uma onda eletromagnética

plana (E= 1âz V/m) com comprimento de onda de 500nm e frequência de 60THz para os testes na estrutura multicamada. Juntamente com um dipolo infinitesimal com momento de dipolo de 1 âx A.m.

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Também foram realizados outros estudos para comparação de resultados futuramente. Foi definido em outros testes uma onda eletromagnética oblíqua (E= 1ây+1âz V/m), também com comprimento de onda de 500nm e frequência de 60THz.

RESULTADOS: Após discretizar as geometrias, e os dados da onda eletromagnética

plana foram realizados alguns testes. As simulações de campo elétrico, campo magnético e densidade de corrente elétrica foram realizadas para cada valor de theta.

Definiu-se uma linha de integração no centro da estrutura para observar o comportamento da componente Z do campo elétrico para os diferentes valores de theta, veja na Fig.7 a seguir:

Fig. 8- Gráfico para campo elétrico em uma linha ao longo do eixo Z no

centro da estrutura com 3 camadas para diferentes valores de theta.

Os resultados são para a situação com 3 camadas dielétricas e com o dipolo infinitesimal na superfície do dielétrico entre a camada superior e a central. De acordo com o eixo Z, tem-se de 0nm a 50nm o Quartzo, de 50nm a 100nm o SiO2 e de 100nm a 400nm o Ar homogêneo. O dipolo se encontra no ponto 100nm do eixo Z.

Numa escala logarítmica, pode-se observar melhor o comportamento do campo para os valores de theta. Nota-se que para theta=0.261799 rad. o campo elétrico obtém valores máximos, além de mostrar mais nitidamente e sem muitos ruídos o comportamento de uma onda dentro da estrutura.

Confira abaixo, na Fig. 8:

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Fig. 8- Gráfico em escala logarítmica para campo elétrico em uma linha ao

longo do eixo Z no centro da estrutura com 3 camadas para diferentes valores de theta.

Abaixo pode-se observar o comportamento dos campos elétrico, Fig. 9,

magnético, Fig. 10, e densidade de corrente elétrica, Fig. 11, para theta= 0.261799 rad. ao longo da estrutura multicamada.

Para o campo elétrico:

Fig. 9- Gráfico 3D para campo elétrico em uma estrutura com 3 camadas.

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Para o campo magnético:

Fig. 10- Gráfico 3D para campo magnético em uma estrutura com 3

camadas. Para a densidade de corrente:

Fig. 11- Gráfico 3D para densidade de corrente elétrica em uma estrutura

com 3 camadas.

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PUBLICAÇÕES Ainda não houve publicações, pois as mesmas estão previstas para

depois do termino do relatório presente. ATIVIDADES A SEREM DESENVOLVIDAS NOS PRÓXIMOS MESES Realizar uma revisão bibliográfica sobre antenas e radiação. Continuar

com as simulações, modificar os parâmetros da geometria para que tenha-se uma analise sobre os diferentes modos TE e TM, comparar com esse resultado a simulação com um dipolo infinito.

Realizar cálculos sobre campos próximo e distante a simulação e principalmente da interação do dipolo com as ondas plasmônicas. Além de buscar resultados para polarização, posições e frequências diferentes.

Pretende-se também produzir artigos científicos para congressos com o objetivo de divulgar nossos resultados.

CONCLUSÃO O trabalho presente demonstrou a utilização do software COMSOL na

análise de várias estruturas, partindo de um modelo simples com apenas um meio homogêneo até uma estrutura multicamada sendo excitada por uma onda eletromagnética plana com um dipolo infinitesimal na superfície do dielétrico, onde foi possível verificar, através dos gráficos e do comportamento dos campos elétrico e magnético para os diferentes valores de theta, de que as simulações se mostraram consistentes, e com mais aprimoramento das técnicas disponíveis no software e comparando os resultados obtidos com literaturas disponíveis será possível avançar para as próximas etapas do projeto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. COMSOL Multiphysics 4.4a, Inc.(http://www.comsol.com/) 2. Matthew N.O. Sadiku, “Elementos de Eletromagnetismo”, 3ª edição. 3. Comsol Beginners tutorial. (https://www.youtube.com/playlist?list=PL7E9074B722FB855C) 4. Novotny, Lukas & Hecht, Bert. Principles of nano-optics, New York, Second Edition 2012. 5. Hernández, John. Assembly of a Surface Plasmon Resonance (SPR) Spectometer for the characterization of thin organic films, Rio de Janeiro: PUC-Rio, Departament of Physics, 2013. DIFICULDADES A adaptação com a estrutura do Software que apesar de muito útil e dinâmico é bem complexo.

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PARECER DO ORIENTADOR: DATA : ______/_________/________ _________________________________________ ASSINATURA DO ORIENTADOR ____________________________________________ ASSINATURA DO ALUNO INFORMAÇÕES ADICIONAIS: Em caso de aluno concluinte, informar o destino do mesmo após a graduação. Informar também em caso de alunos que seguem para pós-graduação, o nome do curso e da instituição.

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FICHA DE AVALIAÇÃO DE RELATÓRIO DE BOLSA DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA O AVALIADOR DEVE COMENTAR, DE FORMA RESUMIDA, OS SEGUINTES ASPECTOS DO RELATÓRIO : 1. O projeto vem se desenvolvendo segundo a proposta aprovada? Se ocorreram mudanças significativas, elas foram justificadas? 2. A metodologia está de acordo com o Plano de Trabalho ? 3. Os resultados obtidos até o presente são relevantes e estão de acordo com os objetivos propostos? 4. O plano de atividades originou publicações com a participação do bolsista? Comentar sobre a qualidade e a quantidade da publicação. Caso não tenha sido gerada nenhuma, os resultados obtidos são recomendados para publicação? Em que tipo de veículo? 5. Comente outros aspectos que considera relevantes no relatório 6. Parecer Final: Aprovado ( ) Aprovado com restrições ( ) (especificar se são mandatórias ou recomendações) Reprovado ( ) 7. Qualidade do relatório apresentado: (nota 0 a 5) _____________ Atribuir conceito ao relatório do bolsista considerando a proposta de plano, o desenvolvimento das atividades, os resultados obtidos e a apresentação do relatório. Data : _____/____/_____. ________________________________________________ Assinatura do(a) Avaliador(a)