Síntesis de MoS2 y ataque químico con H2O2: un nuevo método para controlar el espesor y optimizar su actividad SERS para la detección de Rodamina 6G

Mar del Plata

Congreso; XX Congreso de Metalurgia y Materiales SAM-CONAMET; 2022

SAM-CONAMET

La espectroscopía Raman incrementada por superficie, o SERS por sus siglas en inglés, es un área de la espectroscopía Raman que ha destacado debido a su excepcional sensibilidad para la detección e identificación de compuestos químicos y biológicos a través de sus huellas espectroscópicas.Desde la observación de este incremento por primera vez en 1974, la mayoría de las investigaciones se centraron en los nanomateriales plasmónicos de metales como Au y Ag tanto en suspensiones coloidales como en el desarrollo de sustratos nanoestructurados, ya que presentan aumentos excelentes en la respuesta espectroscópica, debido al fuerte campo electromagnético local que deriva de la resonancia del plasmón superficial, conocido como mecanismo electromagnético. Sin embargo, en cuanto al uso de sustratos nanoestructurados de metales nobles para su aplicación en SERS, existen algunas desventajas como el alto costo, baja selectividad, estabilidad y reproducibilidad, como así también la carencia de biocompatibilidad, ya que pueden actuar como catalizadores en reacciones secundarias.En este escenario, los sustratos SERS basados en nanomateriales no plasmónicos, si bien muestran menores amplificaciones en la señal Raman, se presentan como una alternativa muy prometedora para solventar estos problemas. Además, se ha encontrado que los aumentos en la respuesta espectroscópica están fuertemente relacionados con el tamaño del material, la morfología de la muestra, cristalinidad, la orientación de los cristales y con los defectos de superficie, lo que ha abierto la posibilidad de optimizar la activación de los sustratos a partir del diseño de síntesis y a la ingeniería de defectos.Entre los materiales no plasmónicos, el MoS2 se ha convertido en el foco de muchos estudios desde su implementación por primera vez en 2014 para la detección de Rodamina 6G (R6G), debido a su gran estabilidad en medios ácidos y básicos, como así también a la capacidad de modificar sus propiedades a través del número de capas. Al respecto, se encontró que para la detección de R6G, la respuesta Raman es mayor para la monocapa de MoS2, mientras que cae significativamente para el material masivo.No obstante, mediante la activación del sustrato a partir del diseño de síntesis se ha logrado obtener incrementos excelentes cuando se sintetiza MoS2 con sus cristales verticalmente orientados respecto al sustrato. En este contexto, la sulfurización de películas predepositadas de Mo se ha impuesto como un método robusto que permite formar MoS2 con sus capas verticalmente orientadas, con gran uniformidad, reproducibilidad y con control preciso el espesor de MoS2. Cuando los depósitos de Mo son suficientemente gruesos (≳3nm), predomina el crecimiento vertical de los cristales.Por otro lado, en cuanto a la ingeniería de defectos del MoS2 para su aplicación en SERS, se han planteado numerosas estrategias como el tratamiento térmico, tratamiento con plasma de Argón, etc. Por su parte, el H2O2 es conocido por su capacidad oxidante, y en los últimos años se ha demostrado su efectividad para la generación controlada de defectos, la cual depende de su concentración, de la temperatura y del tiempo de inmersión. Sin embargo, su efecto sobre la activación de MoS2 para SERS no se ha investigado.En este trabajo se sintetizaron películas de MoS2 con una alta proporción de cristales verticalmente orientados respecto al sustrato, a partir de la sulfurización a 900° de películas de 10nm Mo sobre un wafer de SiO2/Si. Estas películas se introdujeron en una solución de H2O2 diluido y se estudió su efecto en el tiempo. La variación del espesor en función del tiempo de inmersión se evaluó mediante elipsometría espectroscópica, los cambios morfológicos se siguieron mediante SEM, y la actividad como sustrato SERS se estudió mediante espectroscopía Raman, utilizando Rodamina 6G como sonda Raman. Por último, la composición y el entorno químico de los átomos en las películas de MoS2 se caracterizó mediante XPS.Se encontró que el espesor elipsometrico efectivo de la película de MoS2 disminuye con el tiempo de inmersión, corroborado por Raman, XPS, y SEM. A su vez, de la evaluación como sustrato SERS se obtuvo que a tiempo cero se obtienen incrementos en la respuesta espectroscópica para una concentración baja de 5x10-6 M, y que existe un tiempo de inmersión en el cual la activación del sustrato es máxima para la detección de R6G mientras que a tiempos mayores la actividad Raman decae notablemente.Nuestro trabajo brinda un método simple, económico, y con variables de control preciso, para generar MoS2 verticalmente orientado con una excelente actividad SERS, y abre la puerta a su potencial aplicación en otros dicalcogenuros.