Caracterização do arranjo estrutural de sistemas enterrados de nanopartículas pela técnica de MEIS

Abstract

Arranjos planares de nanoparticulas (NPs). enterrados em matriz sólida tern atraído grande interesse tanto nas ares de nanociência quantd nas de nanotecnologia, devido às suas propriedades físicas, tais como plasmOnicas e magnéticas. As propriedades destes sistemas de NPs são fortemente dependentes do tamanho e da sua dispersão, forma geométrica, densidade areal de número e ordenamento espacial do conjunto de NPs, bem como de sua estequiometria local. Corripreender e caracterizar este tipo de sistemas exige técnicas -de caracterização microestrutiiral e de composição, entre as quais espalhamento de íons com energias intermediárias (MEIS) surge como uma candidata interessante para esta finalidade. MEIS é uma técnica de caracterização por feixe de íons capaz de determinar, Corri resolução em. profundidade subnariornétrica, perfis de concentração e composição elementar em filmes finos. Além disso, recentemente experimentos de MEIS foram usados como uma ferramenta adicional para a caracterização da forma, distribuição de 'tamanhos e de estequiometria de sistemas de NPs expostos à superfície, e também para determinação .da distribuição elementar em função da profundidade numa única NP. No entanto, o emprego de MEIS na investigação de sistemas nanoestruturados ainda não .é bem compreendido, e, antes da realização do presente trabalho, não haviam referências sobre a investigação- de,nánoestruturas enterradas por MEIS. Através do uso de um software de simulação Monte Carlo desenvolvido pelo nosso grupo, o PowerMEIS, com a qual pode se levar em consideração qualquer forma geométrica de NP, distribuição de tamanhos, a correlação espacial e estequiometria -das nanoestruturas e também a assimetria da distribuição de perda de energia dos íons, explOramos a potencialidade do emprego de MEIS na investigação- de sistemas planares de nanoestruturas embebidas numa matriz sólida. No presente trabalho é mostrada a capacidade da.análise MEIS 'combinada com técnicas complementares, tais como a microscopia electrOnica de transmissão (TEM) e espalhamento a baiXo ângulo de' raios-X com incidência rasante (GISAXS), por meio da investigação de 'vários sistemas-modelo, a saber: (i) arranjos planares de NPs de Pb enterrados sob uma camada de sílica na interface Si02 /Si, investigados através da anlise combinada de MEIS, TEM e GISAXS. Apenag por MEIS não e observada sensibilidade à forma geométrica dás NPs e, impOrtantes efeitos de straggling e espalhamentos múltiplos foram observados. Através da análise combinada de TEM e GISAXS as propriedades microestruturais das NPs foram determinadas. As diferenças doS resultados obtidos a partir destas duas técnicas foram melhor compreendidos através das análiseS combinadas de MEIS e TEM no modo varredura (STEM) detector anular em alto ângulo em campo escuro (HAADF), que permite obter imagens com contraste Z. Somente combinando TEM padrão, GISAXS e MEIS pode levar a um resultado não realístico (NPs de Pb + átomos de Pb misturados no Si02 ), ao invés de um sistema bimodal NPs, com baixa densidade areal de número de NPs maiores e mais alorigados; (ii) arranjos planares de NPs esféricas de Au. em Si02, onde forain obtidos não somente as propriedades microestruturais da NPs propriamente por meio da análise, de TEM e GISAXS, mas também a distribuição de Au na matriz de Si02 nas vizinhanças das NPs; (iii) um conjunto planar de. NPs do tipo caroço/casca de Fe/Fe,Siy0, próximas à superfície embebidas em matriz de Si02.,. onde as características morfológicas das. NPs foram caracterizadas por meio de observações TEM, e a estequiometria local da casca foi obtida combinando MEIS com os resultados da análise de TEM. A análise TEM+MEIS- foi comparada com o perfil de profundidade do estado químico do Fe obtido por espectroscopia de fotoelétrons (XPS) em função da energia. Como uma técnica não-destrutiva que permite investigar tanto a superfície quanto, profundidades de até algumas poucas dezenas de nanõrhetros de um material, o uso de MEIS abre novas perspectivas para o estudo do arranjos planares de NPs embebidas em matriz sólida por investigações it in, situ, no curso de um determinado processo, tal como à irradiação ou tratamento térmico.