Biodetecção plasmônica no infra-vermelho médio e longínquo usando grafeno

• Processo: 18/07276-5
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Data de Início da vigência: 01 de outubro de 2018
• Data de Término da vigência: 30 de setembro de 2022
• Área do conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
• Acordo de Cooperação: Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT)
• Pesquisador responsável: Christiano José Santiago de Matos
• Beneficiário: Christiano José Santiago de Matos
• Pesquisador Responsável no exterior: Nuno Miguel Machado Reis Peres
• Instituição Parceira no exterior: Universidade do Minho (UMinho), Portugal
• Instituição Sede: Instituto Mackenzie de Pesquisas em Grafeno e Nanotecnologias. Universidade Presbiteriana Mackenzie (UPM). Instituto Presbiteriano Mackenzie. São Paulo , SP, Brasil
• Pesquisadores associados: Dario Andres Bahamon Ardila
• Bolsa(s) vinculada(s): 20/04374-6 - Fabricação e caracterização de guias de ondas para o infravermelho médio com matrizes de nanofitas de grafeno, BP.PD
• Assunto(s): Plasmônica Fotônica Nanofotônica Sensores Grafenos
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Grafeno | nanofotônica | Plasmônica | sensor | Fotônica

Resumo

Este projeto propõe desenvolver uma nova técnica espectroscópica baseada em efeitos plasmónicos sintonizáveis no grafeno, mediante a exploração da interação dependente da polarização de pequenas biomoléculas com a radiação de terahertz (THz). O grafeno fornece uma plataforma ideal para a intensificação da interação entre a luz e a matéria, devido à sua excelente resposta plasmónica na gama do infravermelho médio e longínquo. Além disso, esta resposta é sintonizável em tempo real, mediante a aplicação de uma tensão de porta. Algumas das características estruturais dos péptidos que determinam a sua funcionalidade bioquímica poderão ser elucidadas por espectroscopia dependente da polarização na gama dos THz, tal como se descreve num estudo computacional recente, onde se observa que a espectroscopia de THz quiro-ótica ainda não foi comprovada experimentalmente. O caracter inovadordeste projeto é, assim, o de desenvolver dispositivos que realizem esta técnica experimental de análise molecular.Duas arquiteturas serão implementadas para a intensificação da interação luz-matéria entre grafeno e biomoléculas. Numa delas, fitas de grafeno de largura micrométrica, gravadas por litografia ótica, constituem o meio plasmónico ativo. A segunda abordagem consiste na transferência duma folha de grafeno contínuo para cima de uma rede de difração de contraste dielétrico obtido pela alternância de linhas de SiO2 e Al2O3 sobre uma bolacha de silício intrínseco. Ambas as arquiteturas são baseadas em simulações teóricas desenvolvidas pelos membros da equipa, que publicaram recentemente resultados gerais num livro sobre a plasmónica do grafeno. As arquiteturas dosdispositivos são modelizadas por cálculos eletrodinâmicos, mais rápidos e produzindo melhores resultados do quea habitual integração das equações de Maxwell no domínio temporal. A alta sensibilidade dos métodos de deteção de superfície, incluindo a plasmónica de metais nobres convencional, torna-os particularmente vantajosos para analisar pequenas quantidades de biomoléculas. As propriedades únicas de acoplamento eletromagnético das excitações moleculares aos plasmões de superfície no grafeno abrem caminho à extensão do poder de análise destes sensores para além do estado da arte, em medidas feitas sem marcadores. A sintonização em tempo real das ressonâncias plasmónicas no grafeno permitirá a deteção espectroscópica, específica, de biomoléculas na presença do solvente e de outros sinais de fundo. Esta especificidade será assistida pelos efeitos estruturais, e.g., quirais, observáveis em medições dependentes da polarização. A especificidade e conteúdo de informação fornecidos por essas medidas serão ampliados pela excitação com radiação de elevada intensidade e sintonizável numa banda larga de THz, produzida pelo método de duas cores em plasma de ar, e pelas medidas de bombeamento-sondagem com resolução temporal possibilitadas pela fonte e pelo espectrómetro de THz desenvolvidos neste projeto. (AU)

Publicações científicas

(12)

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

TORRES, V; SILVA, P.; DE SOUZA, E. A. T.; SILVA, L. A.; BAHAMON, D. A.. Valley notch filter in a graphene strain superlattice: Green's function and machine learning approach. Physical Review B, v. 100, n. 20, NOV 11 2019. (15/11779-4, 12/50259-8, 18/07276-5, 17/12747-4)

CADORE, ALISSON R.; DE OLIVEIRA, RAPHAELA; LONGUINHOS, RAPHAEL; TEIXEIRA, VERONICA DE C.; NAGAOKA, DANILO A.; ALVARENGA, VINICIUS T.; RIBEIRO-SOARES, JENAINA; WATANABE, KENJI; TANIGUCHI, TAKASHI; PANIAGO, ROBERTO M.; et al. Exploring the structural and optoelectronic properties of natural insulating phlogopite in van der Waals heterostructures. 2D MATERIALS, v. 9, n. 3, p. 15-pg., 2022-07-01. (18/25339-4, 18/07276-5)

