Estudo dos efeitos plasmónicos em sistemas híbridos de nanopartículas metálicas (Au, Ag)-GaN

Abstract

Neste trabalho foram estudados fenómenos plasmónicos em sistemas híbridos obtidos pela deposição de nanopartículas (NPs) metálicas de ouro ou prata, de diferentes tamanhos e formas, sobre filmes de nitreto de gálio (GaN) do tipo n e do tipo p. O principal objetivo foi estudar os mecanismos de interação entre as NPs metálicas e o semicondutor GaN, monitorizando as alterações nas bandas de fotoluminescência do GaN, cujo processo de excitação ou de emissão fosse mediado pela resposta ótica das NPs sobre os filmes de GaN. As NPs metálicas foram sintetizadas por processos químicos em fase de solução e foram depositadas sobre os filmes de GaN através de dois métodos distintos: por drop casting e por funcionalização da superfície do GaN com moléculas de APTES ou de PDT. Para interpretar o comportamento das NPs metálicas sintetizadas e o efeito da sua deposição sobre os filmes de GaN nas propriedades óticas das mesmas, foi realizado um estudo detalhado das suas propriedades óticas variando o tamanho, a forma e o meio dielétrico envolvente das NPs. Para tal, foram implementadas uma série de simulações teóricas para descrever essas propriedades óticas que envolveram: a teoria de Mie, para NPs esféricas; a teoria de Rayleigh, para NPs esféricas de pequenas dimensões; a teoria de Mie-Gans, para NPs elipsoidais de pequenas dimensões; o modelo empírico de Kuwata, para NPs elipsoidais; e a aproximação dipolar discreta (DDA), para o estudo da interação entre um conjunto de NPs. Foi ainda estudado o efeito da presença de um substrato de GaN na proximidade de uma NP metálica, utilizando o método de imagem. Para sistemas mais complexos (para os quais não existe uma solução analítica) foram ainda utilizados métodos numéricos, através do software HFSS, nomeadamente para simular as propriedades óticas de NPs alongadas (nanorods). Estas simulações foram essenciais na identificação dos mecanismos plasmónicos de interação entre as NPs e o GaN. O estudo efetuado, combinando a simulação teórica e numérica, as propriedades morfológicas/topográficas das NPs-GaN e a espetroscopia de transmitância e de fotoluminescência, revelou que, nas amostras preparadas, os principais mecanismos de interação NP-GaN presentes foram a interação eletrostática não-ressonante e a transferência de eletrões através da interface entre as NPs metálicas e o GaN.

In this work was carried out a study of plasmonic phenomena in hybrid systems obtained by the deposition of metallic nanoparticles (NPs) of gold or silver, of different sizes and shapes, on gallium nitride (GaN) films of n-type and p-type. The main goal was to study the interaction mechanisms between metallic NPs and GaN, by monitoring the changes in the GaN photoluminescence bands, whose process of excitation or emission was mediated by the optical response of the NPs on the GaN films. The metallic NPs were synthesized by wet-chemical methods and were deposited on the GaN films using two different approaches: by drop casting and by the functionalization of the GaN surface with APTES or PDT molecules. In order to interpret the behavior of the NPs synthesized and the effect of the presence of GaN films on their optical properties, a systematic study was conducted to evaluate the influence of the size, shape and surrounding dielectric medium on the NPs optical properties. Therefore, a number of theoretical simulations were implemented to describe these optical properties involving: Mie theory, for spherical NPs; Rayleigh theory, for small spherical NPs; Mie-Gans theory, for small ellipsoidal NPs; Kuwata empirical model, for ellipsoidal NPs; and discrete dipole approximation (DDA), to study the interaction between a set of NPs. The effect of the presence of a GaN substrate in the vicinity of a metallic NP was also studied, using the method of images. For more complex systems (for which there is no analytical solution) numerical methods were also used, using the HFSS software, particularly to simulate the optical properties of elongated NPs (nanorods). These simulations were essential to determine the plasmonic mechanisms of interaction between NPs and GaN. The performed study, combining theoretical and numerical simulation, morphological/topographic properties, transmittance and photoluminescence spectroscopies, revealed that in the prepared NPs-GaN samples, the main mechanisms of NP-GaN interaction present were the non-resonant electrostatic interaction and the electron transfer through the interface between metallic NPs and GaN.