Neste trabalho, estudou-se o comportamento da ressonância de plasmon de superfície de camadas de nanopartículas metálicas de prata envoltas por dióxido de silício ou sobre superfícies desse material. Os filmes produzidos tiveram suas propriedades estruturais caracterizadas por microscopia eletrônica de transmissão, enquanto as propriedades ópticas foram investigadas por espectrofotometria. As nanopartículas apresentaram diâmetro médio de 8 nm e a ressonância de plasmon desses filmes estava deslocada em relação à previsão teórica do modelo de Maxwell Garnett. Esse deslocamento ocorreu em direções contrárias, dependendo se a direção do campo elétrico está paralela ou perpendicular ao plano de partículas, e foi atribuído à transferência estática de cargas e à interação dipolar entre as nanopartículas no sistema. A transferência estática de cargas foi considerada com base em dados estabelecidos na literatura para prata envolta por SiO2, ao passo que duas abordagens foram utilizadas para simular a posição da ressonância de plasmon de tais filmes. Ambas abordagens estão inicialmente baseadas no modelo de Maxwell Garnett, mas considerando a função dielétrica do metal modificada pela interação dipolar entre as nanopartículas. O primeiro modelo proposto adaptou o termo ImA – originalmente sugerido para descrever o deslocamento da ressonância de plasmon devido aos estados adsorvidos na superfície – para ajustar e simular as propriedades dos filmes produzidos. Esse modelo apresentou bons resultados para o campo elétrico paralelo ao plano das partículas, sobretudo para os filmes de nanopartículas de prata enterradas em SiO2. Entretanto, a posição do pico de ressonância para o campo elétrico ortogonal ao plano das partículas prevista pelo método com ImA, a incidências oblíquas da luz, não está em concordância com a posição da ressonância medida. A segunda abordagem conectou o modelo de Maxwell Garnett à teoria dipolar de interação entre as partículas em sistemas bidimensionais, desenvolvida por Persson e Liebsch. Essa abordagem permitiu descrever corretamente a posição da ressonância de plasmon, tanto para acoplamento perpendicular, quanto paralelo do campo elétrico no filme com nanopartículas e possibilitou relacionar as características estruturais da amostra aos parâmetros de simulação. Os modelos também foram aplicados em uma amostra que apresentou significativa deterioração após sua produção. A comparação entre as simulações e os resultados experimentais foi bastante satisfatória, dentro das aproximações impostas pelo modelo utilizado, como distribuição uniforme de partículas idênticas. Isso indica que essas abordagens representam uma ferramenta muito útil para determinar o comportamento de dispositivos baseados em filmes finos com nanopartículas metálicas. / In this work, the behavior of surface plasmon resonance from layers of silver nanoparticles embedded in silicon dioxide or on surfaces of silicon dioxide was studied. Structural properties of the produced films were characterized by transmission electron microscopy, while the optical properties were studied with a spectrophotometer. Results showed average nanoparticle diameter of 8 nm and that the plasmon resonance was shifted with respect to the predicted theoretical value. This plasmon resonance shifted in opposite direction, depending if the direction of the wave electric field is parallel or perpendicular to the film. This shift was attributed to the static charge transfer and to the dipolar interaction between the nanoparticles in the sample. The static charge transfer was considered by taking into account data from literature for Ag in SiO2, while two approaches were used to simulate plasmon resonance position. Both approaches were initially based in the Maxwell Garnett Model, but considering a modified dielectric function for the metal due to the dipolar interaction between the nanoparticles. The first model suggested to use the term ImA, which was originally developed to describe shifts in plasmon resonance due to adsorbate surface states, in order to fit or simulate the properties of the films. This model showed good results especially for films with silver nanoparticles buried into silicon dioxide, when the electric field was parallel to its plane. But, the position of the peak when the field is perpendicular to the film plane, at oblique incident angles, was not in accordance with the measured peak position. A second approach was developed aiming to connect Maxwell Garnett model to the theory of dipolar interaction between particles in bidimensional samples, developed by Persson and Liebsch. This approach allowed describing correctly the position of surface plasmon resonance for both, parallel or perpendicular coupling of electrical field in the film. It also allowed relating structural properties of the sample to the parameters of simulation. The presented model was also applied for a sample which presented significative deterioration. Comparison between simulated and experimental results is satisfactory within the limitation of the applied model (uniform distribution of identical particles). This indicates that this approach can represent a tool for predicting the behavior of devices based in thin films of metallic nanoparticles.

