Películas mesoporosas nanocompuestas para el desarrollo de una plataforma sensora nanoelectrónica

Abstract

Si bien las nanopartículas metálicas han sido ampliamente explotadas por sus atractivas propiedades ópticas, su aplicación en circuitos nanoelectrónicos no ha sido del todo explorada. En este sentido es necesario el desarrollo de sistemas eléctricos bien definidos a partir de nanopartículas metálicas ensambladas. Este trabajo de tesis describe el desarrollo de un dispositivo nanoelectrónico de diseño, que permitió localizar el paso de la corriente eléctrica a través de nanopartículas de plata funcionalizadas dentro de una película mesoporosa de TiO2. A partir de lograr un sistema estable y controlado, se aplicó al desarrollo de una plataforma sensora capaz de reconocer, por medios electrónicos y optoelectrónicos, biomoléculas como hebras sencillas de ADN o la presencia de fluidos volátiles como el etanol. El Capítulo 1 como introducción contiene, partiendo del concepto de nanotecnología, una descripción de los métodos de fabricación y caracterización de los nanomateriales que conforman la plataforma desarrollada (películas mesoporosas, nanopartículas, funcionalización superficial) como así también un enfoque en sus propiedades fisicoquímicas y aplicaciones. En el Capítulo 2 se describen las etapas de fabricación foto-asistida, la exhaustiva caracterización y correlación entre diferentes arreglos bidimensionales de nanopartículas de plata en películas delgadas mesoporosas de TiO2 originados a partir del control de la cristalinidad y la estructura de la matriz mesoporosa. En el Capítulo 3 se caracterizó eléctricamente (resistividad y capacitancia) la plataforma desarrollada luego de diseñar un sistema que permitió garantizar el paso localizado de la corriente únicamente por las nanopartículas presentes dentro de la matriz de titania. Se relacionó la corriente obtenida con las características de los arreglos de nanopartículas evidenciando la importancia intrínseca de la nanoestructura por sobre la cantidad de plata sintetizada. En el Capítulo 4 se describe la funcionalización selectiva con 1-octanotiol de las nanopartículas de plata insertas en la matriz mesoporosa de titania. A partir de este proceso se desarrolló y se estudió la formación de un sistema estable tanto temporalmente como en su respuesta eléctrica. Por último, el Capítulo 5 muestra las aplicaciones que surgen a partir de las diversas propiedades halladas que resultan propias del sistema. Se estudiaron y explotaron las propiedades optoelectrónicas de la plataforma nanoelectrónica para la detección de distintos solventes volátiles como el etanol y por otra parte se logró un sistema promisorio para la detección específica de ADN. El desarrollo de una plataforma nanoelectrónica controlada, miniaturizada, estable y para un fin determinado, implicó el diseño estructural de un nanosistema jerárquico. Este sistema de diseño se retroalimentó con una exhaustiva caracterización en cada etapa de fabricación, involucrando una variedad de técnicas entre las cuales se destacan: Microscopía Electrónica de Barrido y Transmisión, espectroscopia de rayos X de energía dispersiva, Porosimetría Elipsométrica Ambiental, Difracción de Rayos X, Espectroscopía Raman, fotoelectrónica de rayos X, microscopio de fluorescencia y Espectroscopía UV-Visible y mediante mediciones de resistividad y capacitancia. Logrando de esta forma una plataforma sensible ante cambios en su entorno que genera una señal eléctrica apropiada para la detección de biomoléculas o de fluidos.

Although metal nanoparticles have been widely exploited for their attractive optical properties, their application in assembled nanoelectronic circuits has not been fully explored. Therefore it is necessary to develop well-defined electrical systems from assembled metal nanoparticles. This thesis describes the development of a nanoelectronic device design, which allowed the location of the passage of electric current through functionalized silver nanoparticles inside a mesoporous TiO2 film. After achieving a stable and controlled system, it was applied to the development of a sensor platform capable of recognizing, by electronic and optoelectronic means, biomolecules as simple strands of DNA or the presence of volatile fluids such as ethanol. Chapter 1 includes an introduction which contains the concept of nanotechnology, a description of the manufacturing methods and the characterization of the nanomaterials that make up the developed platform (mesoporous films, nanoparticles, surface functionalization) as well as an approach in their physicochemical properties and applications. Chapter 2 describes the photo-assisted manufacturing stages, the exhaustive characterization and correlation between different two-dimensional arrangements of silver nanoparticles in thin mesoporous TiO2 films that originated from the control of the crystallinity and the structure of the mesoporous matrix. In Chapter 3, the developed platform was electrically characterized (resistivity and capacitance) after designing a system that allowed localized passage of the current to be guaranteed only by the nanoparticles present within the titania matrix. The current obtained was related to the characteristics of the nanoparticle arrays showing the intrinsic importance of the nanostructure over the amount of silver synthesized. In Chapter 4 the selective functionalization with 1-octanotiol of the silver nanoparticles inserted in the mesoporous titania matrix is described. From this process, the formation of a stable system both temporarily and in its electrical response was developed and studied. Finally, Chapter 5 shows the applications that arise from the various properties found that are common in the system. The optoelectronic properties of the nanoelectronic platform for the detection of different volatile solvents such as ethanol were studied and exploited and, therefore, a promising system for the specific detection of DNA was achieved. The development of a nanoelectronic platform controlled, miniaturized, stable and for a specific purpose, involved the structural design of a hierarchical nanosystem. This design system was fed back with an exhaustive characterization in each stage of manufacture, involving a variety of techniques among which stand out: Scanning and Transmission Electron Microscopy, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, Environmental Ellipsometric Porosimetry, X-ray Diffraction, Raman Spectroscopy, X-ray Photoelectronics, Fluorescence Microscopy and UVVisible spectroscopy and by measurements of resistivity and capacitance. In sum this is platform sensitive to changes in its environment and that generates an appropriate electrical signal for the detection of biomolecules or fluids is achieved.