Tuning the performance of magnetic, semiconductor, and multifunctional hybrid nanostructures

Abstract

The aim of this Ph.D. thesis is the synthesis and characterization of nanoparticles to understand and optimize their macroscopic properties. The manuscript is divided into seven chapters.

Chapter 1 is a general introduction to nanoscience and nanotechnology and the synthesis of nanoparticles. Also, it includes a brief introduction to the properties of the magnetic, semiconductor, and plasmonic nanoparticles and their potential applications in the nanoscale. At the end of this chapter, the objectives of this work are presented.

Chapter 2 is devoted to briefly introducing the characterization techniques used in this thesis such as transmission electron microscopy, X-ray powder diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, inductively coupled plasma optical emission spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, SQUID magnetometry, and ultraviolet-visible spectroscopy. In addition, experimental details for each technique are included.

Chapter 3 is dedicated to the optimization of the synthesis of iron oxide nanoparticles through the thermal decomposition method. In particular, it is focused on the monitoring of the effects on the structural and magnetic properties induced by the changes on the amount of 1,2-hexadecanediol and 1-octadecene, which were used as stabilizing agent and solvent, respectively.

Chapter 4 is focused on a thorough structural characterization of multi-core iron oxide nanoparticles to understand their outstanding magnetic properties.

In Chapter 5, the optimization of the synthesis by hot injection of Bi2S3 nanoparticles is presented. In this section, the effect of the reaction temperature and time on the morphology and crystallinity of the samples was studied. In addition, their effect on the optoelectronic properties was analyzed using ultraviolet-visible spectroscopy.

Chapter 6 is devoted to the combination of semiconductor Bi2S3 nanoparticles with plasmonic Au nanoparticles in order to achieve multifunctional hybrid nanostructures. In this chapter, a similar synthesis procedure to the one used in Chapter 5 with an additional step to include the Au precursor, was used. Also, the effect of the morphology of the semiconductor Bi2S3 scaffold was studied.

Finally, the last chapter Chapter 7 is the collection of the major remarks of the previous chapters to conclude all the work performed in this thesis.

En els últims vint anys, l’interès pels nanomaterials ha anat augmentant gràcies a les seves aplicacions potencials en camps com la biomedicina, l’emmagatzematge d’energia, el tractament d’aigües residuals, entre d’altres. La seva característica principal és l’aparició d’una nova fenomenologia a causa de la seva mida nanomètrica. Un dels reptes pendents, és la comprensió dels mecanismes de reacció que permeten l’optimització de la síntesi de nanopartícules per mitjà de mètodes químics. Així doncs, aquesta tesi està centrada en la síntesi i caracterització de nanopartícules magnètiques d’òxid de ferro i semiconductores de Bi2S3, i la preparació de nanoestructures híbrides de Bi2S3-Au per a aconseguir materials multifuncionals. Pel que fa a les nanopartícules d’òxid de ferro s’ha estudiat l’efecte que tenen l’1,2-hexadecandiol i 1-octadecè emprats com a agent estabilitzant i solvent, en la síntesi per descomposició tèrmica. Mitjançant caracterització estructural s’ha pogut determinar que condicionen la mida, la cristal·linitat i els estats d’oxidació de l’òxid de ferro, i això conseqüentment afecta les propietats magnètiques. També s’ha estudiat les nanopartícules multinuclears (multi-core) de maghemita, que consisteixen en grans agregats amb forma de nanoflor formats per “nuclis” (cores) d’uns 5 nm. S’ha observat que existeix una textura cristal·lina en aquests agregats que permet un comportament magnètic col·lectiu. En el cas de la síntesi de nanopartícules de Bi2S3 mitjançant el mètode d’injecció en calent, s’ha estudiat l’efecte de la temperatura d’injecció i el temps de reacció en la morfologia, cristal·linitat i resposta òptica de les nanopartícules de Bi2S3. A més, utilitzant aquestes nanopartícules de bastida s’ha afegit Au per a formar nanoestructures híbrides de Bi2S3-Au. En global, aquesta tesi demostra que un estudi dels paràmetres de síntesis permeten l’optimització de les propietats magnètiques o optoelectròniques de les nanopartícules, i apropar-nos una mica més al seu ús en aplicacions.