Preparación y caracterización de capas plasmónicasNanopartículas de oro en matrices de óxidos de zinc y níquel

Resumen

Las nanocomposites han atraído gran atención por parte de los investigadores en los años anteriores debido a que estos materiales pueden ser materiales multifuncionales que combinan las propiedades de las nanopartículas de metales nobles con las características de los polímeros u óxidos metálicos. Como resultado las capas delgadas a base de nanocomposite podrían ser potencialmente usadas para sensado o celdas solares. El control del tamaño y la forma de las nanopartículas, así como su concentración y distribución dentro de la matriz es importante para obtener materiales multifuncionales y otras potenciales aplicaciones. En este trabajo se reporta un novedoso método de síntesis, conocido como sol-gel, para la fabricación de capas de nanopartículas de oro embebidas dentro de capas de ZnO. El procedimiento consiste en depositar vía centrifugación una solución acuosa de acetato de zinc Zn(CH3COO) y HAuCl4, seguida de un tratamiento térmico a 300◦C - 500◦C por dos horas. Antes del tratamiento térmico final se realizan tratamientos térmicos intermedios con el fin de evaporar el solvente. El procedimiento anterior se repite hasta obtener el espesor deseado. El espesor de la capa puede ser controlada mediante la concentración de nanopartículas y material precursor durante el proceso de secado. Las capas de Au - ZnO exhiben una banda de absorción alrededor de 362 nm, atribuída a la absorción excitónica, la cual corresponde a una energía de banda prohibida de 3.4 eV. De otra manera, las nanopartícualas exhiben dos bandas de absorción, alrededor de 550 nm y 553 nm, asociada a la resonacia de plasmón superficial localizada. La conductividad de las capas de ZnO se encuentra alrededor de 0.03 S/cm, mientras que para las capas de Au − ZnO se reduce en un factor de 2, lo cual puede ser debido a la reducción de los portadores de carga en los granos de ZnO cuando se incrementa barrera de potencial en la frontera de grano. Otro material que ha sido objeto de estudio es el óxido de niquel (NiO), material que ha sido ampliamente objeto de estudio debido a sus propiedades electrocrómicas. A partir de este material también se ha preparado un nanocomposite que incluye además del óxido metálico, nanopartículas de oro. El nanocomposite Au − NiO se ha obtenido tomando como precursores el acetato de niquel, (Ni(CH3COO)2 y el ácido cloroaúrico HAuCl4. Las capas delgadas obtenidas son tratadas térmicamente entre 300◦C-700 ◦C por dos horas en atmósfera de aire, lo cual permite obtener capas de 102 nm, con tamaño de partícula entre 20 - 90 nm dependiendo de la temperatura de tratamiento térmico. Las anteriores capas son caracterizadas mediantes técnicas estructurales:Microscopía Eléctrónica de Barrido (SEM),Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM), Espectroscopía de Rayos X (XDR); Térmicas: Análisis Termogravimétrico, Análisis Térmico Diferencial; Ópticas: Microscopía de Absorción en el UV − Vis; Eléctricas. Por último se ha encontrado que tanto las capas de Au − ZnO y Au − NiO presentan propiedades fotocatalíticas. Se analizó la actividad fotocatalítica de las capas de Au−ZnO y Au−NiO utilizando un simulador solar y Naranja de Metilo (C14H14N3NaO3S ); un colorante ampliamente utilizado para evaluar la actividad fotocatalítica de capas fotosensibles. El procedimiento consistió en sumergir las capas de ZnO ó Au−ZnO, depositadas sobre sustratos de vidrio en 5ml de Naranja de Metilo e irradiar con luz visible proveniente del simulador solar. Posteriormente se midió el espectro de transmitancia, el cual permitió representar el espectro de absorción de la capa en función del tiempo de irradiación. Las nanopartículas incorporadas en las capas fueron determinantes en el comportamiento fotocatalítico de las capas. El efecto de depositar nanopartículas metálicas, principalmente de oro en la superficie de un semiconductor, es que ellas funcionan como co-catalizadores, que promueven la separación del par electrón-hueco. En las partículas modificadas, los electrones fotogenerados son transferidos sobre las nanoislas metálicas mientras que los huecos permanecen en el semiconductor; esto resulta en la aceleración de los procesos cinéticos, debido a un decrecimiento en la velocidad de recombinación del par electrón-hueco.