caracterização Óptica de pontos quânticos semicondutores ... · nesse contexto este trabalho...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA INSTITUTO DE FÍSICA
Caracterização Óptica de Pontos Quânticos
Semicondutores de CdS em Matrizes Poliméricas.
André Rezende de Figueiredo Oliveira
Uberlândia 2009
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA INSTITUTO DE FÍSICA
Caracterização Óptica de Pontos Quânticos
Semicondutores de CdS em Matrizes Poliméricas.
André Rezende de Figueiredo Oliveira
Trabalho apresentado ao Curso de
Física de Materiais da Universidade
Federal de Uberlândia como parte dos
requisitos para obtenção do título de
Bacharel em Física de Materiais.
Orientador: Adamo Ferreira Gomes do Monte.
Doutor em Física - UFU
Uberlândia 2009
iii
Rezende de Figueiredo Oliveira, André
Caracterização Óptica de Pontos Quânticos Semicondutores de CdS
em Matrizes Poliméricas / André Rezende de Figueiredo Oliveira – 2009
38.p
1. Física da Matéria Condensada. I.Título.
CDU
iv
André Rezende de Figueiredo Oliveira
Caracterização Óptica de Pontos Quânticos
Semicondutores de CdS em Matrizes Poliméricas.
A Banca Examinadora composta pelos professores abaixo, submeteu o candidato à aprovação após análise do Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisitos para obtenção do título de Bacharel em Física de Materiais.
______________________________________________
Prof. Dr. Adamo Ferreira Gomes do Monte - Orientador Universidade Federal de Uberlândia
______________________________________________
Prof. Dr. Roberto Hiroki Miwa Universidade Federal de Uberlândia
______________________________________________
Prof. Dr. Raimundo Lora Serrano Universidade Federal de Uberlândia
Coordenador do Curso de Graduação em Física de Materiais:
Prof. Dr. Eduardo Kojy Takahashi
v
Dedico este trabalho à minha esposa
Aline e aos meus filhos Anna Luiza e
André Filho.
vi
AGRADECIMENTOS
Primeiramente, agradeço ao professor Adamo, meu orientador de
iniciação cientifica, pela dedicação, paciência e confiança que depositou em mim
durante todo o nosso trabalho.
Ao professor Djalmir pela atenção e dedicação nos assuntos referentes
ao nosso laboratório e ao laboratório de Física Moderna.
A todo pessoal que fez parte do Grupo de Óptica e Fototérmica nesse
tempo, o Flávio, a Vanessa, o Melo, o Marcio, o Willian, o Guilherme, o José
Ricardo, a Kelly e muitos outros que passaram por lá. Mais recentemente,
obrigado ao professor Sidney pela atenção dispensada.
Ao técnico em mecânica Edimar, pela atenção e dedicação em
solucionar nossas necessidades técnicas e instrumentais.
Ao professor Ademir, por todas as lições às quais levarei por toda minha
vida.
Aos meus pais, Laércio e Alcione, agradeço pelo apoio nesses últimos
anos.
Aos meus colegas de turma, de turmas adjacentes e de turmas da Física
– Licenciatura, em especial: ao Danillo, Luis Alexandre, Erasto, Renato, Marcio,
Willian, Augusto (Azeitona), Augusto Adam, Roney, Walber, Michel, Victor,
Guilherme e Letícia.
Agradeço a todos integrantes do Instituto de Física, aos técnicos
administrativos (Jussara, André Luiz, Agrenor, Vinícius, Gabriela e a Lúcia) e em
especial aos trinta e três professores do INFIS que contribuiriam, de uma forma
ou de outra, para o meu crescimento.
Enfim, a minha esposa e filhos; - sem eles nada disto teria acontecido.
Obrigado a todos!
vii
SUMÁRIO
RESUMO ........................................................................................................ viii
INTRODUÇÃO .................................................................................................. 2
CAPITULO 1 – REVISÃO DA LITERATURA ................................................... 4
1.1 – Pontos Quânticos (PQs) ........................................................................ 4
1.2 – Crescimento e Caracterização de Pontos Quânticos ............................ 8
1.3 - O Sulfeto de Cádmio (CdS) .................................................................. 10
1.4 – Teoria de Semicondutores Nanocristalinos ........................................ 10
Capitulo 2 – DESENVOLVIMENTO ................................................................ 13
2.1 – Viabilidade ........................................................................................... 14
2.2 – Estrutura utilizada na pesquisa .......................................................... 14
2.3 – Cronograma ........................................................................................ 15
CAPITULO 3 – METODOLOGIA .................................................................... 16
3.1 – Amostras ............................................................................................. 21
3.2 – Síntese em materiais com cavidades de geometria bem definidas .... 23
3.2.1 – Polímeros contendo nanoparticulas de semicondutores ................. 23
CAPITULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES .......................................... 27
CAPITULO 5 – CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................... 34
5.1 – Referencias Bibliográficas ................................................................... 35
viii
RESUMO
Nanopartículas semicondutoras em matrizes poliméricas têm atraído
grande interesse devido a suas aplicações em dispositivos eletrônicos e
optoeletrônicos. Matrizes poliméricas têm sido utilizadas para imobilizar pontos
quânticos (PQs), visando controlar algumas variáveis como o seu crescimento,
morfologia e agregação, além de auxiliar na dispersão das nanopartículas.
Nanocristais de sulfeto de cádmio (CdS) têm recebido considerável atenção
devido às suas propriedades de confinamento quântico de dimensão zero. Neste
trabalho foi realizada a síntese de nanopartículas de CdS em uma matriz
polimérica esférica de estireno-divinilbenzeno (Sty-DVB). Os materiais foram
caracterizados por espectroscopia Raman e de micro-fotoluminescência (µ-PL).
Foram observadas emissões laser referentes aos modos ressonantes da galeria
das micro-esferas. A alta estabilidade óptica e o baixo valor de ativação laser
fazem deste sistema um promissor dispositivo em aplicações de microlaser.
Palavras Chaves: Nanoparticulas de CdS; Espectroscopia Raman; Micro-
fotoluminescência.
1
ABSTRACT
Semiconductor nanoparticles in polymeric matrices have attracted great
interest mainly due to their applications in electronic and optoelectronics devices.
Polymeric matrices has been used to embed quantum dots (QDs), aiming to
control the growth parameters such as morphology, aggregation, besides aiding
the particles dispersion dispersion. CdS nanocrystals have received considerable
attention regarding the quantum confinement properties in zero-dimension
systems. In this work the synthesis of CdS nanoparticles was realized in a
spherical polymeric matrix of styrene-divinylbenzene (Sty-DVB). The materials
were characterized by Raman spectroscopy and of micro-photoluminescence (µ-
PL). Laser emissions were observed regarding the gallery resonant modes inside
the micro-spheres. High optical stability and low threshold emission make this
system a promising device for microlaser applications.
