Nuevos avances en plataformas plasmónicas de nanopartículas de galio y sus aplicaciones
- Autores: Sergio Catalán Gómez
- Directores de la Tesis: José Luis Pau Vizcaino (dir. tes.), Andrés Redondo Cubero (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Número de páginas: 166
- Tribunal Calificador de la Tesis: Miguel Manso Silván (presid.), María Jesús Hernández Muñoz (secret.), Carlos García-Nuñez (voc.), José María Ulloa Herrero (voc.), Asunción de Andrés Miguel (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Materiales Avanzados y Nanotecnología por la Universidad Autónoma de Madrid
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
El objetivo principal de esta tesis es la mejora de las propiedades de las nanopartículas plasmónicas de Ga con el fin de avanzar en sus aplicaciones. Las nanopartículas metálicas han recibido una enorme atención en las últimas décadas por sus excelentes propiedades plasmónicas, pero ciertos metales todavía permanecen relativamente inexplorados, suponiendo un reto tecnológico. Entre ellos, el galio ha destacado como una alternativa atractiva a los metales nobles por dos razones. La primera son sus interesantes propiedades ópticas, que permiten modificar la resonancia plasmónica con el tamaño de las nanopartículas desde el UV hasta el IR, pudiendo albergar campos eléctricos intensos en sus vecindades. La segunda razón es la multitud de aplicaciones prácticas entre las que destacan su uso en biosensores ópticos y en espectroscopias Raman y fluorescencia mejoradas en superficie (SERS y SEF). En esta tesis se abordan tres problemas físicos concretos de estas nanopartículas.
Una de las particularidades de las nanopartículas de Ga es que presentan una estructura núcleo-corteza como consecuencia de su oxidación en condiciones ambientales. Sin embargo, no se han estudiado hasta ahora las repercusiones de esta estructura en las propiedades de las NPs. En este trabajo se investigará detalladamente la modificación y estabilidad de esta estructura núcleo-corteza por medios térmicos. Se han estudiado las propiedades ópticas, estructurales, composicionales y mecánicas de las nanopartículas por medio de diversas técnicas tras ser sometidas a tratamientos térmicos. Del análisis de las propiedades ópticas mediante elipsometría hemos encontrado que la resonancia plasmónica transversal se puede desplazar hacia el rojo de manera muy controlada varias decenas de nanómetros sin experimentar demasiada atenuación de la señal, en buen acuerdo con simulaciones de aproximación de dipolos discretos. Este hecho supone un nuevo método de sintonización de la resonancia a bajas temperaturas como consecuencia del incremento del óxido. Se han explorado los límites de operación de las nanopartículas a altas temperaturas, demostrando que su temperatura crítica de ruptura depende del tamaño. Al mismo tiempo, se ha conseguido formar nanopartículas pequeñas compuestas totalmente de óxido de Ga. Por último, la utilización de las nanopartículas modificadas térmicamente se ha probado con éxito funcionalizando su superficie con una capa autoensamblada, primer paso para el desarrollo de un biosensor.
Otro de los retos de las nanopartículas de galio, quizá el más importante, es la consecución de distribuciones uniformes de tamaño. Debido a la rápida coalescencia del galio, el crecimiento de nanopartículas por métodos físicos suele producir sistemas con distribuciones no uniformes de tamaño, lo que afecta a la resonancia plasmónica. En esta tesis se ha prestado especial atención a este problema físico proponiendo un novedoso proceso tecnológico basado en el uso de plantillas de Al nanoestructurado como sustrato. Gracias a este método se puede limitar la coalescencia de las nanopartículas y se ha conseguido con éxito la producción de nanopartículas con distribuciones de tamaño uniformes y orden hexagonal. Asimismo, como consecuencia de la nanoestructuración del sustrato, las nanopartículas adquieren una geometría de tipo esférico en contraposición a las semiesféricas obtenidas de manera natural sobre otros sustratos. Este proceso permite una mejora enorme en la intensidad de la resonancia plasmónica, que se ve reforzada además por el acoplamiento derivado del orden como se ha demostrado mediante simulaciones.
Por último, se ha analizado con detalle la posibilidad de hibridar las nanopartículas de Ga con un material bidimensional: el MoS2. La motivación ha sido doble: probar que las nanopartículas pueden integrarse adecuadamente sobre materiales 2D y mejorar la limitada luminiscencia del MoS2 debido a su carácter de monocapa. Se ha conseguido el crecimiento de las nanopartículas de Ga sobre MoS2 y se ha optimizado el aumento de la fotoluminiscencia obtenida tras sintonizar apropiadamente el tamaño de las nanopartículas. Se ha confirmado que las nanopartículas mejoran la intensidad de la luminiscencia a distintas longitudes de ondas por medio de técnicas de microscopia combinadas. Además, se ha demostrado mediante simulaciones que esta mejora tiene un origen plasmónico, lo que abre el camino para mejorar la luminiscencia de otros materiales bidemensionales de manera rápida, sencilla y económica.
