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Tipo do documento: Dissertação
Título: Geração localizada de nanopartículas de Au em matrizes poliméricas via laser
Título(s) alternativo(s): Localized generation of Au nanoparticles in polymer matrices via laser
Autor: BERNARDES, Guilherme Matavelli Prata 
Primeiro orientador: VIVAS, Marcelo Gonçalves
Primeiro membro da banca: POIRIER, Gaël Yves
Segundo membro da banca: ALMEIDA, Gustavo Foresto Brito de
Resumo: A demanda por dispositivos eletrônicos portáteis tem aumentado substancialmente e impulsionado o desenvolvimento de tecnologias que possibilitam a criação de dispositivos integrados na micro e nano-escala. Assim, este trabalho tem como objetivo investigar a geração de nanopartículas de ouro em matrizes poliméricas com localização micrométrica para diferentes aplicações tecnológicas. Para tanto, foram preparados filmes poliméricos de polimetilmetacrilato (PMMA) e poli(acetato de vinila) (PVA) contendo ácido cloro áurico (HAuCl4.H2O) via a técnica de “casting”. Inicialmente, o filme de PMMA em torno de 100 μm contendo 2 mM de HAuCl4.H2O foi colocado em um sistema de microfabricação a laser (laser pulsado com 1 ns de duração temporal, 2 kHz de taxa de repetição, potência média em torno de 90 mW) e objetivas de microscópio de 10x (NA=0.25). Após a microfabricação dos filmes poliméricos, os mesmos foram submetidos a espectroscopia UV-vis e foi observada a banda de plásmon em torno de 550 nm. A partir dessa caracterização foi possível comprovar a produção de nanopartículas metálicas. Embora tenhamos conseguido modificar a “cor” das microestruturas plasmônicas em PMMA, as ranhuras obtidas ficaram com larguras muito elevadas, da ordem de 100 µm. Dessa forma, partimos para a produção de filmes de PVA que é solúvel em água como o HAuCl4 e possui maior condutividade térmica que o PMMA. Nesta etapa, trocamos o feixe de excitação para um laser contínuo em 405 nm e objetiva e microscopia de 20 x (NA=0.4), com o intuito de obter um processo mais eficaz na geração das nanopartículas de ouro. Inicialmente, investigamos o efeito da velocidade de varredura do laser (de 50 µm/s à 250 µm/s) sobre a produção das microestruturas plasmônicas. Observamos um comportamento exponencial decrescente da absorção na banda de plásmons em função da velocidade de varredura do laser, indicando que as nanopartículas geradas diminuem de tamanho com o aumento da velocidade de varredura. Este comportamento foi observado para as amostras de PVA contendo 2 mM, 3,5 mM e 7 mM de HAuCl4. Também observamos que o aumento da concentração de ácido cloroáurico aumenta a largura das ranhuras produzidas e o tamanho de nanopartículas de ouro geradas. Para a largura das trilhas um aumento de 10 µm para 35 µm é observado com a mudança de 2 mM para 7 mM de ácido cloroáurico. Com o intuito de obter dados quantitativos do tamanho das nanopartículas geradas, as curvas de absorção foram modeladas a partir da teoria de Gans-Mie. Os resultados sugerem que as nanopartículas geradas possuem a forma de um esferoide oblato, análogo a forma gerada através de métodos químicos. Além disso, os resultados mostram que há duas regiões de velocidades que produzem tamanhos de nanopartículas consideravelmente diferentes. A primeira região entre as velocidades de 50 e 150 μm/s em que o valor médio do semi-eixo maior e menor ficaram entre (6.8 ± 1.9) nm e (4.4 ± 1.5) nm, respectivamente. E uma segunda região para velocidades maiores (150 e 250 μm/s) e diâmetros menores ((2.0 ± 0.6) nm para o semi-eixo maior e (1.3 ± 0.5) nm para o semi-eixo menor). Esta análise foi realizada apenas para as mostras contendo PVA com 7 mM de HAuCl4. Portanto, foi possível controlar o tamanho das nanopartículas produzidas apenas modificando a velocidade de varredura do laser. Este processo de fabricação usando PVA e laser contínuo em 405 nm se mostrou bem mais eficaz no controle das nanopartículas que o primeiro método. Nossos resultados abrem a possibilidade de fabricar dispositivos plasmônicos flexíveis utilizando a técnica de microfabricação a laser.
