Estudo das ressonâncias de plasmon em filmes silicatos com nanopartículas de Ag interagentes

Abstract

Neste trabalho, estudou-se o comportamento da ressonância de plasmon de superfície de camadas de nanopartículas metálicas de prata envoltas por dióxido de silício ou sobre superfícies desse material. Os filmes produzidos tiveram suas propriedades estruturais caracterizadas por microscopia eletrônica de transmissão, enquanto as propriedades ópticas foram investigadas por espectrofotometria. As nanopartículas apresentaram diâmetro médio de 8 nm e a ressonância de plasmon desses filmes estava deslocada em relação à previsão teórica do modelo de Maxwell Garnett. Esse deslocamento ocorreu em direções contrárias, dependendo se a direção do campo elétrico está paralela ou perpendicular ao plano de partículas, e foi atribuído à transferência estática de cargas e à interação dipolar entre as nanopartículas no sistema. A transferência estática de cargas foi considerada com base em dados estabelecidos na literatura para prata envolta por SiO2, ao passo que duas abordagens foram utilizadas para simular a posição da ressonância de plasmon de tais filmes. Ambas abordagens estão inicialmente baseadas no modelo de Maxwell Garnett, mas considerando a função dielétrica do metal modificada pela interação dipolar entre as nanopartículas. O primeiro modelo proposto adaptou o termo ImA – originalmente sugerido para descrever o deslocamento da ressonância de plasmon devido aos estados adsorvidos na superfície – para ajustar e simular as propriedades dos filmes produzidos. Esse modelo apresentou bons resultados para o campo elétrico paralelo ao plano das partículas, sobretudo para os filmes de nanopartículas de prata enterradas em SiO2. Entretanto, a posição do pico de ressonância para o campo elétrico ortogonal ao plano das partículas prevista pelo método com ImA, a incidências oblíquas da luz, não está em concordância com a posição da ressonância medida. A segunda abordagem conectou o modelo de Maxwell Garnett à teoria dipolar de interação entre as partículas em sistemas bidimensionais, desenvolvida por Persson e Liebsch. Essa abordagem permitiu descrever corretamente a posição da ressonância de plasmon, tanto para acoplamento perpendicular, quanto paralelo do campo elétrico no filme com nanopartículas e possibilitou relacionar as características estruturais da amostra aos parâmetros de simulação. Os modelos também foram aplicados em uma amostra que apresentou significativa deterioração após sua produção. A comparação entre as simulações e os resultados experimentais foi bastante satisfatória, dentro das aproximações impostas pelo modelo utilizado, como distribuição uniforme de partículas idênticas. Isso indica que essas abordagens representam uma ferramenta muito útil para determinar o comportamento de dispositivos baseados em filmes finos com nanopartículas metálicas.

In this work, the behavior of surface plasmon resonance from layers of silver nanoparticles embedded in silicon dioxide or on surfaces of silicon dioxide was studied. Structural properties of the produced films were characterized by transmission electron microscopy, while the optical properties were studied with a spectrophotometer. Results showed average nanoparticle diameter of 8 nm and that the plasmon resonance was shifted with respect to the predicted theoretical value. This plasmon resonance shifted in opposite direction, depending if the direction of the wave electric field is parallel or perpendicular to the film. This shift was attributed to the static charge transfer and to the dipolar interaction between the nanoparticles in the sample. The static charge transfer was considered by taking into account data from literature for Ag in SiO2, while two approaches were used to simulate plasmon resonance position. Both approaches were initially based in the Maxwell Garnett Model, but considering a modified dielectric function for the metal due to the dipolar interaction between the nanoparticles. The first model suggested to use the term ImA, which was originally developed to describe shifts in plasmon resonance due to adsorbate surface states, in order to fit or simulate the properties of the films. This model showed good results especially for films with silver nanoparticles buried into silicon dioxide, when the electric field was parallel to its plane. But, the position of the peak when the field is perpendicular to the film plane, at oblique incident angles, was not in accordance with the measured peak position. A second approach was developed aiming to connect Maxwell Garnett model to the theory of dipolar interaction between particles in bidimensional samples, developed by Persson and Liebsch. This approach allowed describing correctly the position of surface plasmon resonance for both, parallel or perpendicular coupling of electrical field in the film. It also allowed relating structural properties of the sample to the parameters of simulation. The presented model was also applied for a sample which presented significative deterioration. Comparison between simulated and experimental results is satisfactory within the limitation of the applied model (uniform distribution of identical particles). This indicates that this approach can represent a tool for predicting the behavior of devices based in thin films of metallic nanoparticles.