Development of nanoplasmonic thin films for gaseous molecules detection

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Proença, Maria Manuela Carvalho
Data de Publicação: 2017
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/55575
Resumo: Dissertação de mestrado em Biofísica e Bionanossistemas
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spelling Development of nanoplasmonic thin films for gaseous molecules detectionCiências Naturais::Ciências FísicasDissertação de mestrado em Biofísica e BionanossistemasFilmes finos nanocompósitos, constituídos por nanopartículas nobres incorporadas numa matriz de oxido metálico, têm despertado considerável interesse na deteção ótica de moléculas gasosas. A sensibilidade dos filmes pode ser otimizada de acordo com o efeito de ressonância de plasmões de superfície localizados (LSPR) revelado por estes materiais, que depende fortemente da composição, distribuição, tamanho e forma das nanopartículas, bem como do meio dielétrico que as rodeia. Neste trabalho, foram preparados filmes finos com diferentes concentrações de Au e/ou Ag incorporados numa matriz de CuO, com o objetivo de encontrar plataformas nanoplasmónicas capazes de detetar a presença de moléculas gasosas (ex. CO) através de desvios da banda de LSPR. Os sistemas de filmes finos (Au:CuO, Ag:CuO e Au:Ag-CuO) foram depositados por pulverização catódica reativa em magnetrão e, posteriormente, submetidos a tratamentos térmicos (temperaturas de 300 a 700 ºC), para promover a formação das nanopartículas de Au e/ou Ag. A composição, microestrutura e a resposta ótica dos filmes foram estudadas em função da concentração de metal e da temperatura do tratamento térmico e correlacionadas com o comportamento plasmónico. Quanto ao sistema Au:CuO, o efeito LSPR aparece após temperaturas de tratamento térmico de 300 ºC, ou superiores, com bandas de LSPR a tornarem-se progressivamente mais estreitas; comportamento associado ao crescimento das nanopartículas de Au e diferentes distribuições de tamanhos. No caso do sistema de Ag:CuO, apenas foi possível observar bandas LSPR para temperaturas de tratamento térmico de 500 ºC, e superiores. Para o sistema Au-Ag:CuO, um único pico de LSPR apareceu para temperaturas de tratamento térmico até aos 500 ºC. Para temperaturas superiores, foram observados dois picos LSPR, provavelmente devido à presença de nanopartículas de Au e Ag, embora a formação de nanopartículas bimetálicas de Au-Ag não possa ser descartada. A espectroscopia fotoeletrónica de raio X, com e sem a presença do gás CO, indicou que a superfície dos filmes finos nanoplasmónicos de Au:CuO está contaminada com uma camada sub-nanométrica (~0,6 nm) de hidrocarbonetos, onde algum CO pode ser quimissorvido. Contudo, parte das moléculas de CO expostas ao filme parecem ser fisissorvidas na superfície, o que é importante para a aplicação alvo. Para além disso, através de uma posterior aplicação de tratamentos de plasma com Ar, a camada de hidrocarbonetos pode ser removida e as nanopartículas de Au emergir à superfície. Durante este trabalho, um sistema ótico portátil foi também desenvolvido para realizar os ensaios de deteção molecular, seguindo os desvios da banda de LSPR.Nanocomposite thin films, containing noble nanoparticles embedded in an oxide matrix have been a subject of considerable interest for optical gas sensing, due to their localized surface plasmon resonance (LSPR) properties. The sensitivity of the films can be tailored according to the LSPR phenomenon revealed by these materials, which is strongly dependent on the composition, distribution, size and shape of the nanoparticles, and dielectric medium surrounding them. In the present work, thin films were prepared with different amounts of Au and/or Ag embedded in a CuO matrix, aiming to find nanoplasmonic platforms capable of detecting the presence of gaseous molecules (e.g. CO) through LSPR band shifts. The thin films systems (Au:CuO, Ag:CuO and Au:Ag.CuO) were deposited by reactive DC magnetron sputtering and then submitted to annealing treatments (temperatures from 300 to 700 ºC) to promote the Au and/or Ag nanoparticles formation. The composition, microstructure and optical response of the thin films were studied as a function of the metal concentration and annealing temperature and correlated with the LSPR behaviour. Regarding the Au:CuO system, a LSPR effect appeared after annealing temperatures of 300 ºC, or higher, with bands becoming progressively narrower; behaviour associated to the Au nanoparticles growth and different size distributions. In the case of the Ag:CuO system, LSPR bands were observed only for temperatures of 500 ºC and above. For the Au-Ag:CuO system, a unique LSPR peak appeared for annealing temperatures up to 500 ºC. For higher temperatures, two faint LSPR peaks were observed, probably due to the presence of both Ag and Au nanoparticles, although the formation of bimetallic Au-Ag nanoparticles was also suggested. X-Ray Photoelectron Spectroscopy, without and with the presence of CO gas, indicated that the surface of the Au:CuO nanoplasmonic thin film is contaminated with a sub-nanometric layer (~0.6 nm) of hydrocarbons, where some CO might be chemisorbed. However, part of the CO molecules exposed to the film seems to be physisorbed at the surface, which is important for the targeted application. Furthermore, through a subsequent application of Ar plasma treatments, the hydrocarbons layer may be removed, and the Au nanoparticles emerge at the surface. During this work, a portable optical system was designed and built in the laboratory to detect the presence of gas molecules, in particular CO, by following the shifts of the LSPR band in transmittance.Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) - Projeto 9471 - Reforçar a Investigação, o Desenvolvimento Tecnológico e a Inovação (Projeto 9471-RIDTI) comparticipado pelo Fundo Comunitário Europeu FEDER. O mencionado Projeto tem designação de "NANOSENSING" e referência PTDC/FIS-NA/1154/2014.Sampaio, PaulaBorges, Joel Nuno PintoUniversidade do MinhoProença, Maria Manuela Carvalho20172017-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/55575eng201955610info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:26:28Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/55575Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:20:54.172070Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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