Caracterização óptica e estrutural de pontos quânticos a base de silício obtidos por ablação a laser em água

Abstract

Resumo: Nesse trabalho são apresentados resultados referentes à produção de nanopartículas a base de silício (Si) a partir de ablação a laser em água. As amostras foram caracterizadas através das técnicas de Espectroscopia de Absorção UV-Vis, Espalhamento Dinâmico de Luz (DLS), Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM), Difração de Raios X (XRD), Espectroscopia Raman e Fotoluminescência (PL). As nanopartículas foram produzidas em água bi-destilada utilizando um laser de Nd:YAG operando no primeiro harmônico (l = 1064 nm), com duração de pulso de 200 ns e taxa de repetição de 1,5 kHz. A caracterização estrutural e morfológica revelou que nanopartículas com uma distribuição de tamanhos bastante larga é formada, variando de alguns poucos nanômetros até algumas centenas de nanômetros de tamanho. Para separar as partículas muito grandes das menores e para obter uma suspensão coloidal de nanopartículas com uma distribuição de tamanhos mais estreita, utilizamos o processo de centrifugação. A amostra centrifugada foi dividida em cinco partes, oriundas de diferentes alturas, e estas irradiadas com um outro laser Nd:YAG com potência maior, operando no quarto harmônico (l = 266 nm), com duração de pulso de 5 ns e taxa de repetição de 10 Hz. O objetivo da irradiação com este laser é o de reduzir o tamanho médio das nanopartículas por meio do processo de fragmentação assistida por laser. Observou-se que a parte referente a porção superior da amostra centrifugada teve sua distribuição de tamanhos muito diminuída após a irradiação, tendo um tamanho médio de 1,5 nm (± 0,7 nm), o que é muito inferior ao raio de Bohr do éxciton para o Si. Esta amostra apresentou uma forte fotoluminescência na região do azul, sendo que esta fotoluminescência permanece estável por várias semanas. Pela análise e comparação das diversas medidas experimentais, concluímos que a emissão na região do azul muito provavelmente tem origem em dois mecanismos; efeito de confinamento quântico e de estados de defeitos na interface Si/SiO2. O processo de três passos, ablação-centrifugação-irradiação, que utilizamos neste trabalho se mostrou muito eficaz para a produção de nanopartículas fotoluminescentes com baixa dispersão de tamanhos, podendo ser uma alternativa interessante para obter suspensões coloidais biocompatíveis. No melhor de nosso conhecimento, não existe na literatura a descrição do processo que propusemos neste trabalho para obtenção de pontos quânticos. Palavras-chave: nanopartículas, silício, ablação a laser, fotofragmentação.

Abstract: The present work presents results regarding the production of silicon-based nanoparticles (Si) by means of laser ablation in water. The samples were characterized through UV-Vis Absorption Spectroscopy, Dynamic Light Scattering (DLS), Transmission Electron Microscopy (TEM), X-Ray Diffraction (XRD), Raman Spectroscopy and Photoluminescence (PL). The nanoparticles were produced in double-distilled water using a Nd: YAG laser operating at the first harmonic (l = 1064 nm), with pulse width of 200 ns and repetition rate of 1.5 kHz. The structural and morphological characterization shows that nanoparticles with a very wide size distribution is formed, ranging from a few nanometers to several hundred nanometers in size. In order to separate the very large particles from the smaller ones and to obtain a colloidal suspension of nanoparticles with a smaller size distribution we submitted the original suspensions to centrifugation. The centrifuged sample was divided into five parts and these irradiated with another Nd: YAG laser having higher power, operating at the fourth harmonic (l = 266 nm), pulse duration of 5 ns and repetition rate of 10 Hz. The goal of this laser irradiation is to reduce the size of the nanoparticles by laser-assisted fragmentation. It was observed that the upper portion of the centrifuged sample, after irradiation, presented a narrow distribution of nanoparticles with an average size as small as 1.5 nm (±0.7 nm). This sample showed a remarkable blue photoluminescence, which remained stable for several weeks. According to our data and previous studies of the literature, the emission in the blue region most probably is the result of two combined mechanisms; quantum confinement effect and defect states at the Si / SiO2 interface. The three-step method developed in this work, ablation-centrifugation-irradiation, has the potential to become an alternative route to produce ultra-small highly-luminescent Si nanoparticles in biocompatible liquids. In the best of our knowledge, there is no description in the literature of the three-steps process implemented in this work. Keywords: nanoparticles, silicon, laser ablation, photofragmentation.