Anisotropic metal nanoparticles : formation mechanisms and optical applications

Orientadores: Daniela Zanchet, José Antonio BrumTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: Nanopartículas de metais nobres têm atraído uma renovada atenção nos últimos anos devido às novas aplicações científicas e tecnológicas explorando suas propriedades ópticas únicas. No regime nanométrico, é bem conhecido que a resposta óptica de metais, associada aos plásmons de superfície, depende fortemente do tamanho e também da forma. De fato, grande parte das aplicações ópticas de nanopartículas de ouro e prata baseia-se na exploração dos efeitos de forma. Porém, apesar dos esforços realizados, os processos que levam à formação de morfologias anisotrópicas ainda não são bem compreendidos e a formulação de um mecanismo geral ainda é um desafio. Nesse trabalho, foram abordados os mecanismos de formação e crescimento de nanoprismas triangulares de prata produzidos por métodos de síntese coloidal. Uma combinação de diferentes técnicas experimentais foi utilizada para estudar diversos aspectos da síntese fotoquímica, dentre eles, a evolução morfológica, a cinética da reação e a estrutura cristalina das nanopartículas. As sólidas evidências experimentais obtidas associadas a outras observações da literatura foram utilizadas na formulação de um modelo fenomenológico para explicar a formação e crescimento dos nanoprismas de prata em métodos fotoquímicos. Esse modelo baseia-se na influência dos defeitos cristalográficos, que induzem a formação dos nanoprismas nos momentos iniciais da síntese, e na excitação de plásmons de superfície, que ocorre em estágios avançados, sendo responsável pela definição do tamanho final dos nanoprismas. Adicionalmente, cálculos teóricos indicaram que aspectos energéticos podem ter um papel ativo nesse sistema, favorecendo o crescimento dos nanoprismas em relação às nanopartículas esféricas durante os estágios iniciais da síntese. Finalmente, os nanoprismas triangulares de prata produzidos foram aplicados ao estudo de efeitos de intensificação do espalhamento Raman de moléculas. Medidas espectroscópicas de moléculas depositadas na superfície de nanoprismas com diferentes tamanhos foram realizadas e a comparação quantitativa dos resultados indicou a presença de um tamanho ótimo, que é determinado por processos de perda de energia dos plásmons de superfícieAbstract: Noble metal nanoparticles have attracted a recent renewed interest due to the new scientific and technological applications exploiting their unique optical properties. At nanometric scale, it is well known that the optical response of metals, related to the excitation of surface plasmons, strongly depends not only on the size of the particles but also on their shape. Several methodologies to produce silver and gold nanoparticles with different shapes are available in the literature. However, notwithstanding the efforts that have been made, the process that lead to the formation of anisotropic morphologies has not been fully understood yet and a general mechanism is still a challenge. In this work, we address the formation and growth mechanisms of silver triangular nanoprisms produced by photochemical methods. A set of characterization tools was used to study different aspects of the photochemical synthesis, namely, the morphological evolution, the reaction kinetics and the crystalline structure of the nanoprisms. The solid experimental evidences obtained here were used to build a phenomenological model that explains the formation and growth of silver triangular nanoplates in photochemical methods. This model was based on the influence of crystallographic defects, which induce the formation of the nanoprismas in the initial stages of the synthesis, and on the excitation of surface plasmons, which occurs in advanced stages and it is responsible for the definition of the final size of the nanoprismas. Additionally, theoretical calculations indicate that energetics might play an important role in this system, favoring the growth of nanoprismas relative to spheres. Finally, the silver triangular nanoprisms were used to study enhancement effects in the Raman scattering of molecules. We performed spectroscopic measurements for nanoplates with different sizes and the quantitative comparison of the curves indicated the existence of an optimum size that is dictated by surface plasmon energy lossesDoutoradoFísica da Matéria CondensadaDoutor em Ciência