Síntesis y propiedades de películas delgadas nanocompuestas nanopartículametálica/matriz mesoporosa con aplicaciones en espectroscopia SERS RESUMEN En este trabajo se presentan los estudios realizados sobre la síntesis sol-gel de películas delgadas mesoporosas (PDMP) de SiO2 y TiO2, tanto en sus composiciones puras como en mezclas homogéneas SixTiyO2(x+y) y ya sea en estructuras de una sola capa o en estructuras multicapa para su posterior infiltración con nanopartículas metálicas (NPM) de Ag y Au mediante reducción suave y foto-reducción. Los nanocompuestos así obtenidos fueron evaluados como plataformas de intensificación del campo eléctrico local para aplicaciones en espectroscopía Raman amplificada por superficie (en inglés: SERS). Los resultados obtenidos fueron interpretados en función de las teorías de medio efectivo y de resonancia de plasmones superficiales localizados (PSL) para lo cual se elaboraron modelos de simulación numérica que fueron contrastados con los resultados experimentales. Estudios adicionales sobre los mecanismos de transporte de carga eléctrica y la utilización de los nanocompuestos en dispositivos de microelectrónica completan los objetivos de aplicación de los materiales desarrollados. Eduardo David Martínez Director de tesis: Dr. Galo J. A. A. Soler-Illia Co-director de tesis: Dr. Alejandro Fainstein Instituto de Investigación e Ingeniería Ambiental 3iA - Universidad Nacional de San Martín Gerencia Química-Centro Atómico Constituyentes – CNEA - Av. Gral. Paz 1499, San Martín, Pcia de Buenos Aires Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) – PRH 74 ANPCyT Contacto: edmartin@cnea.gov.ar SÍNTESIS Dip Coating Sol Spin Coating X M X X + TEM Perfil de espesores V X Bicapa TiO2-SiO2 (FESEM) TiO2 – F127 TF TTC 32°C35%HR s/Vid ω Presursor Agente surfactante Inorgánico•Copolimeros tribloque (P123, F127) TEOS (Si) •Copolimeros dibloque (Brij 56-58) •Surfactantes iónicos (CTAB) TiCl4 ZrCl4 Las películas delgadas – Spin-Coating Las películas delgadas – Dip-Coating Sol-Gel + Autoensamblado P2 P3 99.00 101.6 104.2 106.8 109.4 111.0 x x x x Perfil de espesores SiO2-CTAB / TiO2 – F127 x x TEM TEM TiO2 – F127 x P4 115 115 116 117 118 118 119 120 121 116.9 120.4 P1 P5 112.8 FESEM 119.2 117.5 ~4% ΔEspesor D. Meyerhofer , 1978, J. Appl. Phys. 47 (7) Fotorreducción UV AgNO3 Reducción química HAuCl4 Óxido mesoporoso 240 120 Cristalización TiO2 Anatasa 80 Im3m Alto grado de orden de la porosidad 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 N Pasos de reducción (p) TEMTEM TiO2 – F127 - Au 0,6 0,5 0,4 h+ CH3-CHO Efecto del cosolvente TEM TiO2 – F127 - Ag EtOH Etilenglicol FE-SEM 6000 7000 8000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0.3 0.4 0.5 -1/2 Velocidad (rpm x1000) Estructura Sistema bicapa SiO2/TiO2 Sistema multicapa ELIPSOMETRÍA UV-VISIBLE Tan(Ψ) – Cos(Δ) Absorbancia 0.6 -1/2 (rpm 0.7 ) MODELADO Función dieléctrica de las NPM Abs.de luz en NPM Parametrización θ de la Fcn. Dieléctrica dieléctrica - Cauchy Dieléctrica - Lorentz AJUSTE - Aproximación dipolar Distribución de tamaños Factor de forma Núcleo – Cáscara - Densidad de electrones de conducción Sin interacciones TiO2-F127/Vidrio 0,4 0,3 5´ Vista frontal 0,2 0,1 30´ 15´ 60´ Maxwell-Garnett 45mm 0,0 áx(nm) 5000 NPM@PDMP CH3-CH2-OH 5 10 15 20 El número de partículas 3 f 𝑓p 𝑑 𝑁NP = NP 3 4πa 25 c) Teoría de medio efectivo TiO2-F127/Silicio 555 0,0 4000 – 0,5 560 0,1 100 3000 Mie Approximación dipolar (d<10 nm) Sección eficaz de absorción b) 0,6 0 0,2 TF/Si 550 TF(2mms)/Si - TF/TNM/Vid - 545 Función. deléc. del mesoporoso Bruggeman Maxwell-Garnett 540 535 400 600 800 1000 Long. de onda (nm) 0 5 10 15 20 25 Cinética de foto-reducción Ag en función de la concentración Pasos de reduccion V. M. Sánchez, E. D. Martínez, H. Troiani, M. L. Martínez-Ricci, G. J. A. A. Soler-Illia, J. Phys. Chem. C., 2013, 117 (14), pp. 7246-7259. Vista lateral Posición espectral del máximo de absorción FR 60min FR 30min FR 15min FR 5min Blanco 0 700 800 900 600 400 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Tiempo de irradiacion (min) -1 140 1300 1200 1100 1000 900 800 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 -1 Corrimiento Raman (cm ) -1 7mW 60s (x2) Intensidad pico 1100cm (u. a.) 647,10 568,18 514,51 488,01 457,98 Sin correccion Con correccion 1,0 0,8 0,6 120 100 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 