Impresión óptica de nanopartículas metálicas - Gargiulo, Julián (2017)
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.