Pulsed laser deposited silver nanoestructures for molecular sensing and photovoltaic applications

Resumen

En esta tesis hemos investigado cómo mejorar el control sobre el tamaño, la forma y la orientación de las nanopartículas (NPs) producidas por deposito por láser pulsado (PLD) a través de procesos de recocido y de irradiación con pulsos láser ultracortos, así como la aplicación de las nanoestructuras de Ag producidas como sustratos SERS y como elementos para atrapar la luz en células solares con el objetivo de mejorar sus eficiencia. El tamaño de las NPs aumenta y su forma en el plano se hace más alargada con el contenido de Ag y, una vez superado el umbral de percolación, la Ag forma una lámina casi continua. La respuesta óptica de las nanoestructuras, la resonancia del plasmón superficial (SPR), depende de la morfología del las NPs. Estos primeros experimentos, nos han permitido observar que con el PLD es complicado fabricar NPs de tamaño mayor de 50 nm y con una determinada forma y orientación en el plano. Las NPs expuestas a la atmósfera se deterioran con el tiempo. Hemos relacionado este resultado con la reacción de la Ag con algunos elementos atmosféricos (O, S y N), lo que provoca la progresiva desaparición del SPR. Es posible mejorar la estabilidad de las nanoestructuras cubriendo las NPs con una capa de oxido de aluminio amorfo (a-Al2O3). No obstante, el proceso de recubrimiento provoca la perdida de Ag. Este efecto se atribuye al proceso de arranque de Ag inducido por los iones energéticos de Al en el plasma del Al2O3. Posteriormente, hemos investigado como producir NPs de tamaño mayor que el alcanzable por PLD. Para ello hemos sometido las láminas percoladas a recocidos térmicos en vacío y aire. En ambos casos las láminas casi continuas se transforman en una capa de NPs cuyo tamaño puede alcanzar los 200 nm. El recocido en vacío induce la formación de NPs con forma irregular y alargadas, mientras que el recocido en aire genera NPs con forma esferoidal. Estas NPs son más resistentes al bombardeo iónico y dispersan la luz de forma significativa, una propiedad necesaria para sus aplicaciones en células fotovoltaicas. El recocido permite formar NPs grandes, pero no permite controlar la forma o la orientación. Para alcanzar dicho objetivo hemos utilizado la irradiación láser de NPs embebidas en a-Al2O3. Las irradiaciones llevadas acabo con un solo pulso de ns transforman las NPs alargadas y densas en una capa de NPs separadas y con forma circular en el plano, mientras que las irradiaciones con cientos de pulsos de fs inducen la formación de NPs alargadas y orientadas paralelamente a la polarización del láser. En el caso de pulsos de ns, la SPR aparece a longitudes de onda menores, su intensidad aumenta y el ancho disminuye con respecto al caso de la nanoestructura sin irradiar, mientras que para pulsos de fs, las nanoestructuras desarrollan una respuesta óptica dicroica. La utilización de las nanoestructuras fabricadas como detectores moleculares ha permitido demostrar que la intensificación de la señal Raman es mayor en el caso de nanoestructuras que contienen NPs de tamaño entre 20-30 nm separadas por distancias del mismo orden que la longitud de la molécula. Además hemos demostrado que la señal no depende de la concentración de la molécula, mientras que sí depende de la distancia entre la molécula y la superficie de una nanopartícula. Se presentan los primeros resultados obtenidos al incorporar las nanoestructuras fabricadas en células solares de calcopirita. Hemos estudiado dos configuraciones para conseguir efectos de atrapamiento de luz y hemos demostrado que la más prometedora es aquélla que se basa en que las NPs actúen como centros dispersores de luz. La incorporación de la nanoestructuras no compromete el proceso de depósito de la capa absorbente y la célula sigue siendo funcional. No obstante, no hemos evidenciado ninguna mejora en el dispositivo lo cual ha sido relacionado a una menor eficiencia de colección de los portadores de cargas fotogenerados en la célula donde se han incorporado las NPs.