Nanomateriales bajo alta excitación electrónica: efectos morfológicos en sílice amorfa y nanopartículas de plata

Resumen

This thesis investigates, through atomistic simulations and experimental validation, the structural effects induced by energetic irradiation in dielectric and nanostructured materials. Two representative systems are addressed: amorphous silica irradiated with swift heavy ions, and silver nanoparticles embedded in silica matrices subjected to ultrashort laser pulses, both under conditions of high electronic excitation.

For amorphous silica, an atomistic molecular dynamics model is developed incorporating energy transfer via a hot cylinder approach. This model enables the simulation of electronic sputtering under different ion incidence angles and electronic stopping powers. The results faithfully reproduce the total and differential emission observed experimentally and allow the identification of key mechanisms governing surface evolution, such as direct atom ejection, collective atomic displacements, and the formation of craters with characteristic morphologies.

In the case of silver nanoparticles embedded in silica, the study focuses on the formation of internal cavities induced by ultrashort laser pulses, assessing the role of particle size, absorbed energy, and the impact of irradiation from multiple shots. Simulations reveal critical energy thresholds for cavity formation and describe their structural evolution from initial expansion to stabilization during cooling. Furthermore, the morphological changes are correlated with the optical response of the nanoparticles, successfully reproducing the spectral shift of the localized surface plasmon resonances observed in experiments.

The results validate the proposed models and demonstrate the capability of atomistic simulations to accurately describe irradiation-induced structural phenomena across different scales. This work provides a foundation for the analysis, control, and prediction of morphological modifications in functional materials exposed to extreme conditions, as those expected in nuclear applications, with the aim of contributing to the development of new strategies in advanced optics, materials engineering, and applied nanotechnology.

RESUMEN

En esta tesis se investigan, mediante simulaciones atomísticas y validaciones experimentales, los efectos estructurales inducidos por irradiación energética en materiales dieléctricos y nanoestructurados. Se abordan dos sistemas representativos como son la sílice amorfa irradiada con iones pesados rápidos y nanopartículas de plata embebidas en matrices de sílice sometidas a pulsos láser ultracortos, estando ambos sometidos a un régimen de alta excitación electrónica.

Para el caso de la sílice amorfa, se ha desarrollado un modelo atomístico de dinámica molecular que incorpora la transferencia energética mediante un cilindro caliente. Este modelo permite simular el efecto del sputtering electrónico con distintos ángulos de incidencia y poderes de frenado. Los resultados reproducen fielmente la emisión total y diferencial observada experimentalmente y permiten identificar los principales mecanismos que gobiernan la evolución superficial, como la emisión directa de átomos, los desplazamientos atómicos colectivos y la formación de cráteres con estructuras características.

En el estudio de las nanopartículas de plata embebidas en sílice, se analiza la formación de cavidades internas inducidas por pulsos láser ultracortos, se evalúa la influencia del tamaño de la nanopartícula y la energía absorbida, y el impacto que tiene la irradiación producida por múltiples pulsos. Las simulaciones revelan umbrales energéticos críticos para la aparición de cavidades y describen su evolución estructural desde la expansión inicial hasta la estabilización durante el enfriamiento. Asimismo, se correlacionan los cambios morfológicos con la respuesta óptica de las nanopartículas, reproduciendo el desplazamiento espectral de las resonancias localizadas de los plasmones de superficie observado en los experimentos.

Los resultados obtenidos validan los modelos propuestos y demuestran la capacidad de la simulación atomística para describir con detalle fenómenos estructurales inducidos por irradiación en diferentes escalas. Este trabajo ofrece una base para el análisis, control y predicción de modificaciones morfológicas en materiales funcionales expuestos a condiciones extremas, tales como las esperadas en aplicaciones nucleares, con el que se pretende contribuir al desarrollo de nuevas estrategias en campos como la óptica avanzada, la ingeniería de materiales y la nanotecnología.