Por apresentarem uma alta razão de área de interface por volume, sistemas de nanopartículas são termodinamicamente instáveis e podem perder suas vantagens funcionais em função de modificações estruturais induzidas por variações de parâmetros intensivos do ambiente de aplicação. O presente trabalho trata do estudo da estabilidade estrutural de sistemas densos de nanopartículas de Pb embebidos em substratos de sílica frente às variações de temperatura e a exposição à irradiação com elétrons e íons energéticos. Substratos de SiO2/Si foram implantados com íons de Pb e submetidos à diferentes condições de tratamento térmico e irradiações com elétrons e íons pesados. Evoluções microestruturais foram acompanhadas através de medidas de espectrometria de retroespalhamento Rutherford e por análises de microscopia eletrônica de transmissão em modo convencional e in-situ, acompanhando em tempo real as mudanças introduzidas pelo aquecimento e bombardeamentos iônico e eletrônico. A síntese das amostras segue uma rota alternativa, desenvolvida no próprio grupo de pesquisa, que resulta na formação de aglomerados atômicos com diâmetros de 1 nm ou inferiores, os quais são altamente estáveis e só se dissociam em temperaturas de ≈ 600 °C acima da temperatura de fusão do Pb massivo. Em contraste com a literatura, apresenta-se um modelo que explica a alta estabilidade térmica desses aglomerados como consequência da formação de interfaces com menor energia livre, e não somente em função do tipo de arranjo estrutural ou do fortalecimento das ligações químicas entre os átomos do aglomerado. Além disso, os resultados mostram que o sistema de aglomerados evolui de maneira peculiar quando submetido simultaneamente a recozimentos e a irradiações em alta temperatura. Em particular, demonstra-se que a irradiação com elétrons do próprio feixe do microscópio, que ocorre durante observações com recozimento in-situ, afeta tanto os processos de difusão atômica como os de nucleação e crescimento de nanopartículas. Os experimentos in-situ possibilitam observar o comportamento de partículas individuais com tamanhos da ordem de 3 a 15 nm de diâmetro a temperaturas entre 30 e 1100 °C. As medidas registradas em vídeo mostram que, para temperaturas acima de 400 °C, partículas com diâmetro maior que 3 nm estão na fase líquida e migram pela matriz sólida apresentando um movimento do tipo Browniano. Estes resultados são discutidos considerando que a migração das partículas é causada por interações inelásticas, onde os elétrons do feixe do microscópio rompem as ligações atômicas e diminuem a barreira de energia de migração dos átomos da matriz localizados na interface com a partícula. Nos experimentos envolvendo irradiação com íons pesados em amostras contendo partículas de Pb relativamente grandes (diâmetros de ≈ 15 nm), demonstra-se que os efeitos da irradiação são: alongar as partículas na direção do feixe de íons e promover sua decomposição parcial formando partículas "satélites". Estes fenômenos são discutidos em termos de modelos da literatura. Entretanto, o resultado mais surpreendente é o de que as partículas satélites são muito estáveis, não se decompondo mesmo após recozimentos a 1100 °C. Este fenômeno é discutido utilizando-se os mesmos argumentos do modelo que explica a estabilidade dos aglomerados. Em termos gerais, esta tese apresenta e discute novos fenômenos relacionados com a estabilidade de sistemas de nanopartículas frente a tratamentos térmicos e à irradiação por elétrons e íons. Considerando o sistema de partículas de Pb em substrato de sílica como um caso modelo, os presentes resultados introduzem novos conceitos sobre o comportamento individual e coletivo de partículas, questionando suas potenciais aplicações em ambientes agressivos frente a irradiações com elétrons e íons pesados, tipicamente encontrados no espaço próximo da órbita da Terra bem como em reatores nucleares. / Because of their high interface area to volume ratio, nanoparticle systems are intrinsically in a non-thermodynamic-equilibrium state and when submitted to harsh environments these nanomectric structures may loose their functional advantages. In this work we investigate the microstructural changes of Pb nanoparticles embedded in silica films. The modifications were induced by different conditions of thermal annealing and irradiations with electrons and heavy ions. Nanoparticles were formed via Ion Beam Synthesis, combining Pb ion implantation and different steps of thermal annealing and irradiations. Microstructural evolutions were characterized by Rutherford backscattering spectrometry and transmission electron microscopy in