Registro:
| Documento: | Tesis Doctoral |
| Disciplina: | fisica |
| Título: | Impresión óptica de nanopartículas metálicas |
| Título alternativo: | Optical printing of metallic nanoparticles |
| Autor: | Gargiulo, Julián |
| Editor: | Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |
| Filiación: | Departamento de Física
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| Publicación en la Web: | 2017-06-09 |
| Fecha de defensa: | 2017-03-23 |
| Fecha en portada: | 2017 |
| Grado Obtenido: | Doctorado |
| Título Obtenido: | Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas |
| Director: | Stefani, Fernando D. |
| Consejero: | Bragas, Andrea |
| Jurado: | Estrada, Laura; Azzaroni, Omar; Coronado, Eduardo A. |
| Idioma: | Inglés |
| Palabras clave: | FABRICACION DE PATRONES DE PARTICULAS COLOIDALES; NANOPARTICULAS METALICAS; MANIPULACION OPTICA; TERMOFORESIS; QUIMICA ASISTIDA POR PLASMONICACOLLOIDAL NANOPATTERNING; METAL NANOPARTICLES; OPTICAL MANIPULATION; THERMOPHORESIS; PLASMON-ASSISTED CHEMISTRY |
| Tema: | física/óptica cuántica
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| Formato: | PDF |
| Handle: |
http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6154_Gargiulo |
| PDF: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n6154_Gargiulo.pdf |
| Registro: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n6154_Gargiulo |
| Ubicación: | Dep.FIS 006154 |
| Derechos de Acceso: | Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Gargiulo, Julián. (2017). Impresión óptica de nanopartículas metálicas. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6154_Gargiulo |
Resumen:
Las nanopartículas metálicas (MNPs) presentan propiedades optoelectrónicasúnicas que dependen de su forma y su tamaño y que no están presente enpartículas de tamaños macroscópicos. Estas propiedades surgen a partir de susresonancias plasmónicas superficiales localizadas (LSPRs), que producen intensificaciones enormes del campo electromagnético cerca de la superficie de las MNPsy aumentan sus secciones eficaces de dispersión y absorción. Estos efectos hanmotivado el uso de las MNPs en muchas aplicaciones del campo de la nanotecnología, incluyendo el sensado ultra-sensible, celdas solares, fotónica, microscopía,catálisis, medicina y farmacéutica. La fabricación de MNPs puede conseguirse mediante métodos top-down(dearriba hacia abajo) o bottom-up(de abajo hacia arriba). En los primeros, un procesolitográfico o de ataque químico le agrega morfología a una película metálicapreviamente depositada sobre un sustrato. De esta manera pueden fabricarseestructuras en dos dimensiones con alta precisión y resolución. Sin embargo, lacalidad del material es en general pobre y se obtienen partículas policristalinas conbordes rugosos. Además, la combinación de dos o más materiales mediante estastécnicas es complicada. Por otro lado, MNPs de una gran variedad de formasy composiciones pueden ser producidas en procesos bottom-up mediante sintesisquímica. Estas MNPs son monocristalinas y se les puede dar funciones químicaso biológicas específicas en su superficie. Sin embargo, las MNPs coloidales se obtienenen suspensiones líquidas y no es fácil controlar su ensamblado en posicionesprecisas de un sustrato. Uno de los desafíos actuales de la nanotecnología es eldesarrollo de un método para controlar su ensamblado con precisión nanométrica,lo que permitiría la aplicación de la enorme librería de partículas coloidales ennano y micro-dispositivos. La impresión óptica de MNPs es un método puramente óptico que puedecumplir este objetivo. El mismo emplea láseres fuertemente enfocados para atrapar MNPs desde una suspensión coloidal y llevarlas individualmente hasta posicionesespecíficas de un sustrato con gran precisión y versatilidad de diseño. Debidoa que esta basada en fuerzas ópticas y que la interacción de la luz dependefuertemente de la forma y el material de la MNP, la técnica tiene un gran potencialpara la deposición selectiva de diferentes tipos de MNPs y su combinaciónen patrones organizados. Esta tesis presenta un estudio sistemático de la precisión y la resolución de latécnica de impresión óptica de nanoparticulas metálicas. Su potencial, sus limitacionesy perspectivas son analizadas en base a experimentos y consideracionesteóricas. En primer lugar, la precisión para inmovilizar MNPs únicas fue estudiada enfunción de la potencia del láser de impresión, para MNPs esféricas de oro y plata. Se identificaron dos regímenes diferentes, dependiendo de si el láser utilizadoestaba o no sintonizado con la LSPR de la partícula. Sorprendentemente y apesar de ser una técnica óptica de campo lejano, es posible imprimir MNPs conuna precisión cercana a los 50nm, muy por debajo del límite de difracción. Luego se estudió la resolución de la impresión óptica, entendida como la capacidadde imprimir dos o más partículas a distancia controlada. Antes de estetrabajo hubo varios reportes en donde se mostró que era imposible imprimirdos partículas a distancias menores que 200 - 300 nm, debido a una repulsiónde naturaleza incierta. Este hecho constituyó una importante limitación en latécnica, que impidió su implementación para fabricar circuitos de MNPs conectadaso estructuras con partículas acopladas plasmonicamente. En esta tesis seestudiaron los orígenes de esa repulsión y se encontró que estaba relacionada alcalentamiento óptico de las partículas ya impresas sobre el sustrato. Se propusierony pusieron a prueba experimentalmente varias estrategias para lograrla impresión de partículas conectadas, lográndose por primera vez la impresiónóptica de partículas conectadas y con orientación bien definida. Finalmente, la impresión óptica fue utilizada como una herramienta para elestudio sistemático de reacciones químicas el nivel de partícula única. NPs deoro impresas ópticamente fueron usadas como semillas a partir de las cuales seobtuvieron NPs más grandes mediante la reducción asistida por plasmónica de HAuCl4acuoso. De esta manera la geometría final de cada partícula se controlóindependientemente.
Abstract:
Metal nanoparticles (MNPs) present unique size and shape dependent optoelectronicproperties that are not present in larger particles or the bulk material,which arise from their localized surface plasmon resonances (LSPRs). LSPRsproduce dramatic enhancements of the electromagnetic field close to the surfaceof the particle as well as large scattering and absorption cross-sections. Theseparticular properties have motivated the use of MNPs in many applications inthe field of nanotechnology, including ultra-sensitive sensing, light harvesting,imaging, photonics, catalysis, and medical and pharmaceutical therapies. The fabrication of MNPs can be achieved by top-down or bottom-up approaches. In thefirst, lithographic or etching processes add morphology to a thinmetallic film previously deposited on a substrate. In this way, two-dimensionalnanostructures can be fabricated with high precision and resolution, but the materialquality is usually poor leading to polycrystalline nanoparticles with roughsurfaces. Also, combining two or more materials is challenging. On the other hand, bottom-up produced colloidal MNPs can be obtained bychemical synthesis with a vast variety of shapes and compositions not available bytop-down approaches. These nanoparticles are usually monocrystalline and canhold specific biological or chemical functions at their surfaces. However, colloidalnanoparticles are obtained in liquid suspensions and controlling their assemblyonto precise positions of a substrate is not straightforward. Developing a methodto control their assembly onto substrates with nanometric precision is one of theopen challenges of nanotechnology. Such a method would enable the applicationof the enormous library of colloidal nanoparticles on nano- and micro-devices. Optical printing is a powerful all-optical method that can accomplish thisgoal. It employs highly focused laser beams to trap colloidal nanoparticles fromsuspension and deliver them individually into specific locations on a surface withhigh accuracy and flexibility of pattern design. Since it is based on optical forcesand the interaction of light with MNPs is size and composition dependent, thetechnique has a strong potential for selective deposition of different kinds of MNPsand their combination in organized patterns. This thesis presents a systematic study of the precision and resolution ofoptical printing applied to MNPs. Its potential, limitations and perspectives areanalysed based on measurements and theoretical considerations. First, the precision of optical printing to immobilize single MNPs was studiedas a function of the laser power, for MNPs made of gold and silver. Two differentregimes were identified depending on whether the laser used is tuned to the LSPRor not. Remarkably, in spite of being a far-field optical technique, MNPs can beprinted with a precision of about 50 nm, well beyond the diffraction limit. Next, the resolution of optical printing, i.e. the capacity to print two or more MNP at controlled distances, was addressed. Before this work, several reportshad shown that it was impossible to print two MNPs closer together than 200 - 300 nm, due to a repulsion of unclear nature. This constituted an importantlimitation that has obstructed the use of optical printing for the fabrication ofplasmonically coupled structures and circuits of connected NP. In this thesis,the origin of this repulsion was investigated and found to be related to opticalheating of the already printed MNP. Furthermore, several strategies to fectivelyprint connected MNPs were proposed and tested, accomplishing for the first timeoptical printing of connected nanoparticles with well-defined orientation. Finally, optical printing was applied as a tool for studying systematicallychemical reactions at the single MNP level. As an example, optically printedgold NPs were used as seeds to obtain larger NPs by plasmon-assisted reductionof aqueous HAuCl4. In this way, supported MNPs were reshaped in situ to controlledfinal morphologies.
Citación:
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Gargiulo, Julián. (2017). Impresión óptica de nanopartículas metálicas. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6154_Gargiulo
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Gargiulo, Julián. "Impresión óptica de nanopartículas metálicas". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2017.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6154_Gargiulo
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