Estudio de Plasmones de Superficie en Óxidos Semiconductores Dopados

Estudiar los plasmones de superficie localizados en nanopartículas de óxido de estaño dopado con flúor mediante simulaciones numéricas y experimentalmente por espectrofotometría UV-visible, infrarrojo y espectroscopia STEM-EELS con la finalidad de conocer sus propiedades ópticas y morfológicas para el desarrollo de aplicaciones tecnológicas.

Las propiedades ópticas de los materiales metálicos poseen características útiles para aplicaciones en diversos campos, ya que estas cambian abruptamente cuando su tamaño es reducido hasta la escala nanométrica. En este caso estaríamos hablando de las nanopartículas metálicas las cuales presentan un fenómeno conocido como resonancia de plasmones de superficie (SPR por sus siglas en inglés), lo que corresponde a la oscilación de electrones libres cuando están sometidas a la excitación de una radiación electromagnética. La frecuencia (o energía) de resonancia de estas oscilaciones depende del tipo, tamaño y geometría de la nanopartícula, además del medio donde está inmersa. Este fenómeno ha atraído el interés de la comunidad científica por las múltiples aplicaciones en las que se pueden utilizar las nanopartículas metálicas (biosensores, celdas solares, terapia para el cáncer, entre otras). Además de nanopartículas metálicas es posible estudiar este fenómeno en semiconductores dopados con características conductoras. Estos semiconductores en la escala nanométrica presentan resonancia de plasmones de superficie localizados en el rango infrarrojo, lo que permite la posibilidad del desarrollo de aplicaciones en dicho rango.

Esta investigación de tipo teórica-experimental tiene como objetivo estudiar los plasmones de superficie en nanopartículas de semiconductores dopados a través de cuatro etapas, la primera a través de simulaciones numéricas donde se logre optimizar el tamaño y forma de las nanopartículas, lo cual nos permitirá tener una idea de cómo se deben comportar bajo ciertas condiciones para luego realizar una comparación con datos experimentales. Estas simulaciones se realizarán en MATLAB apoyándonos de un toolbox gratuito denominado MNPBEM. Además, se realizarán simulaciones FDTD (Finite-Difference Time-Domain) a través del software Lumerical. En la segunda etapa se prepararán diferentes muestras de nanopartículas de semiconductores dopados, en este caso óxido de estaño dopado con flúor (FTO), buscando controlar el tamaño que estemos buscando de acuerdo con las simulaciones realizadas. Estas serán caracterizadas óptica y morfológicamente. La caracterización óptica de las muestras se realizará mediante el uso de técnicas ópticas de espectrofotometría UV-Visible e infrarrojo FTIR y la morfológica por microscopía electrónica de barrido. La tercera etapa se basa en la caracterización óptica y morfológica de nanopartículas de óxido de estaño dopado con flúor mediante la técnica de microscopía y espectroscopía electrónica STEM-EELS (Scanning Transmision Electron Microscope – Electron Energy Loss Spectroscopy). La cuarta etapa se desarrollará una aplicación que incorpore el uso de nanopartículas de óxido de estaño dopado con flúor, en este caso un prototipo de ventana de atenuación infrarroja.