ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES MORFOLÓGICAS DE PELÍCULAS DELGADAS DE ORO POR MEDIO DE SUS PROPIEDADES ÓPTICAS

Abstract

Se trata de un trabajo teórico y experimental en películas delgadas de oro. Convencionalmente se dice que son películas de 2 dimensiones ya que sus dimensiones transversales (largo y ancho) son mucho mayores en comparación con el grosor. En una primera instancia se describieron las propiedades ópticas (con el ajuste teórico de curvas de extinción óptica) de películas delgadas de oro previamente sintetizas por medio de la técnica de depósito por Evaporación Térmica. Para ello, se estudiaron los métodos de resolución con base en descripciones teóricas de medio efectivo populares, las aproximaciones de Bruggemann y de Maxwell-Garnet (generalizado). Las expresiones matemáticas involucradas se resolvieron analíticamente, y luego se dispuso de la herramienta de paquete de software “Origin (versión 8.5)” para el codificado de las expresiones obtenidas y su posterior uso para el ajuste de las curvas de extinción óptica disponibles para el análisis. Un ajuste fidedigno de las curvas en cuestión representa la base de este trabajo, pero el problema no se consideró resuelto hasta que se obtuvo una descripción satisfactoria del principal parámetro morfológico de las películas, el llenado de volumen fraccionario (y en el caso de películas ultradelgadas, el diámetro o radio promedio de nanopartículas esféricas de oro soportadas en el sustrato). Como se verá con detalle más adelante, dentro este nivel de grosores las películas nanoestructuradas no son continuas sino más bien granulares, compuestas por dos componentes o fases distinguibles y separadas entre sí, la componente metálica compuesta por nanoesferas de oro, o bien nanoislas, y su equivalente dieléctrica (nanohuecos del sustrato sobre el cual se deposita el oro, ya sea vidrio común o silicio cristalino, ambos con la característica principal de poseer una función dieléctrica constante y meramente real en el sentido matemático). La suma de los llenados fraccionarios correspondientes al oro (𝑋𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙) y al medio dieléctrico (𝑋𝑑𝑖𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜) es igual a uno (𝑋𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 + 𝑋𝑑𝑖𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 = 1), y cualesquiera de estos parámetros puede determinarse por medio de un análisis estadístico de micrografías de Microscopía Electrónica por Barrido de alta resolución (SEM por sus siglas en inglés, “Scanning Electron Microscopy”). Los

resultados obtenidos para los volúmenes fraccionarios (o diámetros de las nanoesferas de oro) por análisis SEM y por el ajuste de curvas de extinción óptica coincidieron de manera satisfactoria; fue necesario también implementar un código de programación en lenguaje Python para el conteo de pixeles en las micrografías SEM. El ajuste de curvas de extinción óptica también permite extraer el grosor de la película con alta precisión, el cual es otro parámetro morfológico medular dentro de este tipo de materiales, y que resulta ser complicado de determinar por la vía experimental, al menos en la mayoría de los laboratorios disponibles en México. Finalmente, dado el éxito obtenido para describir las propiedades ópticas de las películas inicialmente disponibles, independientemente del volumen fraccionario, se procedió a sintetizar nuevamente las películas delgadas de oro; la forma funcional de las curvas de extinción óptica es altamente sensible al valor de 𝑋𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙, inicialmente se trabajó con cuatro muestras que abarcan 𝑋𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 → 0 (tiempos cortos del depósito) hasta 𝑋𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 → 1 (tiempos largos del depósito), pasando por 𝑋𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙 ≈ 0.5 (tiempos intermedios del depósito). Las películas depositadas se sometieron a subsiguientes tratamientos térmicos en atmósfera de aire. El efecto del tratamiento térmico sobre las películas se evidenció con una evolución continua y ordenada de las curvas de extinción óptica medidas (𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒, 150, 250, 350 y 450 °C), las cuales se ajustaron de manera satisfactoria con el mismo procedimiento descrito arriba. Una vez más, las predicciones obtenidas por ajuste teórico se comparan con los correspondientes análisis SEM, lo cual permitió establecer algunas hipótesis en lo que respecta a la cinética o mecanismos de evolución del oro nanoestructurado.