Keywords: CdS Nanoparticles, Raman spectroscopy, micro-photoluminescence.
2
INTRODUÇÃO
O físico Richard Feynman no ano de 1959 em uma palestra intitulada "Há
mais espaços lá embaixo", em uma intuição brilhante, sugeriu a manipulação dos
átomos como forma de desenvolver novos materiais. A partir deste momento, fica
marcado o ponto inicial da nanociência. O objetivo da nanomanipulação de
átomos é criar materiais originais em suas características e desenvolver novos
produtos e processos baseados na crescente capacidade tecnológica de ver e
manipular átomos e moléculas.
A manipulação da matéria em escala da ordem de bilionésimo do metro
(nanométrica) é o que proporciona o que chamamos de nanotecnologia. Materiais
nanoestruturados são materiais que apresentam, pelo menos em uma de suas
dimensões, o tamanho na ordem de nanômetros. Na escala nanométrica, os
materiais apresentam características peculiares, podendo apresentar respostas
impares à variação de temperatura, comprimentos de ondas de luz incidente,
condutividade elétrica, entre outras. O principal propósito da nanociência e da
nanotecnologia (N&N) é desenvolver nanomateriais é potencializar as
propriedades físicas e químicas dos materiais, estas “novas” propriedades
possuem grande importância para futuras aplicações tecnológicas.
Nesse contexto este trabalho tem função de contribuir no avanço da
pesquisa de novos materiais, especificamente no campo da optoeletrônica, que
apresenta grande potencial para o desenvolvimento de novos dispositivos laser e
de sensoriamento.
Nos últimos anos, nanocristais de CdS, CdSe e PbS vêem sendo
intensamente estudados. Este crescente interesse se deve tanto aos aspectos de
física básica como os relacionados aos excitrons zero-dimensional; existe um
intenso interesse em suas propriedades químicas e eletrônicas, que por sua vez
apresentam potencial de uso nos campos da óptica não-linear, como emissão de
luz, na conversão de energia solar, na optoeletrônica, na biotecnologia e em
varias outras áreas do conhecimento. Assim, voltamos nossas atenções à
pesquisa em semicondutores nanoestruturados (entre 1 e 20 nm de diâmetro).
Buscando o aproveitamento tecnológico inerente aos pontos quânticos,
estudamos a luminescência associada à microesferas poliméricas de estireno-
3
divinilbenzeno (Sty-DVB), cuja superfície confina nanoestruturas de CdS o seu
potencial de aplicação como material fotônico. As microesferas funcionam como
uma cavidade óptica (microcavidade), cujo espectro de emissão demonstra
diversos picos que são associados aos modos da cavidade (whippering-gallery
modes). Estudar esses espectros de emissão será importante no
desenvolvimento de microcavidade laser. A micro-luminescência (µ-PL) entra
neste trabalho porque as microesferas têm diâmetros de poucos microns, sendo
necessário um feixe de laser mais focalizado. Por isso, usamos a µ-PL para
excitar e capturar o sinal das microesferas. Tendo como foco a importância de se
revelar as vastas contribuições inerentes a tais microesferas e seus PQs,
utilizamos a caracterização óptica de nanocristais semicondutores através de
espectros de µ-PL e espectroscopia Raman, visando estudar a qualidade da
amostra e resultados condizentes com nossas posições teóricas.
Este trabalho tem como objetivo principal à implementação a técnicas
refinada de caracterização óptica: fotoluminescência, aplicada a temperatura
ambiente, voltadas para caracterização de materiais nanoestruturados no campo
da Física da Matéria Condensada. Os Objetivos Específicos envolvem o
aprendizado na manipulação da infra-estrutura instrumental e material da técnica
de caracterização óptica baseada na Foto-luminesciencia (PL) e espectroscopia
Raman; Desenvolver as atividades de pesquisa, processar amostras para
caracterização e caracterizar os sistemas nanoestruturados disponíveis no
laboratório; Estudar a estrutura do sistema PQs acoplados a microesferas
polimérica; Participar de encontros na área de Física da Matéria Condensada;
Redigir relatórios periódicos e publicar resultados do projeto em revista de
divulgação científica.
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CAPITULO 1 REVISÃO DA LITERATURA
1.1 – Pontos Quânticos (PQs)
Um PQ é uma nanoestrutura pontual, uma pequena ilha de um material
com um certo gap sobre a superfície de um outro material de gap maior. Dessa
forma, o elétron fica confinado nas três direções, dizemos então que este sistema
apresenta dimensão zero. Devido ao seu diminuto tamanho se comporta com um
poço de potencial que confina os elétrons nas três dimensões espaciais em uma
região com tamanho da ordem do comprimento de onda de Broglie dos elétrons,
alguns nanometros em um semicondutor. Devido ao confinamento, os elétrons em
um ponto quântico têm sua energia quantizada em valores discretos, como em
um átomo. Por esta razão, pontos quânticos são por vezes chamados átomos
artificiais. Os níveis de energia podem ser controlados mudando o tamanho e a
forma do ponto quântico, e a profundidade de poço de potencial.
Os PQs são profundamente dependentes dos tamanhos e formas
geométricas. Um elétron em um átomo isolado possui estados quânticos
estacionários caracterizados por níveis discretos e quantizados. Em um átomo
com muitos elétrons, o estado fundamental é obtido distribuindo-se os vários
elétrons nos níveis de menor energia possível, obedecendo ao Princípio de
Exclusão de Pauli. Como o elétron é dotado de spin semi-inteiro, cada estado
orbital comporta dois elétrons com spins opostos. No entanto, quando um grande
número de átomos (cerca de 1022/cm3) é colocado junto de forma organizada
para formar um cristal, os elétrons de cada átomo ficam sujeitos a interações com
os átomos vizinhos e seus níveis de energia se interpolam para formar bandas de
energia, as quais são separadas por regiões proibidas de energias, tais regiões
são denominadas gap. O gap é a energia necessária para propulsionar um elétron
da camada de valência para a de condução que é simplesmente a diferença entre
5
os estados de maior energia ocupados e os estados de menor energia da banda
vazia, geralmente utilizamos a unidade em elétron-volts (eV) para representar
medidas desta natureza.
Em pontos quânticos, onde o confinamento está presente nas três
direções espaciais, o confinamento quântico torna possível mudar as
propriedades ópticas do material bulk, modificando completamente o seu gap
óptico, a figura abaixo demonstra variações do gap de energia para alguns cristais
semicondutores.
Figura 1 - Efeito do confinamento quântico no gap óptico de vários
semicondutores: nesta figura verificam-se as diferenças de energia do gap entre
os materiais bulk e o gap óptico de pontos quânticos com raio = 10 nm e de
pontos quânticos com raio = 3 nm. As retas tracejadas horizontais definem a
região de comunicação óptica, Neves et al (2002).
Uma das principais propriedades a ser considerada é a função densidade
de estados eletrônicos. Esta função descreve o número de estados possíveis na
banda de condução (elétrons) ou valência (buracos ou elétrons) por unidades de
6
energia e volume que podem ser preenchidos com elétrons, para estruturas
semicondutoras temos as seguintes densidades de estados representados na
figura 2, em que nota-se, principalmente, a dependência em energia para cada
um dos casos. No caso do semicondutor bulk (3-D), a densidade de estados ρ(E)
varia de um modo contínuo. Quando se colocam barreiras de potencial limitando o
seu movimento em uma das direções da ordem de raios de Bohr dos portadores
no material, verifica-se que ocorre uma mudança na densidade de estados de
energia permitidos. Limitando um dos lados deste cubo tridimensional, os elétrons
ficam aprisionados em um plano (2D) e a densidade de estados eletrônicos se
torna quantizada, estes são os chamados poços quânticos.
Figura 2 - Descrição esquemática das mudanças de densidade de estados ρ(E)
em função do confinamento quântico.
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Progredindo na limitação das dimensões, teremos então os chamados fios
quânticos (1-D) e os pontos quânticos (0-D). Nos PQs o confinamento é presente
nas três direções espaciais e o primeiro estado quântico desse sistema pode ser
ocupado somente por dois elétrons. Quando as dimensões laterais de um cristal
são reduzidas abaixo do comprimento de onda de De Broglie para o elétron, o
movimento das partículas neste cristal não pode mais ser tratado de forma
clássica, sendo a mecânica quântica usada para descrever tal movimento. As
partículas ficam confinadas. Esse confinamento tem uma conseqüência direta no
espectro de energia da estrutura, isto é, na sua densidade de estados ρ(E), já que
a energia cinética da partícula passa a ter valores discretos permitidos na direção
do confinamento.
Estes pontos quânticos são interessantes para aplicações na área de
energia, já que produzem elétrons quando absorvem luz, permitindo a construção
de células solares extremamente eficientes. Apenas para comparação, uma célula
tem um diâmetro médio de 1.000 nanômetros. Os cientistas acreditam que os
pontos quânticos serão extremamente úteis no desenvolvimento de tecnologias
em nanoescala porque eles são versáteis e uniformes, eliminando possíveis
variações e falhas nos materiais.
Agora eles conseguiram fazer com que os pontos quânticos se
comuniquem utilizando luz. Os pesquisadores descobriram que, quando os
pontos quânticos são dispostos a distâncias definidas uns dos outros - uma
distância maior do que o raio dos pontos - as ondas de luz viajam entre esses
nanocristais em um padrão consistente - ou coerente. A variação ou
irregularidade da luz impede a comunicação entre os pontos quânticos.
Isso sugere que se poderá transmitir informações entre os pontos
quânticos utilizando-se a luz, o que cria a possibilidade da criação de um
computador optoquântico. Em um computador assim, a luz substituiria as cargas
elétricas utilizadas para a transferência de informações, como nos computadores
convencionais. "A idéia é fazer o processo de computação mais rápido e menor",
disse Rogach (2000).
A nova tecnologia também poderá ser utilizada no imageamento médico.
Pontos quânticos poderiam ser injetados no paciente, enquanto um equipamento
externo, também contendo pontos quânticos, poderia ser utilizado para rastrear os
nanocristais no interior do corpo humano.
8
Outros pesquisadores estão avançando na utilização de pontos
quânticos com essa finalidade, já existindo experimentos de laboratório feitos em
ratos. Embora vários testes de toxicologia ainda necessitem ser feitos, as
descobertas parciais sugerem que os pontos quânticos têm menos efeitos
colaterais do que os contrastes químicos utilizados em conjunto com os raios-x.
1.2 - Crescimento e Caracterização de Pontos Quânticos
Em materiais semicondutores, o comprimento de onda de De Broglie é da
ordem de algumas dezenas de nanômetros, sendo necessária, portanto, a
produção de estruturas desta dimensão para se observar os efeitos do
confinamento tridimensional. A maneira mais comum de se obter pontos
quânticos é a produção, em primeiro lugar, de uma estrutura bidimensional como,
por exemplo, um poço quântico. Essa estrutura é geralmente produzida por
epitaxia para se ter um controle preciso da espessura do filme. O confinamento
lateral é obtido através da definição física das bordas da estrutura. Para isso, um
padrão geométrico desenhando as laterais da estrutura é transferido para a
amostra, após o crescimento, por litografia de alta resolução. Um ataque químico
subseqüente corrói a amostra até a camada bidimensional, produzindo as
nanoestruturas desejadas.
Devido à introdução de defeitos na amostra decorrentes do ataque
químico, essa técnica foi modificada para minimizar o problema, sendo
investigada a realização de pontos quânticos induzidos por um campo externo.
Nesta técnica, a amostra é crescida de tal forma que contenha um poço quântico
próximo a 10 superfícies. Após o crescimento, processo litográfico e ataque
químico são usados para se produzir nesta camada superficial estruturas de
pequenas dimensões laterais, a partir das quais será aplicado o campo externo.
Este pode ser um campo elétrico ou um campo de tensão, dependendo das
propriedades da camada superficial da amostra. Desta forma, os portadores são
confinados na direção vertical pelo poço quântico, sendo o confinamento lateral
resultante da modificação do potencial eletrostático produzida pelo campo externo
gerado abaixo da estruturas existentes na superfície. Esta técnica apresenta a
vantagem de separar espacialmente os pontos quânticos da região danificada
pelo ataque químico. É também possível se ajustar o alcance do confinamento
9
lateral pela modificação da distância entre o poço quântico e a superfície.
Uma outra alternativa para a produção de nanoestruturas é o crescimento
seletivo sobre substratos processados. Nesta técnica, faz-se uso das diferentes
velocidades de crescimento dos materiais em função da orientação cristalográfica
do substrato. O material InGaAs, por exemplo, tem uma taxa de crescimento
quase nula nas faces (111) de um substrato de InP, enquanto o próprio InP
cresce em ambas as faces (111) e (100) do mesmo substrato. Se uma pirâmide
invertida com faces (111) for fabricada num substrato de InP, a deposição de uma
fina camada de InGaAs neste substrato resultará na formação de uma
nanoestrutura isolada de InGaAs no fundo da pirâmide. Tal pirâmide é geralmente
realizada por litografia e ataque químico seletivo.
