Nanocomposite coatings based on metal nanoparticles exhibiting Surface Plasmon Resonance deposited by sputtering techniques

Palavras-chave: Localized surface plasmon resonance (LSPR),Au Nanoparticles,WO3,Al2O3,TiO2,AlN,Plasma Gas Condensation (PGC),Sputtering,Ressonância localizada dos plasmões de superfície (LSPR),Nanopartículas de Au,WO3,Al2O3,TiO2,AlN,Condensação em fase gasosa (PGC),Pulverização catódica

Hoje em dia as nanopartículas (NPs) metálicas são consideradas como novos  materiais, uma vez que apresentam propriedades significativamente diferentes das do  material maciço. Filmes nanocompósitos consistindo em NPs metálicas dispersas em  matrizes dielétricas têm ganho um interesse exponencial por parte da investigação  aplicada e da indústria. Um dos principais motivos deste interesse prende-se com o  facto de estas NPs apresentarem o efeito LSPR (ressonância localizada dos plasmões  de superfície), que são oscilações coletivas das cargas elétricas nas NPs metálicas,  capazes de serem excitadas pela luz. As LSPRs são extremamente sensíveis à forma e  ao tamanho das NPs, e também a variações na função dielétrica do meio circundante.  Uma vez que cada aplicação específica requer um certo sinal de LSPR, torna-se  importante haver métodos de deposição que permitam ter controlo sobre o tamanho,  a forma e a dispersão de NPs no interior ou à superfície de uma matriz.  De entre os vários métodos de produção disponíveis para a obtenção de filmes  nanocompósitos exibindo LSPR, a técnica de pulverização catódica tornou-se numa das  mais usadas, devido ao seu baixo custo, simplicidade no processo e flexibilidade com  os materiais. Neste trabalho, NPs de Au foram incorporadas em quatro matrizes  diferentes: Al2O3, WO3, TiO2 e AlN. Estas matrizes possuem um leque alargado de  aplicações e têm índices de refração distintos permitindo variar o pico de LSPR ao  longo do espectro de luz visível. Os filmes nanocompósitos exibindo LSPR foram  obtidos através de três métodos de pulverização catódica diferentes, com o intuito de  estudar as suas vantagens e limitações: (i) co-pulverização catódica seguida de  tratamentos térmicos até 500°C; (ii) pulverização catódica alternada usando fontes  convencionais e HiPIMS (high power impulse magnetron sputtering); (iii) pulverização  catódica alternada usando um canhão de NPs baseado em PGC (plasma gas  condensation).  O primeiro método permitiu a obtenção de nanocompósitos com uma  distribuição aproximadamente homogénea de NPs esféricas na matriz, após alguma  otimização das condições de deposição. Verificou-se que a integração de Au na matriz  foi dependente dos elementos da matriz e também da concentração de metal. A aplicação de tratamentos térmicos promoveu a precipitação e crescimento das NPs (até  um tamanho de 8 nm) e também influenciou as propriedades dielétricas da matriz. As  principais desvantagens desta técnica são que o processo de precipitação é dependente  do binómio Au/matriz e que a gama de tamanhos de NPs alcançados é limitada.  O segundo método permitiu um controlo mais eficaz e independente da  morfologia e tamanho das NPs, sem a aplicação de qualquer tratamento térmico. O  tamanho médio das NPs aumentou com o teor em Au enquanto a sua forma evoluiu de  esférica para esferoide com a sua razão de aspeto a diminuir progressivamente. A  principal desvantagem desta técnica é que o tamanho, a forma e a distância de  separação das NPs não podem ser controlados separadamente, eles evoluem em  conjunto e de acordo com os vários modos de crescimento, que são dependentes da  mobilidade do Au à superfície dos óxidos.  O terceiro método permitiu a produção de grandes quantidades de NPs com  controlo sobre o seu tamanho médio. NPs de Au foram produzidas por PGC e estudadas  em grande extensão pela primeira vez. NPs esféricas de Au com tamanhos entre 5-65  nm foram depositadas com diferentes taxas de deposição. De seguida foram obtidos  nanocompósitos contendo NPs com tamanho controlável, demonstrando o elevado  potencial que esta técnica tem para a produção de filmes em aplicações LSPR.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias