Nanociencia & Nanotecnologia

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Nanociencia & Nanotecnologia

  1. 1. NANOCIÊNCIANANOCIÊNCIA NANOTECNOLOGIANANOTECNOLOGIA Walkiria EyreWalkiria Eyre wkeyre@gmail.comwkeyre@gmail.com
  2. 2. TÓPICOS • Conceitos de nanociência e nanotecnologia • Início da pesquisa em nanociência • Resumo em nanoestruturas e aplicações • Nanoestruturas magnéticas Parte 1 Parte 2
  3. 3. Nanociência Física Engenharia Biologia Química Processos básicos da vida Reações químicas Medicina Física Clássica Física Quântica Fabricação de materias Aplicações tecnológicas
  4. 4. Nanotecnologia • Uso da nanociência para criar: – Materiais inteligentes – Máquinas (em escala nanométrica) – Dispositivos (com inúmeros propósitos e aplicações)
  5. 5. Nanoestruturas • Dimensão de 1 a 100 nm O que é menor que 1 nanômetro ? – Átomos sozinhos – Pequenas moléculas
  6. 6. NANO = 10-9 • Porque esse tamanho é tão especial ? – Nanoestruturas são as menores coisas sólidas que podemos fazer – Aparecimento de efeitos quânticos – Raíz das propriedades fundamentais dos materiais
  7. 7. Nanofabricação • Top-down : chega-se à nanoestrutura por “cortes” sucessivos • Bottom-up : chega-se à nanoestrutura construindo-a átomo a átomo
  8. 8. INÍCIO DA NANOCIÊNCIA • 1959 – Richard Feynman – “there´s plenty of room at the bottom” • Avanços nos instrumentos:  Microscópios de tunelamento  Microscópios de força atômica  Microscópios de campo próximo
  9. 9. • 1981 – Gerd Binning e Heinrich Roher (laboratório IBM em Zurique) • STM – SCANNING TUNNELING MICROSCOPE – MICROSCÓPIO DE VARREDURA POR TUNELAMENTO ELETRÔNICO
  10. 10. Logotipo IBM átomos de xenônio sobre um substrato de níquel
  11. 11. Imagem por escaneamento (varredura) do decaimento exponencial da corrente de tunelamento
  12. 12. Instrumentos: • STM: scanning tunneling microscope • AFM: atomic force microscope – contact AFM – non contact AFM – dynamic contact AFM • MFM: magnetic force microscope • EFM: electrostatic force microscope • SVM: scanning voltage microscope • KPFM: kelvin probe force microscope • SCM: scanning capacitance microscope • FMM: force modulation microscope • SThM: scanning thermal microscope • NSOM: near-field scanning optical microscope • SNOM: scanning near-field optical microscope
  13. 13. STM
  14. 14. Efeito piezoelétrico • O efeito piezoelétrico foi descoberto por Pierre e Jacques Curie em 1880 e consiste na variação das dimensões físicas de certos materiais sujeitos a aplicação de uma voltagem. O contrário também ocorre, ou seja, a aplicação de pressões provoca o aparecimento de correntes. • O quartzo e a turmalina, cristais naturais, são piezoelétricos.
  15. 15. Processo de criação • A agulha varre a superfície de uma distância de alguns diâmetros atômicos • A corrente de tunelamento cai exponencialmente com o aumento da distância
  16. 16. Continuação... • As cores são adicionadas levando em consideração altura, curvatura, etc...