conventional mode as well as in-situ, monitoring in real time the changes caused by thermal annealing and irradiation experiments performed inside the microscope. Thermally stable nanoparticles were obtained through an original experimental route develop by our research group. It consists of a long time low temperature annealing which results in the formation of small structures with ≈ 1 nm in diameter that dissociate at temperatures ≈ 600 °C higher than the melting temperature of the metallic bulk Pb. In contrast to what is presented in the literature, our results are discussed considering that the thermal stability of the nanoparticles is due to the formation of Pb clusters with low interface free energy with the SiO2 matrix. Moreover, it was also demonstrated that the thermally stable nanoparticle system evolves in a peculiar way when submitted simultaneously to high temperature annealing and electron irradiations. In particular, the high temperature thermal treatment performed inside the microscope during the observations affects atomic diffusion and also nanoparticle nucleation and growth processes. In-situ experiments allow a clear observation and analysis of the behavior of individual nanoparticles ranging from 3 to 15 nm in diameter when submitted to annealings between 30 °C and 1100 °C. Videos recorded during the in-situ thermal treatment reveal that nanoparticles larger than 3 nm in diameter migrate trough the silica film, presenting Brownian-like motion. The results are discussed considering that migration is caused by inelastic interaction, where the electrons from the microscope break atomic bonds reducing the migration energy barrier of the matrix atoms located at the particle surface. Concerning heavy ion irradiation of large Pb particles (≈ 15 nm in diameter), the main results demonstrate that the bombardment introduce a shape change in these particles, elongating them in the direction parallel to the ion beam incidence. In addition, the irradiation promotes the partial dissolution of the nanoparticles and the formation of nanomectric structures surrounding the central particle. These nanoparticles, named satellites, are thermally stable, maintaining its microstructural characteristics even when annealed at temperatures as high as 1100 °C. To sum up, this thesis presents and discusses new phenomena related to thermal stability of nanoparticles under high temperature and irradiation with electrons and heavy ions. The system formed by Pb nanoparticles embedded in sil ica film can be considered as a model case for the study of the individual and collective particle behavior submitted to harsh environments, similar to those presented in the space and in nuclear reactors.

Neste trabalho, investigamos o comportamento da emissão de fotoluminescência (PL) e a evolução estrutural de diferentes sistemas de nanopartículas em função dos parâmetros utilizados em sua obtenção. O mecanismo básico de emissão de PL desses sistemas torna possível enquadrálos em dois grupos básicos. No primeiro caso (Ge implantado em SiO2 e Si implantado em Si3N4), a origem da PL emitida é devido à presença de centros de defeitos radiativos localizados majoritariamente na interface das nanopartículas com a matriz. No segundo (Tb e Eu implantados em SiO2), a PL tem sua origem em transições eletrônicas de níveis atômicos dos íons de Terras Raras implantados. Para o sistema de nanopartículas de Ge imersas em SiO2, íons de Ge foram implantados com uma energia de 120 keV em um filme de SiO2 de 320 nm de espessura, mantido a uma temperatura constante entre RT e 350 ℃. A fluência implantada foi de 0,3 a 2,2 x 1016 Ge/cm². Posteriormente, as amostras foram submetidas a um tratamento térmico a 900 ℃ em uma atmosfera de N2 por 15 a 120 min, para a formação das nanopartículas bem como a passivação dos defeitos presentes no óxido, produzidos durante a implantação. Como consequência, duas bandas de PL foram observadas, uma centrada em 310 nm e a outra, com uma intensidade de PL muito superior à primeira, em 390 nm. Dentre as diferentes combinações de fluência e temperatura de implantação e tempo de recozimento, foi observado que a maior intensidade de PL obtida foi das amostras implantadas a 350 ℃ com 1,2 x 1016 Ge/cm² e recozidas por 2 h. Nessas condições, a intensidade de PL obtida foi cerca de 4,5 vezes superior a resultados publicados anteriormente. Medidas de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) revelaram que, nessas condições, foram formadas nanopartículas com um tamanho médio menor que as obtidas através da implantação a temperatura ambiente RT. Medidas de espectroscopia por