No entanto, esse conjunto de técnicas apresenta desvantagens
relacionadas ao processamento litográfico. Em primeiro lugar, o ataque químico
realizado durante este processamento, seja antes ou após o crescimento, sempre
danifica a amostra. Em segundo, as dimensões laterais da nanoestrutura
produzida dependem da resolução da ‘escrita’ litográfica. Constata-se hoje que,
mesmo com técnicas de alta resolução, é difícil alcançar dimensões laterais de
algumas dezenas de nanômetros. E, por último, o processamento litográfico é
trabalhoso por necessitar de várias etapas, assim como de equipamentos
sofisticados.
Estruturas auto-organizadas também podem ser produzidas durante o
crescimento epitaxial de um material semicondutor que possui um desacordo
significativo do parâmetro de rede com o substrato. Durante a deposição das
primeiras camadas, o material depositado adota o parâmetro de rede do
substrato. O modo de crescimento é, então, bidimensional e a camada depositada
estressada. No entanto, atinge-se certa espessura para a qual a energia de
deformação armazenada no filme se torna alta demais, sendo mais favorável uma
reorganização do mesmo. Dependendo da energia superficial do sistema, esta
reorganização pode ocorrer através da criação de deslocações ou através da
formação espontânea de ilhas tridimensionais. Este último modo de relaxamento
é conhecido como transição de Stranski-Krastanov (SK).
As condições de crescimento e o material abaixo dos pontos quânticos
influenciam fortemente a densidade e o tamanho dos pontos.
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1.3 - O Sulfeto de Cádmio (CdS).
Um dos materiais mais utilizados na construção de nanoestruturas da
ordem de 10 nanometros é o sulfeto de cádmio (CdS). Sua principal característica
é o fato de serem fluorescentes, podendo ser fabricados para brilhar em diversas
cores. Pontos quânticos de sulfeto de cádmio (CdS) e seleneto de cádmio (CdSe),
por exemplo, absorvem fótons de luz ultravioleta e os reemitem como fótons de
luz visível. A cor do seu brilho varia, dependendo da dimensao de suas particulas,
passando do vermelho para o azul à medida em que se tornam menores.
Um dos dos principais motivos para os biocientistas estarem
interessados nos pontos quânticos é devido a sua caracteristica de durarem muito
mais do que os corantes convencionais utilizados para marcar moléculas,
corantes estes que só brilham por alguns segundos. Os pontos quânticos
permitem a observação das moléculas por muito mais tempo, permitindo aos
cientistas recolher muito mais informações sobre o que acontece nas reações
químicas e nas interações biológicas.
1.4 - Teoria de Semicondutores Nanocristalinos
As nanoestruturas semicondutoras, ou propriamente nanocristais
semicondutores, são sistemas que podem formar pontos quânticos. Os PQs, por
sua vez, são sistemas quantizados do tipo atômico, mas em estado sólido, e que
permitem a observação de vários fenômenos relacionados ao sistema zero-
dimensional. Os PQs também fornecem condições fundamentais para o estudo de
processos optoeletrônicos em estruturas semicondutoras zero-dimensionais.
Estas características surgem como resultado das próprias propriedades dos PQs,
não sendo encontrado em sistemas de dimensionalidade mais alta. Dois fatores
fundamentais, ambos relacionados ao tamanho do nanocristal individual,
distinguem seu comportamento do correspondente material macrocristalino. O
primeiro é a alta dispersividade associada com as partículas, com ambas as
propriedades, físicas e químicas, sendo particularmente sensíveis à estrutura da
superfície. O segundo fator é o tamanho real da partícula, que pode determinar as
propriedades físicas e eletrônicas do material. Quando o tamanho desses sólidos
diminui, o gap de energia da banda torna-se maior. Dentro das nanopartículas, o
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elétron e o buraco estão mais próximos em comparação ao material
macrocristalino, e a interação de Coulomb entre o elétron e buraco não pode ser
desprezada [Bimberg et al., 1999].
Alguns exemplos de nanocristais semicondutores são baseados em
sulfetos como PbS e CdS e óxidos ZnO e TiO. Para caracterizar esses materiais,
é comum utilizar as seguintes técnicas ópticas: Fotoluminescência (PL),
Fotoluminescência de Excitação (PLE), Microluminescência (Micro-PL), Absorção
Óptica (AO) e Espectroscopia Raman. Pode-se contar também com a
caracterização estrutural através da microscopia de força atômica (AFM). A
caracterização óptica de nanocristais semicondutores através de espectros PL,
PLE e AO visa estudar a qualidade da amostra e os parâmetros de crescimento
em função de determinados tratamentos aplicados à amostra. A espectroscopia
Raman pode ser usada para determinar a composição de um determinado
material, observando-se as vibrações moleculares deste material. As
características estruturais dos nanocristais obtidos, quanto à homogeneidade de
tamanhos e distribuição espacial, poderão ser observadas através de imagens de
AFM.
Na aproximação da massa efetiva, Brus e colaboradores, 1983 e 1986,
demonstraram para nanocristais de CdE (S ou Se) que a dependência com o
tamanho da energia da primeira transição eletrônica do éxciton (ou o
deslocamento do gap da banda com respeito ao valor típico bulk) pode ser
aproximadamente calculada usando a relação:
Re8.1
m1
m1
R2E
2
*h
*e
2
22
ε−⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡+
π≅∆η
. (1)
Esta equação é uma aproximação analítica para a primeira transição
eletrônica de um éxciton, que poder ser descrita pelo Hamiltoniano hidrogenóide,
he
22h*
h
22e*
e
2^
rre
m2m2H
−ε−∇−∇
−=
ηη . (2)
Na equação acima, o termo Coulombiano desloca o primeiro estado
excitado eletrônico para baixas energias, R-1, enquanto os termos de localização
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quânticos deslocam o estado para energias maiores, R-2. Conseqüentemente, a
primeira transição eletrônica (ou gap da banda) aumenta em energia com a
diminuição do diâmetro da partícula. Esta predição tem sido confirmada
experimentalmente para uma grande variedade de nanocristais semicondutores,
com um deslocamento para o azul no início da absorção da luz sendo observada
com a diminuição do diâmetro da partícula. Além disso, as bandas de condução e
valência nos materiais nanocristalinos consistem de conjuntos discretos de níveis
eletrônicos que representariam o estado da matéria entre o material molecular e o
bulk.
