Laser-Induced growth of nanoparticles and nanostructures

Abstract

The preparation of nanostructures assisted by laser action was studied and successfully accomplished from solution and on surfaces. The synthesized nanostructures were characterized by several microscopy techniques. Silver, gold, copper and platinum nanoparticles were grown on surfaces in the form of patterns by the exposure of laser radiation onto droplets of metal ion solutions and the aid of a reducing agent. The generation of patterns from metallic nanoparticles (NPs) was achieved by combining induced growth of nanoparticles and nanostructures by laser incidence directly on surfaces (LIDS) and optical image formation techniques for transferring the patterns. Near-ultraviolet (363.8 nm) and visible (532 nm) laser wavelengths were used for the laser induced growth of NPs into microstructures on glass, quartz, stainless steel, silicon and gold-on-silicon substrates. The sizes of the patterns formed were on the micrometer scale and the sizes of the transferred patterns were on the millimeter scale. The patterns formed were generated by optical transference of image and interference of laser beams. Ag and Au substrates were highly active in surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). The enhanced Raman activity was measured for SERS probe molecules: 9H-purin-6-amine (adenine) and 1,2-bis(4-pyridyl)-ethane (BPE) analytes on Ag and Au substrates, respectively. The enhancement factor obtained were 1.8×105 and 6.2×106 respectively. The growth Ag nanoparticles in solution and their conversion to nanoprisms induced by laser radiation action were studied and the kinetics of growth and conversion processes was measured. A mechanism for the growth and conversion from nanoparticle seeds to nanostructures consisting of two processes was proposed. The kinetics for the two processes was measured and the dependence of rate of growth and conversion with laser power was obtained. The quantum efficiency for the processes was also measured. The first process consisting of agglomeration was found to depend on the probability of excitation of plasmon the initial nanoparticles (seeds). This first process is necessary for the second process (growth process) to occur and controls it in an indirect way. Nucleation and crystallization of nanoprisms and the growth of crystal are produced by the NP excited by light. The size of the crystals obtained is controlled by the wavelength of the incident light in the second process. The growth begins by an agglomeration process followed by fusion of the nanoparticles to produce small crystals and finally the growth of relatively large crystals. SERS activity was measured for three different analytes, several types of nanoprisms and various Raman excitation lines. Enhanced Raman activity was measured for nanoprisms in aqueous suspensions and on surfaces. The activity SERS for the nanoprisms is better when those are on substrate surfaces. It is possible have a considerable repeatability when a gold surface is treated with a solution of S2− anions.

La preparación de nanoestructuras asistida por acción de láseres se estudió y fue exitosamente llevada a cabo en solución y sobre superficies. Las nanoestructuras sintetizadas fueron caracterizadas fue realizada por varias técnicas de microscopía. Nanopartículas de plata, oro, cobre y platino fueron sintetizadas sobre superficies por exposición de la radiación láser sobre una gotita de solución de iones metálicos y un agente reductor. Laser of ultravioleta cercano (363.8 nm) y visible (532 nm) se utilizaron para el crecimiento inducido de las nanopartículas sobre vidrio, cuarzo, acero inoxidable y sobre silicio cubierto de oro. Los tamaños de los patrones formados fueron de escala de micrómetros y los tamaños de los patrones transferidos eran en la escala de milímetros. El tamaño de los patrones obtenidos está limitado por la longitud de onda de la luz, el tamaño del objeto que acta como la imagen del patrón para generar la imagen transferida y el diseño de ópticas empleadas. La falta de nitidez cuando la imagen del patrón es ópticamente transferido está limitada por la configuración óptica debido a que el proceso de deposición es al azar en el sitio irradiado. Un efecto de penumbra también puede inducir el crecimiento de nanopartículas en los alrededores de la imagen, disminuyendo la nitidez de la imagen en las fronteras. Los super-substratos de Ag y Au fueron activos para espectroscopia Raman aumentada sobre ficie. La actividad fue medida para 9H-purina-6 amina (adenina) y 1,2-bis(4-piridil)-etano (BPE) como analitos sobre los substratos de Ag y Au respectivamente. El factor de au- mento fue 1.8x103 y 6.2x 108 respectivamente. El crecimiento de nanopartículas de Ag en solución y su conversión a nanoprismas inducidos por acción de radiación láser se estudió y la cinética de los procesos de crecimiento y conversión se midió. Un mecanismo para el crecimiento y conversión de semillas de nanopartículas a nanoestructuras se propuso. La cinética de los dos procesos se midió y la dependencia de la rapidez de crecimiento con la potencia del láser se obtuvo. La eficiencia cuántica para los procesos también se midió. El primer proceso consistente de aglomeración se encontró que tiene una dependencia en la babilidad de la excitación de las oscilaciones colectivas de electrones de en la banda de pro conducción del metal o plasmón de las nanopartículas iniciales (semillas) utilizadas para el crecimiento inducido por radiación láser. Este primer proceso es necesario para que se de paso al segundo proceso (de conversión) y controla el mismo en forma indirecta. La nucleación y cristalización de nanoprismas y el crecimiento cristalino se producen mediante la excitación de las nanopartículas por luz. El tamaño de los cristales obtenidos se controla con la longitud de onda de la luz incidente en el segundo proceso. El crecimiento comienza con un proceso de aglomeración seguido por la fusión de nanopartículas para producir pequeños cristales y finalmente crecimiento de cristales relativamente grandes. Act ividad SERS se midió para tres analitos diferentes, varios tipos de nanoprimas y varias longitudes de onda de excitación Raman. Actividad Raman realzada por superficies se midió para nanoprismas en suspensiones acuosas y en superficies de sustratos. La actividad SERS de los nanoprismas fue mayor cuando las nanoestructuras se depositaron sobre superficies y se enlazaron fuertemente al sustrato de oro. Se demostró que es posible conseguir buena reproducibilidad cuando se utiliza una superficie de oro tratada con una solución de aniones S2-.