retroespalhamento de Rutherford (RBS) evidenciam que os átomos de Ge implantados não difundem significativamente para as interfaces, apesar do recozimento a alta temperatura ao qual as amostras foram submetidas, no entanto, é observado um pequeno estreitamento no perfil de concentração, devido à nucleação das nanopartículas durante o recozimento. Com relação ao sistema de Si em Si3N4, íons de Si foram implantados em um filme de Si3N4 de 340 nm de espessura, com uma energia de 170 keV, com os substratos mantidos a uma temperatura constante entre RT e 400 ℃. A fluência implantada variou de 0,5 a 2,0 x 1017 Si/cm². Posteriormente, as amostras foram submetidas a tratamentos térmicos em uma faixa de temperaturas de 350 a 900 ℃, em diferentes atmosferas (N2, Argônio e forming gas) e por tempos que variaram de 15 a 120 min. A intensidade máxima de PL foi obtida para amostras implantadas com 1 x 1017 Si/cm² a 200 ℃ e recozidas a 475 ℃ por tempos de 30 a 120 min. Os resultados das medidas de TEM indicam a presença de nanopartículas de Si amorfo em toda a extensão do filme. No que diz respeito ao sistema de Terras Raras (Tb e Eu) implantados em SiO2, os íons foram introduzidos na matriz pela implantação realizada a uma energia de 100 keV e uma fluência de 3 x 1015 íons/cm², mantendo a temperatura do substrato entre RT e 350 ℃. Mesmo em amostras como implantadas (sem recozimento) foi observada uma intensa emissão de PL. Medidas de TEM revelaram a formação de nanopartículas para as amostras implantadas a quente. Posteriormente, as amostras foram tratadas termicamente por 1 h em atmosferas de N2, O2 e argônio em uma faixa de temperaturas de 500 a 800 ℃. Medidas de PL mostram que a temperatura de recozimento ideal é 500 ℃ para ambos os tipos de íons implantados. Para o Tb, a melhor temperatura de implantação foi 200 ℃, e a atmosfera de recozimento não influiu nos resultados observados. Para o Eu, a temperatura de implantação não teve papel significativo na PL após os recozimentos. Todavia, a atmosfera de recozimento teve um papel chave. Amostras implantadas em N2 apresentaram uma larga banda de emissão de PL (de 370 a 840 nm). Para amostras recozidas em O2, uma larga banda de emissão na região do azul-verde foi observada, junto com linhas de emissão na região do vermelho. Medidas de PL a baixas temperaturas revelaram a influência da temperatura da amostra na intensidade da PL. / In the present work, we have studied the photoluminescence (PL) emission and the structural properties of two kinds of systems. In the first one (Ge implanted in SiO2 and Si implanted in Si3N4), the PL has its origin in radiative states localized mainly on the interface between the nanoparticles and the matrix. In the second one (Tb and Eu implanted into SiO2), the PL has its origin in the electronic transitions of the atomic energy levels of the implanted rare-earth ions. For the Ge in SiO2 system, Ge was implanted in a 320 nm SiO2 film with an energy of 120 keV and at temperatures ranging from RT up to 600 ℃. The implanted fluence was varied from 0.3 up to 2.2 x 1016 Ge/cm². In order to create the nanostructures, a 900 ℃ anneal was performed with times ranging from 15 to 120 min. As a consequence, two PL bands were observed, one at 305 nm and the second one with a much higher yield at 385 nm. From the different combinations of implanted fluence, implantation temperature and annealing time, we have observed that the most intense PL yield was obtained when the implantation temperature was of 350 ℃, the implanted fluence of 1.2 x 1016 Ge/cm² and the annealing time of 2 h. Under these conditions, the obtained PL yield was 4.5 times larger than the ones obtained at RT implantation. Transmission electron microscopy (TEM) observations indicate that under these conditions, smaller nanocrystals were obtained in comparison with the ones implanted at RT. The RBS results show that the Ge atoms do not diffuse significantly, despite the high temperature of annealing that the sample was submitted. However, a narrowing of the Ge distribution was observed as a result of the clustering process. Concerning the Si in Si3N4 system, the Si excess was introduced in a 340 nm thick Si3N4 matrix by a 170 keV implantation, performed at different temperatures, with fluences of 0.5 to 2 x 1017 Si/cm². The annealing temperature was varied between 350 and 900 ℃ in order to form the Si precipitates. PL measurements show the existence of two superimposed bands centered around 760 and 900 nm. The maximum PL yield was obtained at the following conditions: fluence of 1 x 1017 Si/cm², implantation temperature of 200 ℃, annealing temperature of 475 ℃. TEM