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https://bdtd.unifal-mg.edu.br:8443/handle/tede/1747
Tipo do documento: | Dissertação |
Título: | Implementação de técnicas experimentais para a caracterização das respostas ópticas lineares e não lineares em nanomateriais semicondutores |
Título(s) alternativo(s): | Implementation of technical experiments for the characterization of linear and non-linear optical responses in semiconductor nanomaterials |
Autor: | SANTOS, Carlos Henrique Domingues dos |
Primeiro orientador: | VIVAS, Marcelo Gonçalves |
Primeiro membro da banca: | BONI, Leonardo de |
Segundo membro da banca: | POIRIER, Gael Yves |
Resumo: | Nanocristais (NCs) semicondutores são materiais de dimensão zero que têm chamado grande atenção nos últimos anos devido as suas propriedades ópticas lineares e não lineares excepcionais e sintonizáveis. Por exemplo, NCs baseados em cádmio possuem propriedades, como: alta eficiência quântica de fluorescência (> 0.8), alta seção de choque de absorção de um (A1F, 10-15 cm2) e dois fótons (A2F, 106 Goeppert-Mayer) e do estado excitado (10-15 cm2), e um band gap que cobre todo o espectro visível (efeito de confinamento quântico). Assim, os NCs semicondutores são excelentes candidatos para inúmeras aplicações como: painéis solares, dispositivos eletrônicos, mapeadores biológicos, a fim de citar algumas. Contudo, quantificar as propriedades ópticas lineares e não lineares de NCs não é uma tarefa fácil, como por exemplo, obter com precisão a concentração de NCs em uma solução. Como consequência, nas últimas duas décadas houve um grande conflito de dados reportados na literatura para a magnitude das respostas ópticas lineares e não lineares de nanocristais (para um mesmo NC). Deste modo, esta dissertação tem como objetivo a implementação de técnicas ópticas experimentais automatizadas para quantificar: (i) a concentração de NCs em solução (medida da seção de choque de A1F); (ii) a seção de choque do estado excitado, (iii) quantificar a seção de choque de absorção de dois fótons; (iv) estudar de forma sistemática, a supressão da fotoluminescência de NCs com tamanhos distintos devido a irradiação por laser pulsado de nanossegundos. Como uma prova de conceito, fizemos uso de NCs de CdTe devido o enorme volume de dados disponíveis na literatura para esse material. Desta maneira, inicialmente foi desenvolvido da técnica de saturação da PL que consiste em um aparato óptico simples e com resultados precisos para medir a seção de choque de A1F de NCs semicondutores de diferentes tamanhos. Os resultados mostram seções de choque de A1F são da ordem de 10-16 cm2 para NCs de CdTe com diâmetros entre 2,2 e 3,5 nm e as concentrações estão em torno de 1015 NCs/cm3. Em relação a supressão da fotoluminescência de NCs de CdTe quando expostos a pulsos de luz laser de alta irradiância, nossos resultados sugerem que o pulso de luz laser de 532 nm gera uma casca de CdS ao redor do núcleo de CdTe via dois mecanismos distintos que dependem do tamanho do nanocristal. Para as medidas não lineares, foi desenvolvida a técnica de varredura Z para quantificar a seção de choque do estado excitado dos NCs. Nossos resultados mostram que para a excitação em 532 nm, a seção de choque do estado excitado é cerca de 20% menor que a do estado fundamental, gerando o efeito de absorção saturada. Por fim, usando a técnica de fluorescência induzida por dois fótons obtivemos a magnitude da seção de choque de A2F em 1064 nm para NCs de CdTe com tamanho de 3,5 nm. Os resultados estão em boa concordância com resultados reportados na literatura usando pulsos laser de femtossegundos, sendo da ordem de 2000 GM. |
Abstract: | Semiconductor nanocrystals (NCs) are zero-dimensional materials that have called great attention in recent years due to their exceptional linear and nonlinear tunable optical properties. For example, cadmium-based NCs have high fluorescence quantum efficiency (> 0.8), high one-photon absorption cross section (1PA, 10-15 cm2) and two photons (2PA, 106 Goeppert-Mayer) and excited state (10-15 cm2), and a band gap that covers the entire visible spectrum (quantum confinement effect). Thus, semiconductor NCs are excellent candidates for numerous applications, such as: solar panels, electronic devices, biological mappers, to name a few. However, quantifying the linear and nonlinear optical properties of NCs is not an easy task, because it is very difficult to accurately obtain the concentration of NCs in a solution, for example. As a consequence, in the last two decades there has been a great conflict of data reported in the literature for the magnitude of linear and nonlinear optical responses of nanocrystals (for the same NC). Thus, this dissertation aims to implement experimental optical techniques to quantify: (i) the concentration of NCs in solution (measure the 1PA cross section); (ii) excited state absorption; (iii) the two-photon absorption cross section; (iv) to study the fluorescence photobleaching mechanism of NCs when excited by nanosecond laser pulses. As a proof of concept, we made use of CdTe NCs due to the huge volume of data available in the literature for this material. In this way, it was initially developed from the PL saturation technique, which consists of a simple optical setup and with accurate results to measure the one-photon cross section of semiconductor NCs of different sizes. The results show 1PA cross section are on the order of 10-16 cm2 for NCs of CdTe with diameters between 2.2 and 3.5 nm and the concentrations are around 1015 NCs / cm3. Regarding the suppression of the photoluminescence of CdTe NCs when exposed to pulses of high irradiance laser light, our results suggest that the 532 nm laser light pulse generates a CdS shell around the CdTe nucleus via two different mechanisms that depend on the size of the nanocrystal. For the nonlinear measurements, the Z scan technique was developed to quantify the cross section of the excited state of the NCs. Our results show that for the excitation at 532 nm, the cross section of the excited state is about 20% smaller than that of the ground state, resulting the saturated absorption effect. Finally, using the fluorescence technique induced by two-photon absorption, we obtained the magnitude of the 2PA cross section for CdTe NCs and results that are in good agreement with results reported in the literature using femtosecond laser pulses. |
Palavras-chave: | Pontos quânticos. Seção de choque (Física Nuclear). Fluorescência. |
Área(s) do CNPq: | FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Instituição: | Universidade Federal de Alfenas |
Sigla da instituição: | UNIFAL-MG |
Departamento: | Instituto de Ciência e Tecnologia |
Programa: | Programa de Pós-graduação em Física |
Citação: | SANTOS, Carlos Henrique Domingues dos. Implementação de técnicas experimentais para a caracterização das respostas ópticas lineares e não lineares em nanomateriais semicondutores. 2020. 102 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas, 2020. |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
Endereço da licença: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
URI: | https://bdtd.unifal-mg.edu.br:8443/handle/tede/1747 |
Data de defesa: | 17-Fev-2020 |
Aparece nas coleções: | Mestrado |
Arquivos associados a este item:
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