Abstract: The demand for portable electronic devices has increased substantially and driven the development of technologies that make it possible to create integrated devices at the micro and nano-scale. Thus, this work aims to investigate the generation of gold nanoparticles in polymeric matrices with micrometric localization for different technological applications. For this purpose, polymeric films of polymethylmethacrylate (PMMA) and poly(vinyl acetate) (PVA) containing chlorine auric acid (HAuCl4.H2O) were prepared via the casting technique. Initially, the PMMA film of around 100 μm containing 2 mM of HAuCl4.H2O was placed in a laser microfabrication system (pulsed laser with 1 ns duration, 2 kHz repetition rate, average power around 90 mW) and 10x microscope objectives (NA=0.25). After micromanufacturing the polymeric films, they were submitted to UV-vis spectroscopy and the plasmon band was observed around 550 nm. From this characterization it was possible to prove the production of metallic nanoparticles. Although we were able to modify the “color” of the plasmonic microstructures in PMMA, the grooves obtained were very wide, on the order of 100 µm. Thus, we set out to produce PVA films, which are soluble in water like HAuCl4 and have higher thermal conductivity than PMMA. In this step, we changed the excitation beam to a continuous laser at 405 nm and a 20x objective and microscopy (NA=0.4), in order to obtain a more efficient process in the generation of gold nanoparticles. Initially, we investigated the effect of laser scanning speed (from 50 µm/s to 250 µm/s) on the production of plasmonic microstructures. We observed an exponentially decreasing behavior of the absorption in the plasmon band as a function of the laser scanning speed, indicating that the generated nanoparticles decrease in size with the increase in the scanning speed. This behavior was observed for PVA samples containing 2 mM, 3.5 mM and 7 mM of HAuCl4. We also observed that increasing the concentration of chloroauric acid increases the width of grooves produced and the size of generated gold nanoparticles. For the width of the tracks an increase from 10 µm to 35 µm is observed with the change from 2 mM to 7 mM of chloroauric acid. In order to obtain quantitative data on the size of the generated nanoparticles, the absorption curves were modeled based on the Gans-Mie theory. The results suggest that the generated nanoparticles have the shape of an oblate spheroid, analogous to the shape generated through chemical methods. Furthermore, the results show that there are two regions of velocities that produce considerably different nanoparticle sizes. The first region between the velocities of 50 and 150 μm/s where the average value of the semi-major and minor axis were between (6.8 ± 1.9) nm and (4.4 ± 1.5) nm, respectively. And a second region for higher velocities (150 and 250 μm/s) and smaller diameters ((2.0 ± 0.6) nm for the semi-major axis and (1.3 ± 0.5) nm for the semi-minor axis). This analysis was performed only for samples containing PVA with 7 mM HAuCl4. Therefore, it was possible to control the size of the produced nanoparticles just by modifying the laser scanning speed. This manufacturing process using PVA and continuous laser at 405 nm proved to be much more effective in controlling nanoparticles than the first method. Our results open up the possibility of fabricating flexible plasmonic devices using the laser microfabrication technique.
Palavras-chave: microfabricação
casting
ácido cloroaurico
eletrônica flexível
poliacetato de vinila
Área(s) do CNPq: ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
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 Ciência e Engenharia de Materiais
Citação: BERNARDES, Guilherme Matavelli Prata. Geração localizada de nanopartículas de Au em matrizes poliméricas via laser. 2023. 63 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Universidade Federal de Alfenas, Poços de Caldas, MG, 2023.
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/2273
Data de defesa: 23-Fev-2023
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