Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/11135
Title: Design and realization of nanoelectromechanical and plasmonic devices for raman spectro-microscopy
Other Titles: Design and realization of nanoelectromechanical and plasmonic devices for Raman spectro-microscopy
Authors: Cassese, Damiano
Supervisore/Tutore: Lazzarino, Marco
Issue Date: 25-Mar-2015
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: 
Lo sviluppo di nano-dispositivi per la misura di molecule biologiche e non biologiche è uno
dei campi più importanti e in via di sviluppo della nanotecnologia. La possibilità di studiare
cellule in vivo e di capirne le caratteristiche a livello molevolare ha contribuito enormemente
all'avanzamento degli studi biologici negli ultimi decenni.
Fra le tecniche più utilizzate, le Scanning Probe Microscopies (SPM) hanno una speciale
rilevanza: sono non distruttive, con una bassa perturbazione dei sistemi studiati e permettono
misure in aria e in liquido. Tali tecniche tuttavia non permettono il riconoscimento chimico,
aspetto importante nello spiegare molti meccanismi cellulari.
Una delle spettroscopie più utilizzate a tale scopo è il Raman, che permette il riconoscimento
delle specie chimiche senza danneggiare i campioni ed è stato ampiamente utilizzato in molti
studi biologici.
Una combinazione di una tecnica SPM e della spettroscopia Raman è il Tip Enhanced Raman
Spectroscopy (TERS): la stessa punta è usata per ricostruire le proprietà meccaniche e per
illuminare localmente il campione per estrarne informazioni chimiche. Tale combinazione
rende il TERS uno strumento molto potente per lo studio di strutture nanometriche.
In questo lavoro di tesi abbiamo esplorato la possibilità di realizzare una punta TERS basata
su un nanofilo in materiale semiconduttore cresciuto epitassialmente sulla punta di un
cantilever per AFM. Il dispositivo, compatibile con le strumentazioni AFM disponibili sul
mercato, ha come scopo lo sfruttamento della risonanza plasmonica creata nella particella
metallica presente sulla cima del nanofilo: il segnale Raman può essere potenziato sfruttando
il campo elettrico molto intenso creato in questo modo.
|
910 | Abstract
Nel primo capitolo si introduce le basi della tecnica AFM e vengono presentati due studi
compiuti su cellule mesoteliali tramite questa microscopia.
Nel secondo capitolo vengono presentati i nanofili in silicio: sono riportati i risultati ottenuti
nella crescita di tali strutture, quindi vengono analizzate la citotossicità e la proliferazione di
cellule su substrati di nanofili di silicio.
Misure di microscpettroscopia Raman su nanofili di GaAs sono riportate nel capitolo 3: è
stato studiato il cambiamento di struttura cristallina di tali nanofili dovuta a procedimenti di
riscaldamenti controllati.
Il capitolo 4 affronta lo studio delle proprietà SERS di nanofili di materiali e strutture diverse;
sono presentati risultati sperimentali e calcoli ottenuti tramite simulazioni ad elementi finiti
(FEA).
Infine nel capitolo 5 presentiamo un innovativo procedimento per la fabbricazione di punte
TERS a singolo nanofilo. In Appendice sono presentate brevemente le tecniche fabbricative
usate durante il lavoro di tesi.

The development of nano-devices for sensing molecules, both biological and non-biological is
one of the most important and thriving fields of nanotechnology. The possibility to investigate
living cells and their characteristics at a molecular level contributed to the great advance of
biological studies in the last decades.
Among the most investigated techniques, Scanning Probe Microscopies (SPM) have a
prominent position: non-destructiveness, low perturbation of the sample, possibility of
measurements in air and in liquid make them perfectly suited to biological studies. These
techniques however lack chemical recognition of the analysed surfaces. Many cell
mechanisms can be explained only understanding the chemistry involved: the integration of a
spectroscopic technique is therefore essential to have insights on the phenomena under study.
One of the most investigated spectroscopy for such an integration is Raman: its interaction
with molecular and crystal structures allows for chemical recognition. It has been widely used
in studies of organic samples an biosensing and it provides non-destructive measurements.
A smart combination of a SPM technique and Raman Spectroscopy is the so-called Tip
Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) where the same probe that is used to reconstruct the
sample mechanical properties with nm resolution is also used to illuminate locally the sample
to extract chemical information. The high resolution spectroscopy combined with the
topography of the SPM makes TERS a powerful tool for the investigation of nanometrical
features. At the present, however, no commercially available TERS probe can provide reliable
and reproducible results with high Raman enhancement.8 | Abstract
With this thesis work we explored the realization of a TERS probe based on a semiconductor
NW grown epitaxially on the apex of an AFM cantilever. This design, compatible with the
commercially available equipment, aims at the use of the plasmonic resonance created in the
noble metal nanoparticle present on the top of the nanowire to greatly enhance the Raman
signal. The high aspect ratio of this nanostructure can lead to high-resolution topography and
spectroscopy.
We will first introduce the basics of SPM and give an example of a study of cells by AFM in
Chapter 1: the effect of the uptake of asbestos fibers and carbon nanotubes by mesothelial
cells is reported.
In Chapter 2 we briefly present the growth mechanics for Si nanowires, with a summary of
the results obtained for Si NWs. A study of the citotoxicity of ZnSe and Si nanowires follows:
living cells were seeded on nanowires and their proliferation, behaviour and adhesion was
measured as a mean to verify the compatibility of NWs with the imaging of living cells.
Chapter 3 reports Raman measurements of GaAs NWs and the change in crystal structure of
these upon annealing at high temperatures.
Studies of the SERS effect on semiconductor nanowires are presented in Chapter 4: the
plasmonic resonance on ZnSe, Si and GaAs NWs was modelled by Finite Element Method.
The absorption spectra and the Raman enhancement factor of the same wires were measured
and an understanding of their SERS capability is presented.
Finally we propose in Chapter 5 a novel fabrication process for the localized growth of NWs
on AFM cantilevers as TERS tips. Appendix A reports a brief explenation of the fabrication
processes mention along the thesis presentation.
Ciclo di dottorato: XXVI Ciclo
metadata.dc.subject.classification: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN NANOTECNOLOGIE
Description: 
2012/2013
Keywords: NanotechnologyMEMSRaman spectroscopyTip enhanced Raman spectroscopynanoparticlesMicrofabricationplasmonicsAtomic force microscopyFinite Element Analysis
Type: Doctoral
Language: en
Settore scientifico-disciplinare: FIS/03 FISICA DELLA MATERIA
NBN: urn:nbn:it:units-14062
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