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CAPITULO 2 DESENVOLVIMENTO
A implementação, instalação e montagem dos experimentos foram
realizadas no Laboratório do Grupo de Óptica e Fototérmica, pertencente ao
Instituto de Física da UFU. Este grupo executor foi responsável pelo alinhamento
óptico, testes, ensaios, bem como do gerenciamento dos experimentos.
Foram utilizadas as técnicas de fotoluminescência (PL), como forma de
determinar as propriedades físicas dos PQs. A fotoluminescência da qual
dispomos no laboratório de espectroscopia óptica está em operação na faixa de
~350 nm até ~1100 nm. As medidas realizadas utilizando técnica de
espectroscopia Raman foram realizadas no Departamento de Física da
Universidade de Brasília, utilizando-se assim de uma das parcerias necessárias
para conclusão deste trabalho. Nossa equipe conta ainda com o apoio formal de
grupos teóricos do Instituto de Física da UFU.
Os programas de controle e automação dos equipamentos do
laboratório foram realizados através da linguagem LabView da National
Instruments. A participação da montagem e teste dos programas, bem como
participar da realização de todas as medidas experimentais e análises, foram
trabalhos dos alunos de iniciação cientifica, mestrandos e orientadores.
Os processos de síntese das amostras foram realizados pelo Instituto de
Química da Universidade de Goiás, dispondo assim de mais uma parceria do
Grupo de Óptica e Fototérmica (GOF) do Instituto de Física – UFU.
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2.1 – Viabilidade
Este trabalho de pesquisa foi viabilizado graça aos recursos técnicos e
humanos qualificados disponíveis, alcançando assim os objetivos.
O coordenador deste projeto possui experiência comprovada na
preparação e realização de experimentos na área de óptica. No Instituto de Física
da UFU, contamos com infra-estrutura disponível no Laboratório do Grupo de
Óptica e Fototérmica. A viabilidade deste projeto de pesquisa se mostrou concreta
visto que está apoiado em capacitados recursos técnicos e humanos, se
mostrando totalmente apto a alcançar os objetivos.
2.2 – Estrutura Utilizada na Pesquisa
No Instituto de Física da Universidade Federal de Uberlândia (INFIS-
UFU), contamos com a seguinte capacidade instalada e operante:
Realização de medidas experimentais de Fotoluminescência (PL),
Microluminescência (µ-PL), Fotocorrente (PC), Absorção Óptica (AO) e técnicas
similares:
• Espectrômetro Ocean Optics QE65000;
• Monocromador simples de 20 cm (1 un.);
• Monocromador Jobin-Yvon HR-320 (1 un.);
• Fotodetector de InGaAS (1 un.);
• Fotodetectores de silício e germânio (5 un. de cada);
• Laser de HeNe – 5 mW (5 un.);
• Lasers de diodo, baixa potência: 504, 532, 638, 670, 1310 nm e 1550nm;
• Laser de Ar+, 5W;
• Lâmpada de mercúrio com potência máxima de 1kW (1 un.);
• Fonte programável Voltagem-Corrente, AGILENT INST. (1 un.);
• Amplificador de corrente-tensão (1 un.);
• Osciloscópio (20 MHz);
• Nanoposicionadores piezoelétricos x-y-z, THORLABS, para realizar medidas
de varredura de microluminescência;
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• Laser de HeNe sintonizável (cinco comprimentos de onda);
• Medidor de cintura de feixe;
• Medidor de potência;
• Modulador ótico mecânico (chopper);
• Lentes diversas, postes, base para poste, etc;
• Fornecimento comercial de nitrogênio líquido; acessórios ópticos (espelhos
planos, lentes, prismas, suportes, posicionadores e trilhos);
• Oficina mecânica;
• Oficina eletrônica.
2.3 – Cronograma de Trabalho
O trabalho foi realizado durante três anos de iniciação cientifica. Para
tanto o cronograma descreve as fases do seu desenvolvimento.
TABELA 1 – Cronograma de Atividades desenvolvidas durante Iniciação Cientifica
ATIVIDADES 2007 2008 2009
1. Montagem das novas técnicas.
2. Caracterização física dos materiais
3. Tratamento dos resultados experimentais.
4. Análise dos resultados experimentais
5. Redação de relatórios.
6. Redação e encaminhamento de monografia.
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CAPITULO 3
METODOLOGIA
Para sintetizar as nanopartículas foi utilizada a síntese química coloidal,
de tal forma que os nanocristais podem ser preparados com precisão nanométrica
(10 a 100Å). Segundo Eisler et al. (2002), tais pontos quânticos nanocristalinos
podem ser considerados como uma “caixa quântica” de dimensões precisas e
com condições de contorno controladas.
As microesferas sintetizadas para os nossos estudos são consideradas
cavidades de Fabri-Pérot (meio óptico de amplificação), tais cavidades já foram
utilizados para demonstrar a capacidade de geração laser de PQs nanocristalinos,
incluindo as microesferas de poliestireno e de resposta dos ressonadores [Klimov
et al., 2002]. Nas microcavidades, existe um número de modos distintos de
ressonância óptica, estes são denominados Ressonância dos Modos de Galeria.
A microcavidade tri-dimensional proporciona efeito óptico de refração,
como as microesferas possuem um índice de refração maior que o meio vizinho,
ocorre que a emissão dos pontos quânticos permanece confinada no interior das
microesferas, não sendo absorvido pelo meio externo. As microcavidades
possuem diâmetro comparável ou ligeiramente maior que o comprimento de onda
da luz emitida, ou seja, poucos microns.
Compostos semicondutores II-VI como PQs de CdS podem ser
sintetizados dentro de diferentes matrizes sob diferentes processos de produção
[Borrelli et al., 1987]. Os PQs semicondutores estão embutidos nas microcavidade
esféricas, a luminescência do PQs “casa” com os modos ressonantes da cavidade
da microesfera polimérica, existe assim um ponto inicial de emissão estimulada,
ou seja, um processo de emissão laser.
Existem previsões de que Pontos Quânticos Nanocristalinos (PQN)
assumirão o papel principal na área de aplicações laser, pois são capazes de
17
proporcionar um desempenho superior em comparação com semicondutores de
dimensões mais altas.
A técnica que utiliza o copolímero Sty-DVB como matriz para
nanocompósitos de semicondutores é pioneira, consta na literatura apenas a
utilização de Sty-DVB como hospedagem de nanopartículas magnéticas (Fe3O4).
