MULTIFUNCTIONAL NANOSTRUCTURED MATERIALS BASED ON CdSe AND TiO2 NANOPARTICLES

Il campo delle nanotecnologie è diventato tra i più importanti nella recente ricerca scientifica. È’ un settore multidisciplinare nelle conoscenze che ne costituiscono le basi e trova applicazione in svariati ambiti della tecnologia. La manipolazione della materia su nanometrica è accompagnata dalla comparsa di nuove proprietà ed un elevato valore di superficie per unità di volume. Queste proprietà possono essere sfruttate in applicazioni nei campi dell’ottica, della catalisi e della sensoristica, per non citarne che alcuni. In questo lavoro, l’attività è stata principalmente focalizzata sulla sintesi e l’uso di materiali nanostrutturati per la preparazione di nanocompositi e strutture di interesse nel campo dell’ottica. Il vantaggio principale nell’ introdurre particelle nanometriche in un materiale risiede nella possibilità di introdurre specifiche funzionalità o variazioni nelle proprietà ottiche mantenendo nello stesso tempo la trasparenza nel visibile. L’intera attività può essere divisa nella sintesi e successiva manipolazione di nanoparticelle e nel loro uso in specifiche applicazioni. Seleniuro di Cadmio (CdSe), Biossido di Titanio (TiO2) e Titanati a strati sono stati principalmente presi in considerazione per sfruttare specifiche proprietà di fotoluminescenza e di elevato indice di rifrazione. Sono inoltre state sintetizzate nanoparticelle di Solfuro di Zinco (ZnS). Nanoparticelle di CdSe, anche chiamate Quantum Dots (QDs), sono state ottenute attraverso sintesi di tipo colloidale. Parte del lavoro è stata dedicata al ricoprimento di queste nanoparticelle con semiconduttori a più elevato band gap con lo scopo di aumentare la stabilità delle proprietà di emissione di questi materiali. Queste nanoparticelle sono state introdotte in guide d’onda costituite da Biossido di Zirconio (ZrO2) ottenuto per via sol-gel per ottenere materiali con proprietà di guadagno ottico testate in esperimenti di emissione spontanea amplificata (ASE). Materiali ad alto indice di rifrazione trovano utilizzo in molte applicazioni ottiche. Deposizioni a elevato indice di rifrazione sono state ottenute introducendo particelle di biossido di titanio in opportune matrici. E’ stata sviluppata una sintesi di tipo sol-gel in grado di produrre soluzioni colloidali stabili di particelle cristalline con la struttura cristallografica dell’anatase con diametro intorno a 3-5 nm. Queste nanoparticelle sono state introdotte in una matrice ibrida sol-gel ottenendo deposizioni trasparenti con indice di rifrazione variabile tra 1.51 e 1.89. Sono stati successivamente presi in considerazione i titanati a strati perché permettono di estendere le possibilità di manipolazione ed ingegnerizzazione di materiali a base di ossido di titanio. È stata sviluppata una sintesi colloidale in cui “foglietti“ nanometrici di titanati sono prodotti per reazione di un alcossido di titanio e una base organica. Questi materiali hanno permesso di ottenere compositi con proprietà multifunzionali. Infatti, materiali contenenti titanati lamellari e QDs sono stati ottenuti e applicati in guide d’onda con proprietà di fotoluminescenza e ricoprimenti funzionali su dispositivi LED per migliorare la frazione di luce estratta e produrre luce bianca per conversione di parte della luce emessa in luce a lunghezza d’onda maggiore. Ricoprimenti per LED sono inoltre stati sviluppati con materiali ibridi sol-gel più convenzionali. I titanati stratificati sono stati trattati utilizzando radiazione UV. Questo genere di trattamento porta a una densificazione del materiale con conseguente aumento dell’indice di rifrazione impiegando durante il processo temperature relativamente basse (200 °C). Questo trattamento è stato impiegato nella fabbricazione di specchi multistrato dielettrici e cavità ottiche verticali dove sono stati inseriti QDs come emettitori luminescenti. Il metodo utilizzato è stato verificato essere compatibile con la conservazione delle proprietà di emissione dei Quantum Dots, permettendo la caratterizzazione ottica delle strutture sviluppate. Sono state inoltre considerate applicazioni sensoristiche per il rilevamento di gas tramite misure ottiche di materiali a base di TiO2 contenenti nanoparticelle d’oro. Le nanoparticelle di anatase in precedenza menzionate sono state adoperate come matrice, consentendo sia di agire sulla porosità, sia di caratterizzare l’interfaccia oro/titania tramite misure ottiche. La funzionalità sensoristica è stata determinata studiando la variazione nell’assorbanza ottica a lunghezze d’onda vicine alla risonanza plasmonica delle particelle d’oro, causata dalla presenza di uno specifico gas nell’atmosfera. Nanorods di oro sono stati inseriti in matrici di titanati lamellari. Queste nanostrutture d’oro tendono ad assumere la forma sferica in seguito a trattamento termico perdendo così le loro specifiche proprietà. Il trattamento di densificazione sviluppato per i titanati è stato applicato per questi compositi, fornendo una migliore stabilità termica dei nanorods, come dimostrato da misure ottiche. Questo risultato è interessante poiché potrebbe permettere di estendere l’utilizzo di queste nanostrutture in applicazioni ottiche. Infine, sono stati realizzati compositi con aumentato indice di rifrazione utilizzando particelle di solfuro di zinco per le quali è stata sviluppata una sintesi colloidale e una procedura di funzionalizzazione per il loro inserimento in matrici ibride sol-gel.