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Síntese, propriedades ópticas e aplicações de vidros e vitro-cerâmicas com nanopartículas dispersas de semicondutor ou híbridas de Semicondutor-metal

Processo: 18/04113-8
Linha de fomento:Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Vigência (Início): 01 de setembro de 2018
Vigência (Término): 31 de agosto de 2021
Área do conhecimento:Engenharias - Engenharia de Materiais e Metalúrgica - Materiais Não-metálicos
Pesquisador responsável:Ana Candida Martins Rodrigues
Beneficiário:Nilanjana Shasmal
Instituição-sede: Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia (CCET). Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR). São Carlos , SP, Brasil
Vinculado ao auxílio:13/07793-6 - CEPIV - Centro de Ensino, Pesquisa e Inovação em Vidros, AP.CEPID
Assunto(s):Propriedades ópticas   Fluorescência   Vitrocerâmica

Resumo

Uma nanopartícula (NP) pode ser definida como um material com um tamanho menor que 100 nm e com propriedades diferentes daquelas do mesmo material em escala macroscópica. As NP de semicondutores possuem propriedades ópticas ajustáveis devido à discretização dos seus níveis de energia. NPs metálicas exibem características peculiares de absorção de energia devido à oscilação coletiva dos elétrons na superfície metálica (plasmon).A combinação de um metal e um semicondutor no mesmo nanocristal é de interesse tanto do ponto de vista fundamental como tecnológico. Esses nanocristais híbridos (HNPs), compostos de metais semicondutores e nobres poderão não só combinar as propriedades únicas do metal e do semicondutor, mas também gerar novos fenômenos coletivos baseados em interações de superfície, que poderão ocorrer na interface semicondutor-metal. Compreender as interações metal-semicondutor e como elas dependem do tamanho, forma, composição e espaço entre os segmentos metálicos e semicondutor da NP, é de fundamental importância para uma variedade de aplicações que vão desde a fotocatálise, optoeletrônica e fotovoltaica até a rotulagem biológica e nanomedicina.Essas HNPs são materiais promissores para uma ampla área de aplicação, sendo que a geração de HNPs em vidro pela técnica clássica de melt-quenching (fusão e resfriamento rápido) ainda não foi reportada. Essa proposta traz potenciais aplicações ainda não exploradas na área de fotônica. A dopagem de vidros por NP de semicondutores já foi explorada com sucesso, gerando resultados promissores. Por exemplo, foi encontrada fotoluminescência visível (PL) que pode ser controlada pelo tamanho das NPs, e por tratamento térmico do vidro precursor. A dopagem de vidros por NPs de metais também é bem conhecida. Um aumento na intensidade de PL de íons terras raras foi observado na presença de NP metálicas em concentrações específicas, sendo que este efeito pode ser otimizado quando o vidro é tratado termicamente, para se obter vitrocerâmicas. Assim, a ideia da utilização de nanopartículas híbridas de metal-semicondutores (HNPs) em vidros representa uma boa chance de sucesso. Em vista do exposto acima, os principais objetivos do presente projeto podem ser especificados como: i) geração de semicondutores (como CdS, CdSe, etc.) e de HNP de metal semicondutor (usando metais como Ag, Au) em uma matriz vítrea de baixa energia de fônon, por diferentes métodos de síntese, ii) tratamento térmico dos vidros em estudo, visando a obtenção de vitrocerâmicas, e análise da evolução das propriedades ópticas em função da cristalização da matriz vítrea, iii) incorporar, nos vidros e vitrocerâmicas, íons de terra-raras adequados, em diferentes concentrações e estudar o efeito das nanopartículas híbridas (HNPs) nas propriedades de fotoluminescência. .Para preparar vidro dopado com nano-partículas híbridas de metal-semicondutor, podem ser aplicados dois métodos: i) um método de duas etapas, em que as NPs semicondutoras e as hibridas metal-semicondutor podem ser preparadas separadamente e, em seguida, incorporadas em uma matriz de vidro adequada, ii ) um método em uma única etapa, em que as nanopartículas semicondutoras e híbridas semicondutor-metal podem ser geradas in-situ na matriz de vidro durante o processo de fusão.Os resultados esperados incluem: i) geração de PL visível, que pode ser aplicada no campo de dispositivos optoeletrônicos de alto desempenho, ii) na presença de nanopartículas metálicas a PL pode exibir um aumento de 10-20 vezes na intensidade da radiação emitida, dependendo do tamanho e da forma das NPs, efeito extremamente útil em várias aplicações fotônicas, iii) a intensidade de PL pode ser ajustada por diferentes tratamentos térmicos, iv) geração de diodos emissores de luz brancos (WLED) por combinação adequada de dopantes, v) maiores frequências para "up and down conversation", muito úteis em aplicações de células solares.