Devido à estrutura discreta da transição óptica em PQs, o decaimento
dos estados mais baixos "emissores" é inibida. Este copolímero foi sintetizado
primeiramente na forma de microesferas, tornando-se ideal para estudar
microcavidades. Neste trabalho, microesferas de tamanho (diâmetro médio de
30µm) mesoporosas construídas com copolímeros de Sty-DVB foram usados
como uma matriz para incorporar nanopartículas de CdS. O interesse em utilizar
um copolímero Sty-DVB como matriz na criação deste dispositivo é devido ao
grau bem definido das estruturas mesoporosas, e também pelo fato do material
polimérico em questão funcionar relativamente bem no processo de troca iônica.
Para caracterizar estes materiais usamos espectroscopia Raman e
espectroscopia de fotoluminescência (PL). Para caracterizar as nanopartículas de
CdS, utilizamos a técnica de micro-fotoluminescência (µ-PL), cuja montagem
experimental se encontra na figura 3. O feixe do laser incidente (comprimento de
onda de excitação a 532 nm) é focalizado dentro da amostra com
aproximadamente 1 µm.
18
Figura 3 – Montagem experimental para micro-fotoluminescência utilizada na
caracterização óptica da microesferas poliméricas dopadas com pontos quânticos
de CdS.
A montagem utiliza um diodo laser (Nd:YAG – 532 nm), o feixe incidente
passa por um filtro de intensidade, por duas lentes convergentes, passa pelo
prisma e posteriormente pela objetiva onde é focalizado na amostra, capturamos
a imagem da amostra através de uma fibra óptica de 600 µm instalada após um
filtro “passa alto” de 530 nm; neste ponto foi montado um espelho retrátil que tem
a função de selecionar a imagem da amostra para o espectrômetro ou para CCD,
que por sua vez projeta a imagem em um visor LCD. O filtro “passa alto” tem a
finalidade de cortar a emissão no comprimento de onda do laser, proporcionando
uma captura de sinal sem interferências.
19
Figura 4 – Montagem experimental de micro-fotoluminescência do Laboratório do
Grupo de Óptica e Fototérmica do Instituto de Física da Universidade Federal de
Uberlândia.
Figura 5 – Display de cristal líquido (LCD) utilizado para visualizar e dimensionar
as amostras, bem como a incidência do laser nas mesmas.
Para medir os diâmetros da microesferas criamos um padrão, para tanto
utilizamos estruturas de dimensões micrométricas no foco da CCD,
dimensionando assim a tela utilizada na visualização das amostras, construímos
20
assim uma escala horizontal e vertical no LCD. Como pode ser verificado na
figura 5, cada 1 cm do “eixo X” equivale a 14 µm e cada 1 cm do “eixo Y” equivale
a 20 µm.
No estudo da emissão dos PQs nas microesferas poliméricas foi
utilizado um diodo laser (532 nm). Porém, devido às variações de intensidade de
emissão do diodo no decorrer do tempo de funcionamento, optamos pela
construção do circuito demonstrado abaixo, cuja finalidade é estabilizar a
intensidade do bombeamento do cristal de Nd:YAG pelo diodo laser (200 mW).
Figura 6 – Unidade de força para o diodo laser. Material utilizado: Unidade de
força (saída: 6 ou 9 Volts); transistor LM 317; capacitores de 1 e 22 uF, resistor 0-
20 Ω e dissipador térmico.
Para caracterizar as nanopartículas de CdS, foi utilizada a micro-
fotoluminescência (µ-PL). O laser (comprimento de onda de excitação em 532 nm;
potência de 10 mW) foi focalizado em uma microesfera com cerca de 30 µm e
com spot do laser de aproximadamente 3 µm. Porém, devido ao formato esférico
das amostras, o feixe foi fortemente centralizado no interior da amostra, atingindo
um ponto tão pequeno quanto 1 µm de largura.
O espalhamento Raman é realizado nos PQs de CdS embutidos nas
microesferas. A geometria é a de retroespalhamento, utilizando um espectrômetro
Jobin-Yvon em sistema micro-Raman triplo.
21
3.1 - Amostra
O copolímero Sty-DVB utilizado neste estudo foi sintetizado por
polimerização em suspensão na presença de diluentes inertes, como descrita por
Rabelo et al. (2001). A solução contendo os monômeros (estireno-Sty e
divinilbenzeno-DVB), os diluentes (tolueno e heptano), e iniciador (2,2'-
azobisisobutyronitrile) foram adicionadas à solução aquosa, fase a temperatura
ambiente. O fluxograma na figura abaixo explica os principais passos. A
polimerização ocorre em 70oC e 400 rpm (velocidade de agitação), durante 24
horas. Após a formação, as esferas de copolímero foram então separadas,
lavados com água/etanol para remover os diluentes e secas a vácuo.
As nanopartículas de CdS estão embutidas nas microesferas pelo
método de troca iônica simples.
FIGURA 7 – Fluxograma da preparação das microesferas copolímeros de Sty-
DVB.
A densidade aparente da amostra é de 0.44 g/cm3, área de superfície de
140 m2/g), o diâmetro comum dos poros é de 13 nm, o tolueno recuperado (1,52
cm3 / g), heptano recuperado (1,24 cm3 / g), percentagem do volume de inchaço
em tolueno (100%), e a percentagem do volume de inchaço em heptano
22
(58%) foram os parâmetros utilizados para caracterizar o polímero esférico,
poliméricas micrométricas de modelo.
A sulfonação da esfera de Sty-DVB foi realizada utilizando ácido
sulfúrico concentrado (2g de polímero/30 mL de ácido sulfúrico). A reação foi
realizado na presença de dicloroetano (40% em volume com relação ao ácido
sulfúrico). As esferas de Sty-DVB foram primeiramente suspensas em
dicloroetano por alguns minutos. Então, acido sulfúrico foi adicionado lentamente,
enquanto a temperatura foi mantida a 70°C por 4 h.
As partículas de polímero Sty-DVB com diâmetro superior a 100 µm
foram separados por filtração, lavada abundantemente com água ionizadas, e
secas a vácuo, a 0°C por 24h. A capacidade de troca iônica (4,8 mmol de H+ / g)
foi determinada como descrito na literatura [Helfferich et al., 1962]. As
nanopartículas de CdS foram incorporadas nas microesferas por troca iônica. As
microesferas obtidas demonstraram uma superfície perfeita para síntese, com
diâmetros variando de 20 a 100 µm.
FIGURA 8 - Imagem obtida a partir de câmera CCD. Cada microesfera
demonstrada acima possui aproximadamente 30 µm.
23
3.2 - Síntese em materiais com cavidades de geometria bem definida.
