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Controlling Surface-Enhanced Raman Scattering and Metal-Enhanced Fluorescence in Silver Nanofilms Using Ultrathin Aluminum Oxide Spacers via Atomic Layer Deposition

Texto completo
Autor(es):
Horta, Isabela Machado ; Azevedo Neto, Nilton Francelosi ; Tellez Zepeda, Claudio ; Gomes, Carlos E. ; Barbosa, Natali da Silva ; Pereira, Andre Jesus ; da Silva Sobrinho, Argemiro Soares ; Pessoa, Rodrigo
Número total de Autores: 8
Tipo de documento: Artigo Científico
Fonte: CHEMISTRY OF MATERIALS; v. N/A, p. 16-pg., 2025-08-15.
Resumo

Atomic layer deposition (ALD) enables simultaneous passivation of silver and nanometer-scale tuning of the near-field landscape that controls surface-enhanced Raman scattering (SERS) and metal-enhanced fluorescence (MEF). Here, sputtered similar to 16 nm Ag films were conformally coated with 1-20 ALD cycles of Al2O3 (approximate to 0.17-1.76 nm) and analyzed by atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), spectroscopic ellipsometry, UV-Vis spectroscopy, time-resolved fluorescence, large-area Raman mapping of Rhodamine 6G and finite-difference time-domain (FDTD) modeling. Morphology evolves from isolated oxide nuclei after one cycle through a conformal roughness-amplifying shell at 5-15 cycles to vertically elongated outgrowths at 20 cycles; ellipsometry confirms self-limiting growth with 0.10 +/- 0.02 nm cycle(-1). Optical measurements reveal three thickness regimes: <= 1 cycle (<0.2 nm) yields SERS-dominated behavior with picosecond quenching and intense Raman hotspots; similar to 5 cycles (similar to 0.5 nm) provides the hybrid optimum, giving the highest Raman enhancement (EF approximate to 2 x 10(3)) together with a 4-fold fluorescence-lifetime extension (<tau > approximate to 26 ns) that signals strong MEF; whereas >10 cycles (>1 nm) attenuate both SERS and MEF as the evanescent field decays. FDTD maps based on AFM topographies reproduce the heavy-tailed hotspot distribution and identify the 0.5-1.0 nm window as the sweet spot for co-optimizing field confinement and radiative efficiency. Stability tests show that five-cycle coatings endure solvent rinsing and cotton-swab abrasion while retaining-or even increasing-SERS activity, whereas thicker oxides guarantee mechanical integrity at the cost of weaker near-fields. These combined results show an experimentally validated framework for engineering reusable, dual-mode plasmonic substrates by angstrom-level control of dielectric spacer thickness. (AU)

Processo FAPESP: 19/05856-7 - Aplicações de plasmas atmosféricos não-térmicos na odontologia: da bancada para a clínica
Beneficiário:Cristiane Yumi Koga Ito
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
Processo FAPESP: 23/02268-2 - Geração e caracterização de diferentes líquidos ativados com plasma para aplicação no tratamento endodôntico
Beneficiário:Nilton Francelosi Azevedo Neto
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Processo FAPESP: 22/11544-0 - EMU tecnológico: aquisição de um sistema de microscopia óptica de varredura de campo próximo acoplado com microscopia de força atômica e espectroscopia Raman aprimorada por ponta para imageamento químico e físico em micro e nanoescala
Beneficiário:Rodrigo Savio Pessoa
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Infraestrutura - Tecnologia e Inovação
Processo FAPESP: 24/15258-8 - Treinamento técnico na técnica SNOM acoplada com AFM/TERS visando o imageamento multimodal da ação do plasma ou da água ativada à plasma na parede celular e de estruturas de microrganismos ou células animais
Beneficiário:Isabela Machado Horta
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Programa Capacitação - Treinamento Técnico