Publicação
Filmes finos de nanopartículas de ouro dispersas numa matriz dielétrica de TiO2 com efeito de ressonância de plasmão de superfície localizado
| Resumo: | Perspetivando a aplicação como revestimentos decorativos e (bio)sensores óticos, foi investigada, experimental e teoricamente, a influência da alteração da concentração, tamanho e distribuição de nanopartículas de ouro, Au, numa matriz dielétrica de óxido de titânio, TiO2, no efeito de ressonância de plasmão de superfície localizado (LSPR). Para o efeito, foram depositados filmes finos de TiO2, contendo vários teores de Au disperso. A técnica utilizada para a deposição dos filmes foi a pulverização catódica reativa em magnetrão, num plasma de Ar/O2 e com um alvo de Ti contendo vários pedaços de Au colocados simetricamente na sua zona de erosão. Após a deposição, as diferentes séries de filmes foram sujeitas a tratamentos térmicos entre 200 e 800 ºC. A evolução da estrutura cristalina e microestrutura dos filmes foi, estudada em função da concentração de ouro e das temperaturas de tratamento térmico e relacionada com as propriedades óticas e mecânicas. A distribuição de tamanhos das nanopartículas foi investigada por análise dos diâmetros de Feret de centenas de partículas em imagens de microscopia eletrónica de transmissão. As propriedades óticas dos filmes finos foram modelizadas, permitindo calcular a função dielétrica efetiva dos filmes nanocompósitos de Au/TiO2 com diferentes distribuições de tamanhos de nanopartículas. Os espetros de transmitância e de refletância foram então calculados e comparados com os resultados experimentais. Os resultados obtidos revelaram que para um baixo teor de ouro (% at. Au ~ 2) a matriz de TiO2 cristaliza na fase anatase, a partir dos 300 ºC, e a agregação de Au em nanopartículas surge apenas para temperaturas acima de 500 ºC. Para estas temperaturas o efeito LSPR é óbvio, no entanto as cores obtidas estão bastante afetadas por interferência ótica. Para concentrações intermédias de Au, a formação de nanopartículas ocorreu para temperaturas menores (T ≥ 200 ºC), e com dimensões crescentes, entre 2 e 25 nm, à medida que a temperatura aumentou. Foi também observada uma transformação da fase anatase para rutilo, para temperaturas elevadas (T ≥ 700 ºC). Com o aumento da temperatura, observou-se um alargamento da banda de absorção devido ao efeito LSPR. Este alargamento levou ao aparecimento de diversos tons avermelhados, muito desejados pela indústria de revestimentos decorativos, tendo os respetivos filmes durezas promissoras entre 6 e 8 GPa. Os resultados da modelização parecem indicar que o alargamento da banda LSPR se pode dever a uma maior distribuição de modos plasmónicos, devido a variações nas distâncias entre as nanopartículas, mais do que devido a um efeito de damping dissipativo. Finalmente, para um elevado teor de ouro (% at. Au > 20) os filmes tendem a formar agregados de ouro com dimensões superiores a 20 nm (para T ≥ 400 ºC), e o ouro segrega para a superfície do filme, levando ao aparecimento de uma cor dourada. |
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| Autores principais: | Rodrigues, Marco Pires Sampaio Martins |
| Ano: | 2016 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | dissertação de mestrado |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | Universidade do Minho |
| Idioma: | português |
| Origem: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| Resumo: | Perspetivando a aplicação como revestimentos decorativos e (bio)sensores óticos, foi investigada, experimental e teoricamente, a influência da alteração da concentração, tamanho e distribuição de nanopartículas de ouro, Au, numa matriz dielétrica de óxido de titânio, TiO2, no efeito de ressonância de plasmão de superfície localizado (LSPR). Para o efeito, foram depositados filmes finos de TiO2, contendo vários teores de Au disperso. A técnica utilizada para a deposição dos filmes foi a pulverização catódica reativa em magnetrão, num plasma de Ar/O2 e com um alvo de Ti contendo vários pedaços de Au colocados simetricamente na sua zona de erosão. Após a deposição, as diferentes séries de filmes foram sujeitas a tratamentos térmicos entre 200 e 800 ºC. A evolução da estrutura cristalina e microestrutura dos filmes foi, estudada em função da concentração de ouro e das temperaturas de tratamento térmico e relacionada com as propriedades óticas e mecânicas. A distribuição de tamanhos das nanopartículas foi investigada por análise dos diâmetros de Feret de centenas de partículas em imagens de microscopia eletrónica de transmissão. As propriedades óticas dos filmes finos foram modelizadas, permitindo calcular a função dielétrica efetiva dos filmes nanocompósitos de Au/TiO2 com diferentes distribuições de tamanhos de nanopartículas. Os espetros de transmitância e de refletância foram então calculados e comparados com os resultados experimentais. Os resultados obtidos revelaram que para um baixo teor de ouro (% at. Au ~ 2) a matriz de TiO2 cristaliza na fase anatase, a partir dos 300 ºC, e a agregação de Au em nanopartículas surge apenas para temperaturas acima de 500 ºC. Para estas temperaturas o efeito LSPR é óbvio, no entanto as cores obtidas estão bastante afetadas por interferência ótica. Para concentrações intermédias de Au, a formação de nanopartículas ocorreu para temperaturas menores (T ≥ 200 ºC), e com dimensões crescentes, entre 2 e 25 nm, à medida que a temperatura aumentou. Foi também observada uma transformação da fase anatase para rutilo, para temperaturas elevadas (T ≥ 700 ºC). Com o aumento da temperatura, observou-se um alargamento da banda de absorção devido ao efeito LSPR. Este alargamento levou ao aparecimento de diversos tons avermelhados, muito desejados pela indústria de revestimentos decorativos, tendo os respetivos filmes durezas promissoras entre 6 e 8 GPa. Os resultados da modelização parecem indicar que o alargamento da banda LSPR se pode dever a uma maior distribuição de modos plasmónicos, devido a variações nas distâncias entre as nanopartículas, mais do que devido a um efeito de damping dissipativo. Finalmente, para um elevado teor de ouro (% at. Au > 20) os filmes tendem a formar agregados de ouro com dimensões superiores a 20 nm (para T ≥ 400 ºC), e o ouro segrega para a superfície do filme, levando ao aparecimento de uma cor dourada. |
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