O método de síntese dos PQ semicondutores permitiu o crescimento de
nanopartículas com uniformidade de composição, forma, dimensão e estrutura. A
utilização de nanocristais em dispositivos optoeletrônicos requer a preparação de
nanocristais monodispersos, permitindo obter propriedades físicas apropriadas. A
obtenção de uma amostra na qual os nanocristais se apresentem com reduzida
dispersão de dimensão só é possível se o procedimento de síntese assegurar
uma elevada velocidade de nucleação e uma baixa velocidade de crescimento
das partículas. São vários os procedimentos de preparação conhecidos, porém
apenas alguns deles conduzem à obtenção de amostras com qualidade. O uso de
materiais cristalinos sólidos com estrutura bem definida e que apresentem
cavidades de dimensões moleculares, tais que os zeólitos e micelas inversas,
podem ser utilizados como um meio apropriado para promover o crescimento e a
aglomeração de nanocristais.
3.2.1 - Polímeros contendo nanopartículas de semicondutores.
Os materiais amorfos como polímeros, podem ser utilizados como um
meio para promover o crescimento de cristais e a aglomeração de nanocristais
em sua matriz. Os polímeros apresentam propriedades mecânicas e ópticas
adequadas para se produzirem materiais compósitos contendo nanopartículas de
semicondutores. O tamanho das nanopartículas de CdS formadas é controlado
pela concentração da solução de Cd2+ utilizada no processo de troca, permitindo
obter nanopartículas cujas dimensões variam entre 1.5 e 15 nm.
Pelo processo de síntese utilizado, obtêm-se ótimos compósitos de
nanopartículas. Este método proporciona a obtenção de partículas de CdS com
dimensões da ordem dos mesoporos da estrutura matriz (13nm). O mesmo
método de síntese pode ser empregado para preparar compósitos poliméricos
contendo nanopartículas de CdSe.
24
Figura 9 – Imagens do porta-amostra desenvolvido para realização da absorção
óptica das microesferas copolímeros de Sty-DVB dopada com PQs de CdS.
A absorção foi realiza através de uma técnica especial, como havia um
espalhamento de luz relativamente grande nas microesferas devido a sua
geometria. Foi necessário quebrar as mesmas através de um mini-prensa, para
tanto, utilizamos as superfícies planas de um micrometro e posteriormente
depositamos as microesferas em uma lamínula de vidro para microscopia (18 mm
x 18 mm) de 100 µm de espessura, a mesma foi coberta com outra lamínula de
vidro e lacrada com cola epóx.
Para selecionarmos as microesferas utilizamos um microscópio com
ampliação de 300 vezes, para manipular as esferas foi utilizado a ponta de
seringa de aplicação de insulina, a ponta metálica desta agulha contem
aproximadamente 60 µm.
Figura 10 – À esquerda microscópio utilizado na manipulação das microesferas
com ampliação de 300 X. A direita seringa utilizada para separar a microesfera
escolhida das demais.
25
FIGURA 11 – Porta-amostra construído com a finalidade de isolar uma única
microesfera em contato com aponta de uma fibra óptica de 50µm. Esta montagem
se encontra em fase de protótipo.
Esta montagem experimental tem a finalizada de aproveitar a
capacidade de resposta das microesferas utilizadas no desenvolvimento de um
dispositivo optoeletrônico; um dispositivo sensor que se utilizaria da variação do
índice de refração da microesferas de acordo com o meio onde a mesma é
colocada. Tal dispositivo se torna possível visto que os modos da cavidade
ressonante das microesferas estão inteiramente ligados com índice de refração
das mesmas, como estas esferas são porosas, ao submetermos as mesmas à
fluidos diferentes, estas absorverão tal fluido, o que mudariam o índice de
refração das mesmas.
O comprimento longitudinal da cavidade (zona ativa) é dado por:
onde: m é o numero de interações, λ é o comprimento de onde, n o índice de
refração e L a distância linear da cavidade ressonadora. É este tipo de cavidade
que permite que a radiação fique confinada no meio ativo de tal modo que possa
estimular decaimentos eletrônicos. Este novo tipo de dispositivo confina a zona
ativa do laser numa região muito pequena.
(3)
26
Figura 12 – Frascos contendo amostras das microesferas poliméricas dopadas
com PQs de CdS. Da esquerda para direita ocorre a variação da concentração de
CdS nas microesferas, tais alterações são provocadas pelo número de ciclos
pelos quais passaram os polímeros: 1, 2 ou 3 ciclos.
27
CAPITULO 4
RESULTADOS E DISCUSSÃO
As microesferas poliméricas de styrene-divinylbenzene (Sky-DVB) foram
produzidas através de polimerização de suspensão na presença de diluentes
inertes. Utilizamos os mesoporos presentes nas superfícies das microesferas para
alocação dos nanocristais de CdS estável. Caracterizamos estes nanocristais de
CdS com espectroscopia Raman, absorção e micro-fotoluminescência.
O gráfico abaixo representa o espectroscopia Raman das nanopartículas
de CdS, onde tais medidas foram realizadas a temperatura ambiente.
Figura 13 – Espectro Raman das microesferas poliméricas dopadas com pontos
quânticos de CdS, estas medidas foram realizadas em uma geometria de
backscattering usando um sistema microraman triplo Jobin-Yvon. O comprimento
de onda de excitação utilizado foi de 488 nm.
28
Os espectros Raman das microesferas foram medidos como mostrado
na Figura 13 usando a linha de excitação 488 nm de um laser de argônio. Os
sinais Raman da amostra são fortes para o fônon longitudinal óptico do CdS
localizado em 280,3 cm-1, de acordo com o esperado pelo comportamento dos
modo de vibrações na estrutura da liga CdS.
Observamos emissão aumentada e ação laser em certos comprimentos
de onda que correspondem à galeria ressonante dos modos da microesfera. A
alta estabilidade óptica e o baixo custo do laser fazem este sistema óptico
bastante promissor em aplicações de microlaser.
FIGURA 14 - Fotoluminescência e espectro de absorção de nanopartículas de
CdS embutidas em mesoporos de microesferas de styrene-divinylbenzene (Sty-
DVB). Medidas realizadas à temperatura ambiente.
29
Figura 15 - Espectro de PL à temperatura ambiente de um grupo de microesferas
(a) e de uma única microesfera polimérica focalizada pelo laser (b).
Figura 16 – Normalização do espectro de PL e demonstração dos modos
ressonantes de galeria das microesferas. O Espectro de PL foi realizado a
temperatura ambiente, onde o feixe laser se concentrava em uma única
microesfera.
30
A figura 16 mostra o espectro de emissão de uma única microesfera
com diâmetro médio de 30 µm. Detalhes da estrutura com modos de galeria
ressonante são mostrados nesta figura. Existe uma modulação periódica que
atribuímos aos modos ópticos da microcavidade esférica.
