Nanocomposites plasmónicossíntesis, caracterización y aplicaciones

Resum

En las últimas décadas la nanotecnología ha avanzado a una velocidad vertiginosa, haciendo posible la manipulación de las propiedades de los materiales al controlar la materia a niveles nanométricos y logrando metas impensables hasta hace unas pocas décadas. Sin embargo, al tratarse de una ciencia relativamente reciente, queda mucho potencial por explotar. Es indispensable un avance científico multidisciplinar para lograr superar con éxito las actuales limitaciones tecnológicas para que continúe el progreso. Para ello serán indispensables tanto la obtención de nuevos materiales con propiedades manipulables, como el desarrollo de métodos de fabricación que permitan integrar estos materiales en nuevos dispositivos y sistemas de producción. Desde el punto de vista estructural, la miniaturización juega un papel muy importante para la inclusión de materiales en dispositivos de pequeño tamaño requeridos en multitud de aplicaciones, como microelectrónica, sensores o dispositivos biotecnológicos. Esta es la motivación del trabajo recopilado en esta tesis doctoral: lograr sintetizar materiales con propiedades a la carta, así como desarrollar procesos de fabricación que hagan viable la inclusión de estos materiales en procesos industriales. Con este objetivo, por sus interesantes características, se ha recurrido a materiales nanométricos como herramientas de innovación o de mejora. En concreto se ha trabajado con nanopartículas de metales nobles (oro, Au, y plata, Ag, principalmente), por sus excepcionales propiedades ópticas, y materiales poliméricos aislantes (polivinil alcohol, polimetilmetacrilato) y conductores (politertiofeno). Con el objetivo de lograr sintetizar nuevos materiales procesables mediante técnicas de fabricación escalables, en un primer lugar se diseñaron procesos de síntesis in-situ de materiales híbridos combinando nanopartículas y polímeros que permiten controlar las propiedades del compuesto resultante. En segundo lugar, se desarrolló un método de fabricación para lograr micro o nanoestructuras a partir de los materiales obtenidos, con el fin de poder incluirlos en dispositivos que requieran miniaturización de elementos y poder hacer su uso extensible al elevado número de aplicaciones que así lo requieren. Estos métodos de fabricación se basan en técnicas litográficas convencionales (litografía por haz de electrones, fotolitografía) y de impresión directa (micro-dispensador o micro-plotter). Finalmente se llevó a cabo la caracterización de los materiales híbridos y de las estructuras de tamaños micro y nanométricos obtenidas a partir de éstos. Para ello se utilizaron principalmente técnicas de espectroscopía (ultravioleta-visible, infrarrojo), de microscopía electrónica (Transmision Electron Microscopy, TEM y Scanning Electron Microscopy, SEM), de análisis termogravimétrico y de caracterización eléctrica. Además, estos materiales híbridos estructurados fueron la base para desarrollar un proceso de obtención de micro y nanoestructuras metálicas que dio lugar a una patente (“Obtención de micro y nanoestructuras de metal a partir de nanocompuestos”). En el mismo marco de investigación también fueron sintetizados nuevos materiales multifuncionales basados en polímeros conductores de electricidad. El objetivo es combinar polímeros conductores con matrices poliméricas litografiables y nanopartículas metálicas, obteniendo en un solo material las características de cada uno de los componentes. Dadas las propiedades de los polímeros conductores, es posible modular la conductividad eléctrica del material controlando los parámetros de síntesis. Además, las nanopartículas metálicas confieren interesantes propiedades ópticas (basadas en su resonancia de plasmón superficial localizada) y las matrices empleadas para albergar éstas hacen posible que los materiales compuestos obtenidos sean litografiables mediante técnicas convencionales. Por tanto, estos materiales novedosos suponen una excelente opción para la obtención de dispositivos de nueva generación mediante procesos escalables a nivel industrial.