FERES, FLAVIO H.; BARCELOS, INGRID D.; MAYER, RAFAEL A.; DOS SANTOS, THIAGO M.; FREITAS, RAUL O.; RASCHKE, MARKUS B.; BAHAMON, DARIO A.; MAIA, FRANCISCO C. B.. Dipole modelling for a robust description of subdiffractional polariton waves. NANOSCALE, v. 11, n. 44, p. 21218-21226, NOV 28 2019. (18/05425-3, 15/11779-4, 19/08818-9, 18/07276-5)

ALVARENGA, VINICIUS T.; BAHAMON, DARIO A.; PERES, NUNO M. R.; DE MATOS, CHRISTIANO J. S.. Relaxing Graphene Plasmon Excitation Constraints Through the Use of an Epsilon-Near-Zero Substrate. Plasmonics, v. 18, n. 1, p. 11-pg., 2022-12-26. (18/25339-4, 15/11779-4, 18/07276-5)

ALMEIDA, ALINE DOS SANTOS; BAHAMON, DARIO A.; PERES, NUNO M. R.; DE MATOS, CHRISTIANO J. S.. A Critical Analysis on the Sensitivity Enhancement of Surface Plasmon Resonance Sensors with Graphene. NANOMATERIALS, v. 12, n. 15, p. 9-pg., 2022-08-01. (18/07276-5, 18/25339-4)

BAHAMON, DARIO A.; GOMEZ-SANTOS, G.; STAUBER, T.. Emergent magnetic texture in driven twisted bilayer graphene. NANOSCALE, v. 12, n. 28, p. 15383-15392, JUL 28 2020. (15/11779-4, 18/07276-5)

BARCELOS, INGRID D.; BECHTEL, HANS A.; DE MATOS, CHRISTIANO J. S.; BAHAMON, DARIO A.; KAESTNER, BERND; MAIA, FRANCISCO C. B.; FREITAS, RAUL O.. Probing Polaritons in 2D Materials with Synchrotron Infrared Nanospectroscopy. ADVANCED OPTICAL MATERIALS, v. 8, n. 5, SI, DEC 2019. (15/11779-4, 12/50259-8, 18/07276-5)

DE CASTRO, SANTIAGO GIMENEZ; FERREIRA, AIRES; BAHAMON, D. A.. Efficient Chebyshev polynomial approach to quantum conductance calculations: Application to twisted bilayer graphene. PHYSICAL REVIEW B, v. 107, n. 4, p. 10-pg., 2023-01-19. (18/07276-5)

LONGUINHOS, RAPHAEL; CADORE, ALISSON R.; BECHTEL, HANS A.; MATOS, CHRISTIANO J. S. DE; FREITAS, RAUL O.; RIBEIRO-SOARES, JENAINA; BARCELOS, INGRID D.. Raman and Far-Infrared Synchrotron Nanospectroscopy of Layered Crystalline Talc: Vibrational Properties, Interlayer Coupling, and Symmetry Crossover. Journal of Physical Chemistry C, v. 127, n. 12, p. 10-pg., 2023-03-01. (19/14017-9, 20/04374-6, 18/07276-5, 18/25339-4)

DE OLIVEIRA, EMERSON C.; GEROSA, RODRIGO M.; PHELAN, CIARAN; DE MATOS, CHRISTIANO J. S.; IEEE. Fabrication and characterization of silicon nitride waveguides for mid-infrared applications. 2019 SBFOTON INTERNATIONAL OPTICS AND PHOTONICS CONFERENCE (SBFOTON IOPC), v. N/A, p. 4-pg., 2019-01-01. (15/12734-4, 18/07276-5, 15/11779-4, 18/19736-0)

BARCELOS, INGRID D.; BECHTEL, HANS A.; DE MATOS, CHRISTIANO J. S.; BAHAMON, DARIO A.; KAESTNER, BERND; MAIA, FRANCISCO C. B.; FREITAS, RAUL O.. Probing Polaritons in 2D Materials with Synchrotron Infrared Nanospectroscopy. ADVANCED OPTICAL MATERIALS, v. 8, n. 5, p. 16-pg., 2019-12-09. (12/50259-8, 18/07276-5, 15/11779-4)

TORRES, V; SILVA, P.; DE SOUZA, E. A. T.; SILVA, L. A.; BAHAMON, D. A.. Valley notch filter in a graphene strain superlattice: Green's function and machine learning approach. PHYSICAL REVIEW B, v. 100, n. 20, p. 10-pg., 2019-11-11. (12/50259-8, 18/07276-5, 15/11779-4, 17/12747-4)