Estudo de guias de onda de prata e aplicações em dispositivos plasmônicos

Abstract

A troca iônica é uma técnica simples, e com baixo custo, empregada para modificar a estrutura de vidros. Íons de um sal aquecido, como o Ag+, são trocados por íons presentes na região superficial do vidro (Na+), o qual é seguido por um processo de difusão destes íons. Como resultado, estes vidros podem ser utilizados na produção de dispositivos para óptica integrada como, por exemplo, guias de onda. Porém, mesmo esta técnica e seus processos sendo bem fundamentados na literatura, há ainda nichos não explorados. Guias de onda de prata sofrem um processo, o qual se preferiu denominar de “envelhecimento”, onde os guias expostos ao ar (temperatura ambiente) modificaram sua coloração devido à formação de uma camada recobrindo suas superfícies. Na presente Tese busca-se investigar esse “envelhecimento” através de diversas técnicas ópticas e não ópticas de caracterização, visando a determinação da composição e estrutura da camada formada. Para tanto, foram preparadas amostras com tempos de 5, 30 e 120min de troca iônica usando um sal composto de NaNO3 e 5% molar de AgNO3 a 350 ºC em vidros soda-lime. A evolução do envelhecimento foi acompanhada por espectrofotometria e elipsometria espectral durante 35 dias. Adicionalmente, as amostras foram também caracterizadas usando as técnicas de RBS, EDS, XPS, ToF-SIMS, TEM, Linhas-M e AFM. Estas técnicas mostraram que o envelhecimento dos guias envolve inicialmente um processo de migração dos íons, alterando o guiamento de luz e causando o surgimento de 1 modo adicional nas amostras com tempos de troca iônica de 30min e 120min. Após os íons atingirem a superfície do guia, eles se agregam formando nanopartículas de prata e paralelamente há também interação dessas nanopartículas com o ar ambiente, provocando a formação de Ag2O. Com isso, há o crescimento de uma camada com alta absorbância de luz no espectro visível, formada por uma mescla de nanopartículas de prata e óxido, tendo espessuras variando entre 1 a mais de 20 nm, dependendo dos tempos de troca iônica e de exposição ao ar ambiente. O envelhecimento, ao contrário de ser visto como um aspecto negativo, pode ser utilizado como um novo template para aplicações em plasmônica, tendo custos de fabricação baixos e envolvendo um número pequeno de processos de baixa complexidade. Para demonstrar sua aplicabilidade à plasmônica, são apresentadas duas aplicações. A primeira envolvendo a ampliação de sinais de Raman da molécula de prova Rodamina 6G adsorvida, a chamada espectroscopia SERS. A segunda foi a fabricação de redes de difração holográficas (57 mm de período e eficiência de 0,5%), usando 3 pulsos de 2,2 mJ de um laser Nd:YAG Q-Switched. Esta rede pode ser facilmente apagada, reduzindo o óxido de prata em prata metálica, via um tratamento térmico a 80 ºC e o template pode ser preparado novamente para processamento via uma nova oxidação, demonstrando assim sua versatilidade.

The ion-exchange is a simple technique, with low cost, used to modify structure of glasses. Ions from a heated salt as Ag+ are exchanged by ions from the glass superficial region (Na+), which is followed by diffusion process of these ions. As result, these glasses can be used in the production of integrated optical devices as, for example, planar waveguides. However, even this technique and its processes are well grounded in the literature, there are still unexplored niches. Silver waveguides suffer a process, which is preferred to be called “aging”, where the guides exposed to air (room temperature) changed its color owing due to the formation of a layer covering their surfaces. This thesis seeks to investigate this “aging” through various optical and non optical characterization techniques, aiming to determinate the composition and structure of the formed layer. For this purpose, samples were prepared with ion-exchange times of 5, 30 e 120min, using a mixed salt of NaNO3 and 5% molar of AgNO3 at 350 ºC in soda-lime glasses. The aging evolution was monitored by spectrophotometry and spectral ellipsometry during 35 days. Additionally, the samples were also characterized using the techniques of RBS, EDS, XPS, ToF-SIMS, TEM, M-Lines and AFM. These techniques showed that the guides aging, initially involves a migration process of the ions, changing the light guiding and leading to the appearance of one additional mode in the samples (30 and 120min of ion-exchange). After the ions reach the surface of the guide, they aggregate forming silver nanoparticles and in parallel there is also interaction between these nanoparticles with the ambient air, causing the formation of Ag2O. So, there is the growth of a high light absorbance layer in the visible spectrum formed by a mixture of silver nanoparticles and oxide, having thicknesses between 1 to more than 20 nm, depending of ion-exchange and exposure to ambient air times. The aging, unlike be seen as a negative aspect, it can be used as a new template for plasmonic applications, having low costs of manufacture and involving a small number of steps with low complexity. To demonstrate its applicability to plasmonics, two applications are presented. The first involves the amplification of Raman signals from Rhodamine 6G test molecule adsorbed by the sample surface, the called SERS spectroscopy. The second was the fabrication of holographic diffraction gratings (57 mm period and efficiency of 0.5 %) using 3 pulses of 2.2 mJ from a Nd:YAG Q-switched laser. This grating can be easily erased by reducing the silver oxide to metallic silver, through heat treatment at 80 ºC and the template can be prepared again for new processing through oxidation, thus demonstrating its versatility.