observations show the formation of amorphous Si nanoclusters and their evolution with the annealing temperature. Concerning rare-earth ions (Tb and Eu) implanted in SiO2, the ions were introduced in the matrix by a 100 keV implantation performed at different temperatures, with a fluence of 3 x 1015 ions/cm². The as-implanted samples already present a strong PL emission, even before the thermal treatments. Also, nanoparticles were formed during the hot implantation process without further annealing, as revealed by TEM measurements. The annealing was performed for 1 h in atmospheres of N2, O2 or Ar, with temperatures that varied between 500 and 800 ℃. PL measurements show that the optimal annealing temperature is 500 ℃ for both types of ions. For Tb, the optimal implantation temperature was 200 ℃, and the annealing atmosphere did not influenced on the final results. For Eu, the implantation temperature did not play a significant influence in the PL after the thermal annealing. However, the annealing atmosphere played a key role. Samples annealed in N2 presented a broad PL band, ranging from 370 up to 840 nm. For samples annealed in O2, a broad PL band in the blue-green region was observed, together with emission lines in the red region of the spectra. Low temperature PL measurements show the influence of the sample temperature on the PL intensity.

Neste trabalho, investigamos o comportamento da emissão de fotoluminescência (PL) e a evolução estrutural de diferentes sistemas de nanopartículas em função dos parâmetros utilizados em sua obtenção. O mecanismo básico de emissão de PL desses sistemas torna possível enquadrálos em dois grupos básicos. No primeiro caso (Ge implantado em SiO2 e Si implantado em Si3N4), a origem da PL emitida é devido à presença de centros de defeitos radiativos localizados majoritariamente na interface das nanopartículas com a matriz. No segundo (Tb e Eu implantados em SiO2), a PL tem sua origem em transições eletrônicas de níveis atômicos dos íons de Terras Raras implantados. Para o sistema de nanopartículas de Ge imersas em SiO2, íons de Ge foram implantados com uma energia de 120 keV em um filme de SiO2 de 320 nm de espessura, mantido a uma temperatura constante entre RT e 350 ℃. A fluência implantada foi de 0,3 a 2,2 x 1016 Ge/cm². Posteriormente, as amostras foram submetidas a um tratamento térmico a 900 ℃ em uma atmosfera de N2 por 15 a 120 min, para a formação das nanopartículas bem como a passivação dos defeitos presentes no óxido, produzidos durante a implantação. Como consequência, duas bandas de PL foram observadas, uma centrada em 310 nm e a outra, com uma intensidade de PL muito superior à primeira, em 390 nm. Dentre as diferentes combinações de fluência e temperatura de implantação e tempo de recozimento, foi observado que a maior intensidade de PL obtida foi das amostras implantadas a 350 ℃ com 1,2 x 1016 Ge/cm² e recozidas por 2 h. Nessas condições, a intensidade de PL obtida foi cerca de 4,5 vezes superior a resultados publicados anteriormente. Medidas de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) revelaram que, nessas condições, foram formadas nanopartículas com um tamanho médio menor que as obtidas através da implantação a temperatura ambiente RT. Medidas de espectroscopia por retroespalhamento de Rutherford (RBS) evidenciam que os átomos de Ge implantados não difundem significativamente para as interfaces, apesar do recozimento a alta temperatura ao qual as amostras foram submetidas, no entanto, é observado um pequeno estreitamento no perfil de concentração, devido à nucleação das nanopartículas durante o recozimento. Com relação ao sistema de Si em Si3N4, íons de Si foram implantados em um filme de Si3N4 de 340 nm de espessura, com uma energia de 170 keV, com os substratos mantidos a uma temperatura constante entre RT e 400 ℃. A fluência implantada variou de 0,5 a 2,0 x 1017 Si/cm². Posteriormente, as amostras foram submetidas a tratamentos térmicos em uma faixa de temperaturas de 350 a 900 ℃, em diferentes atmosferas (N2, Argônio e forming gas) e por tempos que variaram de 15 a 120 min. A intensidade máxima de PL foi obtida para amostras implantadas com 1 x 1017 Si/cm² a 200 ℃ e recozidas a 475 ℃ por tempos de 30 a 120 min. Os resultados das medidas de TEM indicam a presença de nanopartículas de Si amorfo em toda a extensão do filme. No que diz respeito ao sistema de Terras Raras (Tb e Eu) implantados em SiO2, os íons foram introduzidos na matriz pela implantação realizada a uma energia de 100 keV e uma fluência de 3 x 1015 íons/cm², mantendo a temperatura do substrato entre RT e 350 ℃. Mesmo em amostras como implantadas (sem recozimento) foi observada uma intensa emissão de PL. Medidas de TEM revelaram a formação de nanopartículas para as amostras implantadas a quente. Posteriormente, as amostras foram tratadas termicamente por 1 h em atmosferas de N2, O2 e argônio em uma faixa de temperaturas de 500 a 800 ℃. Medidas de PL mostram que a temperatura de recozimento ideal é 500 ℃ para ambos os tipos de íons implantados. Para o Tb, a melhor temperatura de implantação foi 200 ℃, e a atmosfera de recozimento não influiu nos resultados observados. Para o Eu, a temperatura de implantação não teve papel significativo na PL após os recozimentos. Todavia, a atmosfera de recozimento teve um papel chave. Amostras implantadas em N2 apresentaram uma larga banda de emissão de PL (de 370 a 840 nm). Para amostras recozidas em O2, uma larga banda de emissão na região do azul-verde foi observada, junto com linhas de emissão na região do vermelho. Medidas de PL a baixas temperaturas revelaram a influência da temperatura da amostra na intensidade da PL. / In the present work, we have studied the photoluminescence (PL) emission and the structural properties of two kinds of systems. In the first one (Ge implanted in SiO2 and Si implanted in Si3N4), the PL has its origin in radiative states localized mainly on the interface between the nanoparticles and the matrix. In the second one (Tb and Eu implanted into SiO2), the PL has its origin in the electronic transitions of the atomic energy levels of the implanted rare-earth ions. For the Ge in SiO2 system, Ge was implanted in a 320 nm SiO2 film with an energy of 120 keV and at temperatures ranging from RT up to 600 ℃. The implanted fluence was varied from 0.3 up to 2.2 x 1016 Ge/cm². In order to create the nanostructures, a 900 ℃ anneal was performed with times ranging from 15 to 120 min. As a consequence, two PL bands were observed, one at 305 nm and the second one with a much higher yield at 385 nm. From the different combinations of implanted fluence, implantation temperature and annealing time, we have observed that the most intense PL yield was obtained when the implantation temperature was of 350 ℃, the implanted fluence of 1.2 x 1016 Ge/cm² and the annealing time of 2 h. Under these conditions, the obtained PL yield was 4.5 times larger than the ones obtained at RT implantation. Transmission electron microscopy (TEM) observations indicate that under these conditions, smaller nanocrystals were obtained in comparison with the ones implanted at RT. The RBS results show that the Ge atoms do not diffuse significantly, despite the high temperature of annealing that the sample was submitted. However, a narrowing of the Ge distribution was observed as a result of the clustering process. Concerning the Si in Si3N4 system, the Si excess was introduced in a 340 nm thick Si3N4 matrix by a 170 keV implantation, performed at different temperatures, with fluences of 0.5 to 2 x 1017 Si/cm². The annealing temperature was varied between 350 and 900 ℃ in order to form the Si precipitates. PL measurements show the existence of two superimposed bands centered around 760 and 900 nm. The maximum PL yield was obtained at the following conditions: fluence of 1 x 1017 Si/cm², implantation temperature of 200 ℃, annealing temperature of 475 ℃. TEM observations show the formation of amorphous Si nanoclusters and their evolution with the annealing temperature. Concerning rare-earth ions (Tb and Eu) implanted in SiO2, the ions were introduced in the matrix by a 100 keV implantation performed at different temperatures, with a fluence of 3 x 1015 ions/cm². The as-implanted samples already present a strong PL emission, even before the thermal treatments. Also, nanoparticles were formed during the hot implantation process without further annealing, as revealed by TEM measurements. The annealing was performed for 1 h in atmospheres of N2, O2 or Ar, with temperatures that varied between 500 and 800 ℃. PL measurements show that the optimal annealing temperature is 500 ℃ for both types of ions. For Tb, the optimal implantation temperature was 200 ℃, and the annealing atmosphere did not influenced on the final results. For Eu, the implantation temperature did not play a significant influence in the PL after the thermal annealing. However, the annealing atmosphere played a key role. Samples annealed in N2 presented a broad PL band, ranging from 370 up to 840 nm. For samples annealed in O2, a broad PL band in the blue-green region was observed, together with emission lines in the red region of the spectra. Low temperature PL measurements show the influence of the sample temperature on the PL intensity.