Uma das razões para observar este fenômeno é devido ao largo
espaçamento entre os níveis dos PQs. Os excitons confinados permitindo que a
emissão espontânea amplificada (ASE) ocorra em níveis mais baixos. Devido à
estrutura discreta das transições ópticas em PQs, o decaimento térmico dos
níveis mais baixos é inibido. Portanto, os PQs apresentam um desempenho
relativamente superior para aplicações de laser.
A estratégia adotada na síntese dos filmes poliméricos contendo
nanopartículas de CdS envolveu a coordenação de íons Cd2+ com os grupos –OH
do polímero, seguida da reação com os S2-. A figura 15-a apresenta os espectros
de PL das microesferas de CdS em grupo, na concentração inicial de íons Cd2+ de
10-2 mol/L, não foi possível demonstrar variações nas concentrações de CdS nas
microesferas, devido às falhas do equipamento experimental ocorridas nas
últimas semanas de ensaio. Ficando tais medidas como sugestão para trabalhos
futuros.
É possível observar que os picos das bandas se deslocaram de 2.30 eV
na figura 15-a para 2.17 eV na figura 15-b, indicando uma diminuição do tamanho
médio das nanopartículas de CdS.
A banda de emissão observada com intensidade máxima em ~2.2 eV
pode ser atribuída à transição ao primeiro estado de excitação, confirmando o
efeito de confinamento quântico das nanopartículas de CdS.
As microcavidades laser constituem um sistema atrativo para duas
linhas de pesquisas fundamentais: a eletrodinâmica quântica das cavidades e a
optoeletrônica. Uma das principais qualidades é a capacidade de emissão laser
não convencional, emissão laser causada pelo acoplamento entre o campo óptico
da matriz polimérica e o meio ativo dos monocristais.
Com relação à geometria das matrizes poliméricas, existem diversos
tipos de microcavidades, estas podem ter formatos de esferas, anéis, discos e
outras, porém todas podem ser caracterizadas como cavidades de Fabry-Perot.
Para potencializar a capacidade de emissão laser das cavidades é
necessário que se tenha um elevado fator de Qualidade (Q) para confinar a luz
31
em uma região de maior ganho.
Calculamos o valor de fator de qualidade Q que usa a expressão
seguinte:
Onde 2ћγ é a Lorentziana que ajusta a largura dos modos de cavidade e ћω0 é a
energia de fóton.
Calculamos que o fator de qualidade Q é de 1142 para o comprimento
de onda a 532 nm. Pode-se concluir que, ao incorporar os nanocristais de CdS
na cavidade da microesfera, ocorre uma forte junção entre os estados fotônicos e
eletrônicos.
Nanopartículas semicondutoras de CdS foram sintetizadas com sucesso
em uma matriz polimérica. A espectroscopia Raman indicou o crescimento das
nanopartículas, enquanto os espectros de fotoluminescência mostraram
decréscimo da intensidade de emissão com o aumento da concentração.
Materiais luminescentes foram obtidos, indicando a eficiência do uso do polímero
no controle do crescimento das nanopartículas de CdS, que apresentaram efeito
de confinamento quântico.
O CdS é um material grandemente absorvente de radiações com
energias maiores que o gap (2.42 eV ; 512 nm, a temperatura ambiente ), além
disso é capaz de absorver radiações menos energéticas por mecanismos de
absorção de 2 e 3 fótons.
De acordo com estes resultados podemos dizer que as microesferas em
questão são compostos pelo elemento estrutural e pelo elemento semicondutor
CdS, mas não sabemos em que forma está distribuído o CdS na matriz. Para dar
um resultado mais preciso sobre a estrutura e composição deste filme é
necessário utilizar técnicas que permitam observar o interior das amostras com
precisão nanométrica, ou seja, Microscopia Eletrônica de Transmissão.
Não descartamos a possível presença conjunta de partículas de CdS
com estrutura wutzita (hexagonal) e partículas com estruturas zincblend (cúbica),
pois se existirem estas partículas elas podem se formar em diferentes condições
de equilíbrio locais. Comparando nossos resultados com os resultados de outros
investigadores podemos supor que partículas nanométricas de CdS, devem ter
(4)
32
dimensões de alguns angstrons.
Na literatura Wang et al. observaram filmes através de microscopía de
força atômica partículas com dimensão media maiores que 70 angstrons e 250
angstrons (com annealing). Porém, não foi observado o deslocamento para o azul
na banda de emissão de PL correspondente às transições diretas.
Por último indicamos que a única causa que conhecemos que provoca
deslocamento espectral para o azul na absorção óptica é a dimensão nanométrica
das partículas semicondutoras, portanto nas nossas amostras este deslocamento
já seria um indício da presença de nanocristais de CdS.
A técnica utilizada é uma técnica que se mostrou estabelecida na
fabricação de PQs semicondutores, com propriedades úteis para o estudo da
física fundamental e para a aplicação em dispositivos. Os PQs que se formam
durante o processo, exibem alta qualidade de emissão óptica, grande
espaçamentos nos níveis de energia, alta densidade areal e confinamento de
elétrons e buracos. As propriedades dos PQs abrem a possibilidade real da
aplicação em dispositivos, como por exemplo PQs lasers. Os PQs também
fornecem condições para o estudo fundamental de processos optoeletrônicos em
estruturas semicondutoras zero-dimensionais.
33
Figura 17 – Variação da intensidade do feixe laser sobre a amostra.
Pela figura 17 verificamos que os comprimentos de onda para os
variados “picos” e “vales” não se alteram quando se intensifica a potência do laser
sobre as amostras, garantido mais uma vez que as oscilações observadas são
realmente os modos ressonantes da galeria da microesfera dopada com PQs de
CdS. Verifica-se também que com maior intensidade do feixe, existe uma maior
emissão dos PQs, assim as distâncias entre “picos” e “vales” vão sendo
camufladas, pois as emissões se sobrepõem umas sobre as outras.
34
CAPITULO 5
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Em resumo, nanopartículas opticamente estável de CdS foram
sintetizadas em copolímero de estireno-divinilbenzeno mesoporosa. Além disso, o
sistema nanocristalino CdS quantitativa foi utilizada para investigar os efeitos de
emissão laser em microesferas. Esses esforços podem ser direcionados para a
fabricação de um laser sintonizável de cristal fotônico pela incorporação PQs em
estruturas fotônicas.
A espectroscopia Raman indicou o crescimento das nanopartículas,
enquanto os espectros de fotoluminescência mostraram o decréscimo da
intensidade de emissão com o aumento da concentração.
Materiais luminescentes foram obtidos, indicando a eficiência do uso do
polímero no controle do crescimento das nanopartículas de CdS, que
apresentaram efeito de confinamento quântico.
35
5.1 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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