Desenvolvimento de filmes finos coloridos constituídos por nanopartículas metálicas (Au, Ag, Cu) dispersas numa matriz dielétrica

Abstract

Nos últimos anos, os materiais nanocompósitos constituídos por nanopartículas de metais plasmónicos dispersas em diversas matrizes dielétricas têm recebido especial atenção a nível científico e tecnológico em distintas áreas. Grande parte deste interesse surge da aplicação do efeito de ressonância de plasmão de superfície localizado (LSPR), onde a interação das nanopartículas do metal plasmónico promove uma alteração no comportamento ótico dos filmes. Devido às suas caraterísticas únicas, relacionadas com concentração, distribuição, dimensão e forma das nanopartículas metálicas, bem como das características dielétricas da matriz, este tipo de materiais tem sido amplamente estudado. Perspetivando possíveis aplicações em sensores biológicos e/ou sensores de gás, foram produzidos filmes finos nanoplasmónicos constituídos por nanopartículas metálicas de Au, Ag e Cu, com diferentes concentrações, dispersas numa matriz dielétrica de AlN. Os revestimentos foram produzidos através de pulverização catódica reativa em magnetrão, e posteriormente submetidos a um tratamento térmico a diferentes temperaturas. Numa primeira fase, foi estudada a influência da concentração de metal plasmónico e das diferentes temperaturas de tratamento térmico na composição, microestrutura e morfologia dos filmes finos produzidos, nomeadamente na dimensão e distribuição das nanopartículas metálicas na matriz. Posteriormente, através de espectroscopia ótica de transmissão e reflexão, foram relacionadas as alterações químicas e estruturais com a resposta ótica dos filmes finos, tal como a influência nas caraterísticas da banda de absorção associada ao efeito LSPR. Os resultados obtidos revelaram características óticas bastante distintas nos sistemas Au:AlN e Ag:AlN com o aumento da temperatura de tratamento térmico, fortemente dependentes do tipo, concentração e dimensão das nanopartículas do metal plasmónico. No caso do sistema Au:AlN é possível obter bandas de absorção LSPR bem definidas associadas ao crescimento/coalescência de nanopartículas de ouro, sendo que caso do sistema Ag:AlN, a resposta ótica revela um comportamento típico de uma estrutura fractal, apresentando uma banda larga de absorção, desde comprimentos de onda da radiação visível até infravermelha. Em contrapartida, no sistema Cu:AlN o aumento da temperatura de tratamento térmico promoveu a difusão de cobre para a superfície do filme fino, inibindo assim qualquer característica associada ao efeito LSPR.

Over the past few years, nanocomposite materials with plasmonic metal nanoparticles dispersed in a dielectric matrix have been received special attention in several areas in science and technology. Most of these applications are based on Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR), where the plasmonic metal nanoparticles interaction changes the optical behaviour of the thin films. Due to their unique properties connected to the geometric characteristics (distribution, size and shape) of plasmonic nanoparticles, as well as the dielectric environment properties, this type of materials have been widely studied. Envisaging biological and/or gas sensors applications, different sets of Au/Ag/Cu:AlN films were prepared with different Au, Ag or Cu amounts. The thin films were deposited by reactive DC magnetron sputtering and submitted to annealing treatments at different temperatures. The plasmonic metal concentration and annealing temperature were studied in order to understand the chemical composition, microstructure and morphology changes, namely in nanoparticles size and distribution throughout the AlN matrix. The chemical and structural changes were correlated with the optical response of the thin films through optical spectroscopy (transmittance and reflectance), as well as with the influence on the absorption band characteristics associated to LSPR effect. The results show different optical characteristics in Au:AlN and Ag:AlN systems with the increase of the heat treatment temperature, strongly dependent on the type, concentration and size of the plasmonic nanoparticles. In the case of Au:AlN system, it was possible to obtain well defined LSPR absorption bands associated to gold nanoparticles growth/coalescence. In the case of the Ag:AlN system, the optical response revealed a behavior that strongly suggests the formation of fractal-type structures, with a large absorption band from the visible to infrared wavelengths. On the other hand, in Cu:AlN system, the annealing temperature increase promoted copper diffusion to the thin film surface, inhibiting any optical characteristic related to the LSPR effect.