Neste trabalho, investigamos o comportamento da emissão de fotoluminescência (PL) e a evolução estrutural de diferentes sistemas de nanopartículas em função dos parâmetros utilizados em sua obtenção. O mecanismo básico de emissão de PL desses sistemas torna possível enquadrálos em dois grupos básicos. No primeiro caso (Ge implantado em SiO2 e Si implantado em Si3N4), a origem da PL emitida é devido à presença de centros de defeitos radiativos localizados majoritariamente na interface das nanopartículas com a matriz. No segundo (Tb e Eu implantados em SiO2), a PL tem sua origem em transições eletrônicas de níveis atômicos dos íons de Terras Raras implantados. Para o sistema de nanopartículas de Ge imersas em SiO2, íons de Ge foram implantados com uma energia de 120 keV em um filme de SiO2 de 320 nm de espessura, mantido a uma temperatura constante entre RT e 350 ℃. A fluência implantada foi de 0,3 a 2,2 x 1016 Ge/cm². Posteriormente, as amostras foram submetidas a um tratamento térmico a 900 ℃ em uma atmosfera de N2 por 15 a 120 min, para a formação das nanopartículas bem como a passivação dos defeitos presentes no óxido, produzidos durante a implantação. Como consequência, duas bandas de PL foram observadas, uma centrada em 310 nm e a outra, com uma intensidade de PL muito superior à primeira, em 390 nm. Dentre as diferentes combinações de fluência e temperatura de implantação e tempo de recozimento, foi observado que a maior intensidade de PL obtida foi das amostras implantadas a 350 ℃ com 1,2 x 1016 Ge/cm² e recozidas por 2 h. Nessas condições, a intensidade de PL obtida foi cerca de 4,5 vezes superior a resultados publicados anteriormente. Medidas de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) revelaram que, nessas condições, foram formadas nanopartículas com um tamanho médio menor que as obtidas através da implantação a temperatura ambiente RT. Medidas de espectroscopia por retroespalhamento de Rutherford (RBS) evidenciam que os átomos de Ge implantados não difundem significativamente para as interfaces, apesar do recozimento a alta temperatura ao qual as amostras foram submetidas, no entanto, é observado um pequeno estreitamento no perfil de concentração, devido à nucleação das nanopartículas durante o recozimento. Com relação ao sistema de Si em Si3N4, íons de Si foram implantados em um filme de Si3N4 de 340 nm de espessura, com uma energia de 170 keV, com os substratos mantidos a uma temperatura constante entre RT e 400 ℃. A fluência implantada variou de 0,5 a 2,0 x 1017 Si/cm². Posteriormente, as amostras foram submetidas a tratamentos térmicos em uma faixa de temperaturas de 350 a 900 ℃, em diferentes atmosferas (N2, Argônio e forming gas) e por tempos que variaram de 15 a 120 min. A intensidade máxima de PL foi obtida para amostras implantadas com 1 x 1017 Si/cm² a 200 ℃ e recozidas a 475 ℃ por tempos de 30 a 120 min. Os resultados das medidas de TEM indicam a presença de nanopartículas de Si amorfo em toda a extensão do filme. No que diz respeito ao sistema de Terras Raras (Tb e Eu) implantados em SiO2, os íons foram introduzidos na matriz pela implantação realizada a uma energia de 100 keV e uma fluência de 3 x 1015 íons/cm², mantendo a temperatura do substrato entre RT e 350 ℃. Mesmo em amostras como implantadas (sem recozimento) foi observada uma intensa emissão de PL. Medidas de TEM revelaram a formação de nanopartículas para as amostras implantadas a quente. Posteriormente, as amostras foram tratadas termicamente por 1 h em atmosferas de N2, O2 e argônio em uma faixa de temperaturas de 500 a 800 ℃. Medidas de PL mostram que a temperatura de recozimento ideal é 500 ℃ para ambos os tipos de íons implantados. Para o Tb, a melhor temperatura de implantação foi 200 ℃, e a atmosfera de recozimento não influiu nos resultados observados. Para o Eu, a temperatura de implantação não teve papel significativo na PL após os recozimentos. Todavia, a atmosfera de recozimento teve um papel