Pulsed-laser fabrication of gold plasmonic nanoparticles in thin films for LSPR sensing applications

Abstract

We demonstrate a controlled method for forming plasmonic gold nanoparticles in ZnO thin films using pulsed laser annealing with real-time optical monitoring. Gold nanoparticles with an average radius of 3 nm were initially embedded in sputtered ZnO films on fused silica substrates. Using 532 nm pulses from a Q-switched Nd:YAG laser (20 - 40 mJ, 10 Hz), we induced controlled annealing while simultaneously monitoring transmission spectra via an in-situ broadband spectrometer. After about 10 to 100 laser pulses, depending on the location on the sample’s surface, a plasmonic resonance dip emerged at approximately 550 nm, deepening and broadening with continued exposure. The process stabilized after 300 to 400 shots, producing larger nanoparticles (20 - 200 nm diameter) partially protruding from the ZnO surface. SEM analysis confirmed significant particle coarsening and migration toward the film surface. Numerical simulations were developed to correlate the observed spectral evolution with nanoparticle size and embedding depth, and a complementary temperature model indicated that local heating during laser irradiation can reach values sufficient to promote melting and coalescence. This approach demonstrates effective control over plasmonic nanostructure formation for sensing applications, providing advantages over conventional thermal annealing through spatial selectivity, rapid processing and real-time process monitoring.

Demonstramos um método para formar nanopartículas de ouro plasmónicas, de forma controlada, em filmes finos de ZnO, utilizando recozimento induzido por um laser pulsado, com monitorização ótica em tempo real. Nanopartículas de ouro com um tamanho médio inicial de 6 nm foram inicialmente incorporadas em filmes de ZnO pulverizados em substratos de sílica fundida. Utilizando pulsos com 532 nm de um laser Nd:YAG Q-switched (20 - 40 mJ, 10 Hz), induzimos um recozimento controlado enquanto monitorizávamos simultaneamente os espectros de transmissão com um espectrómetro de banda larga in situ. Após cerca de 10 a 100 pulsos do laser, dependendo da localização na superfície da amostra, surgiu um vale de ressonância plasmónica a aproximadamente 550 nm, aprofundando-se e alargando-se com a exposição contínua. O processo estabilizou após 300 a 400 disparos, produzindo nanopartículas maiores (20 - 200 nm de diâmetro) que se projetavam parcialmente da superfície de ZnO. A análise com MEV confirmou um aumento significativo do tamanho das partículas e a sua migração em direção à superfície do filme. Simulações numéricas foram desenvolvidas para correlacionar a evolução espectral observada com o tamanho das nanopartículas e a profundidade de incorporação, e um modelo de temperatura complementar indicou que o aquecimento local durante a irradiação a laser pode atingir valores suficientes para promover a fusão e a coalescência. Esta abordagem demonstra um controlo eficaz sobre a formação de nanoestruturas plasmónicas para aplicações de deteção, oferecendo vantagens face ao recozimento térmico convencional devido à seletividade espacial, processamento rápido e monitorização do processo em tempo real.