2 3 4 mm 0,55 0,60 0,65 Long. de onda incidente (nm) 0,9 ) 1 Long. de onda (m) 5 Interacción plasmónica entre NPM 0,50 0,8 1,0 1,1 Detección de moléculas no tioles: ác. Salicílico, R6G. 2da. etapa Escritura V = ±10V Lectura V = ±4V 0.03 442 Dependencia con el tiempo de FR Percolación eléctrica (c)Curva 350 °C T1 C1 30µm Modificación de la conductividad eléctrica según la magnitud y la polarización de la tensión aplicada Conmutación Resistiva Electroquímica Red/Ox de Ag+/Ag0 E. D. Martínez, L. Granja, M. G. Bellino, G. J. A. A. SolerIllia, 2010, Phys. Chem. Chem. Phys., 12, 14445–14448. Formación de partículas en la superficie del film OFF ON OFF ON OFF OFF ON ON ON 440 436 434 400 500 600 700 432 0 10 20 30 40 50 CONCLUSIONES Y RESULTADOS PRINCIPALES I-V Dependencia con el sustrato OFF 438 0.01 Tensión de escritura: -10V 10µm Intensificación proporcional a la fracción de llenado Relación entre el plasmón y la long. de onda de excitación Interacciones plasmónicas entre NPM 444 Corriente Conductividad vertical y lateral 3 2 0,45 1ra. etapa 5 4 X( 0,0 (b) 20 1 0,2 s 40 0.04 0.02 I1100 con correc 60 0 0,4 Absorbancia con 4-TP I1100 sin correc 80 448 446 30µm La long. de onda incidente Transferencia de carga TiO2Ag inducida por UV Topografía ,, 568.2nm - 20mW - 10s 1000 1100 1200 1300 1400 (a) Absorbancia sin 4-TP 1mm Experimentos de Fotoreducción in-situ EtOH con 4-TP 200 Corrimiento Raman (cm ) 1400 ,, sin 4-TP .) 1000 800 ad (u. a Intensid 2000 TF 0.005 / silicio FR 30m 4-Mercaptopiridina 10µm Condición de máxima intensificación Microscopía de Fuerza Atómica con Punta Conductora (CAFM) Otros estudios Conmutación Resistiva Estudios de estabilidad térmica en NPM de Au 10µm 3000 1000 Intensidad (u. a.) FR 130min 1200 Litografía: Localización de la intensificación de la señal Raman m) -1 4000 El tiempo de foto-reducción (m FR 180min 1400 E. D. Martínez, M. G. Bellino, G. J. A. A. Soler-Illia, 2009, ACS Appl. Mater. Interfaces, 1, 4, 746–749. Propiedades de conducción eléctrica CAFM Y 5000 Intensidad pico 1100 cm (u. a.) SERS – Evaluación de respuesta Función. dieléc. de las NPM (depende de r y A) Obtenida por elipsometría nm 530 Intensidad (u. a.) Foto-litografía Ag0 0,7 0,3 Intensidad (u. a.) Absorbancia e- N2, Ar a) 0,7 18p NaBH4 10mM Absorbancia maxima AuCl4- 1mM pH=4 13p Foto-reducción 1 min 1 min hν VB Solución AgNO3 en EtOH:H2O 1:1 v:v 140 120 Caracterización de propiedades ópticas Ag+ CB Black Light 15W TOSHIBA =355nm 160 Cristalinidad del TiO2 Anatasa -1 1 q (nm ) LA INFILTRACIÓN – Foto-reducción de Ag 10p 140 120 2000 TiO2 5p 140 160 Velocidad (rpm) FE-SEM FE-SEM TiO2 – F127 - Au Reducción 160 a=2000 a=4000 a=6000 a=8000 180 80 Tamaño de poro controlado en el rango 7-11 nm 0.1 Adsorción del precursor 180 200 120 d=(11,9±0,4)nm Velocidad de extracción (mm/s) LA INFILTRACIÓN – Reducción suave Au 200 100 60 a=2000 a=4000 a=6000 a=8000 180 220 140 100 200 Sin dilución 2:1 sol:EtOH 1:1 sol:EtOH 260 Modelo -1/2 Velocidad y aceleración 280 90° 3° TF s/Silicio TF s/Vidrio TF s/Pyrex 160 Espesor (nm) Reducción de Iones Metálicos Impregnación con sales metálicas 180 Dilución del sol SiO2-F127/ TiO2 – F127 Espesor (nm) 2hs 350 °C SAXS Espesor (nm) Óxido mesoporoso Infiltrado con NPM Sustratos 200 Espesor (nm) Remoción del surfactante Tensión de lectura: 4V If=0,036 nA I0=1,0 nA T2 C2 Tensión de lectura: -4V Alto grado de control de la infiltración con NPM de Ag y Au. Aplicable en estructuras mono- y multicapa. Localización de NPM de Ag en PDMP de TiO2. Comprensión de las propiedades ópticas en términos de medio efectivo y absorción de luz por PSL. Intensificación SERS homogénea y estable. Propiedades de Conmutación Resistiva en Ag-TiO2. Adaptación exitosa de técnicas in-situ para el estudio de la nucleación y crecimiento de NPM de Ag en PDMP de TiO2. Estudios de maduración de NPM de Au en PDMP de TiO2 por termo-elipsometría en tiempo real. Detección y cuantificación del fenómeno de transferencia de carga TiO2Ag de interés en foto-catálisis. If=0,02 nA I0=0,01 nA AGRADECIMIENTOS: Lía Pietrasanta (CMA-UBA), Mercedes Linares-Moreau (DF-UBA), Leticia Granja (GF-CNEA), Verónica Sánchez (GQ-CNEA), Nicolás Tognalli (Lab. Prop. Ópticas-CAB-CNEA), Martín Bellino (GIyA-CNEA), Horacio Troiani (GM-CAB-CNEA), Centro de Microscopías Avanzadas (CMA-UBA), Programa PRH 74 ANPCyT, CONICET, UNSAM.