chave. Amostras implantadas em N2 apresentaram uma larga banda de emissão de PL (de 370 a 840 nm). Para amostras recozidas em O2, uma larga banda de emissão na região do azul-verde foi observada, junto com linhas de emissão na região do vermelho. Medidas de PL a baixas temperaturas revelaram a influência da temperatura da amostra na intensidade da PL. / In the present work, we have studied the photoluminescence (PL) emission and the structural properties of two kinds of systems. In the first one (Ge implanted in SiO2 and Si implanted in Si3N4), the PL has its origin in radiative states localized mainly on the interface between the nanoparticles and the matrix. In the second one (Tb and Eu implanted into SiO2), the PL has its origin in the electronic transitions of the atomic energy levels of the implanted rare-earth ions. For the Ge in SiO2 system, Ge was implanted in a 320 nm SiO2 film with an energy of 120 keV and at temperatures ranging from RT up to 600 ℃. The implanted fluence was varied from 0.3 up to 2.2 x 1016 Ge/cm². In order to create the nanostructures, a 900 ℃ anneal was performed with times ranging from 15 to 120 min. As a consequence, two PL bands were observed, one at 305 nm and the second one with a much higher yield at 385 nm. From the different combinations of implanted fluence, implantation temperature and annealing time, we have observed that the most intense PL yield was obtained when the implantation temperature was of 350 ℃, the implanted fluence of 1.2 x 1016 Ge/cm² and the annealing time of 2 h. Under these conditions, the obtained PL yield was 4.5 times larger than the ones obtained at RT implantation. Transmission electron microscopy (TEM) observations indicate that under these conditions, smaller nanocrystals were obtained in comparison with the ones implanted at RT. The RBS results show that the Ge atoms do not diffuse significantly, despite the high temperature of annealing that the sample was submitted. However, a narrowing of the Ge distribution was observed as a result of the clustering process. Concerning the Si in Si3N4 system, the Si excess was introduced in a 340 nm thick Si3N4 matrix by a 170 keV implantation, performed at different temperatures, with fluences of 0.5 to 2 x 1017 Si/cm². The annealing temperature was varied between 350 and 900 ℃ in order to form the Si precipitates. PL measurements show the existence of two superimposed bands centered around 760 and 900 nm. The maximum PL yield was obtained at the following conditions: fluence of 1 x 1017 Si/cm², implantation temperature of 200 ℃, annealing temperature of 475 ℃. TEM observations show the formation of amorphous Si nanoclusters and their evolution with the annealing temperature. Concerning rare-earth ions (Tb and Eu) implanted in SiO2, the ions were introduced in the matrix by a 100 keV implantation performed at different temperatures, with a fluence of 3 x 1015 ions/cm². The as-implanted samples already present a strong PL emission, even before the thermal treatments. Also, nanoparticles were formed during the hot implantation process without further annealing, as revealed by TEM measurements. The annealing was performed for 1 h in atmospheres of N2, O2 or Ar, with temperatures that varied between 500 and 800 ℃. PL measurements show that the optimal annealing temperature is 500 ℃ for both types of ions. For Tb, the optimal implantation temperature was 200 ℃, and the annealing atmosphere did not influenced on the final results. For Eu, the implantation temperature did not play a significant influence in the PL after the thermal annealing. However, the annealing atmosphere played a key role. Samples annealed in N2 presented a broad PL band, ranging from 370 up to 840 nm. For samples annealed in O2, a broad PL band in the blue-green region was observed, together with emission lines in the red region of the spectra. Low temperature PL measurements show the influence of the sample temperature on the PL intensity.