  17. 17. Impurezas/imperfeições no cobre
  18. 18. Sódio e iodo em cobre
  19. 19. Ferro em cobre
  20. 20. “átomo” Ferro em cobre
  21. 21. Monóxido de carbono em platina
  22. 22. Processo:
  23. 23. Exemplos:
  24. 24. Nanoestruturas: • As nanoestruturas podem ser subdivididos em algumas classes: • Nanopartículas • Nanofilmes • Nanofios • Nanotubos
  25. 25. Nanoestruturas e potenciais aplicações: • Na escala atômica: – Poços quânticos (Quantum wells) • Camadas ultra-finas de material semicondutor (o poço) crescidas entre barreiras (grades). As grades aprisionam os elétrons nas camadas ultra-finas • Aparelhos de CD, telecomunicações, ótica
  26. 26. A typical configuration for a quantum well (AlIn)GaN LED on a sapphire substrate. Epitaxial layer thicknesses are exaggerated for clarity and are not to scale. Fonte: http://www.mtmi.vu.lt/pfk/funkc_dariniai/diod/led.htm
  27. 27. – Pontos quânticos (Quantum dots) • Nanopartículas fluorescentes. Dependendo de sua composição, estas partículas podem exibir uma gama de cores • Telecomunicações, ótica – Polímeros • Alguns materiais orgânicos emitem luz sob ação de corrente elétrica • informática
  28. 28. Lead selenide (PbSe) quantum dots like the ones in this image, <10nm in size, emit light in the visible regime (~1 to 3eV). The nanoparticles in this scanning tunneling electron micrograph are similar to those in the colorful photograph of CdSe quantum dot containing material. (Micrograph courtesy of Mick Thomas, Cornell University)
  29. 29. The emission from quantum dots is tuned by changing the particle size. These quantum dot solids, containing CdSe nanocrystals dispersed in a polymer matrix, span the visible spectrum when excited with ultraviolet light. For scale, containers are ~ 1 cm in diameter. Fonte: http://instruct1.cit.cornell.edu/courses/comm494-nano/working_version/3article.htm
  30. 30. • Partículas com menos de 100 nm de tamanho: – Nanocápsulas • Buckminsterfulerenos são os mais conhecidos. Descobertos em 1985, estas partículas tem 1 nm de largura. • Lubrificante nanoparticulado a seco. – Nanopartículas catalíticas • Na faixa de 1-10 nm, estas partículas, quando manipuladas, apresentam uma área superfícial grande, melhorando sua reatividade • Produção de materiais, combustíveis e alimentos
  31. 31. Scanning tunneling microscope (STM) image of a silver surface with adsorbed potassium atoms and two C- 60 buckyballs. Using the STM tip to drag one of the buckyballs around the surface, UC Berkeley researchers were able to pick up single potassium atoms at a time, subtly altering the buckyball's electronic properties with each addition. Credit: Michael Crommie/UC Berkeley. (Image courtesy of Science) Fonte: http://www.nanotech- now.com/ucb-release- 03112004.htm
  32. 32. • Fibras com menos de 100 nm de diâmetro – Nanotubos de carbono • Existem dois tipos: nanotubos de única camada, chamados de 'buckytubes', e nanotubos de múltiplas camadas. Descrito como o material mais importante em nanotecnologia, podem conferir uma resistência 50-100 vezes maior que o aço em um sexto do seu peso. • indústrias espacial e eletrônica, aviação e inúmeras outras áreas
  33. 33. • Filmes com menos de 100 nm de espessura – Monocamadas auto-montadas • Substâncias orgânicas ou inorgânicas que, espontaneamente, formam uma camada da espessura de uma molécula • Uma gama de aplicações baseadas nas propriedades químicas e físicas.
  34. 34. • Self-assembled monolayer Fonte: http://www.mtl.kyoto-u.ac.jp/english/laboratory/nanoscopic/nanoscopic.htm
  35. 35. – Coberturas nanoparticuladas • Camadas de aço inoxidável aplicadas por pós nanocristalinos conferem maior dureza em comparação com aplicações convencionais. • Sensores. Fabricação de cristal líquido. Fios moleculares. Camadas de lubrificação, de proteção e anticorrosivas. Ferramentas de corte mais fortes e duras.
  36. 36. CNT
  37. 37. Nanoestruturas magnéticas
  38. 38. Tópicos Conceitos de magnetismo Materiais magnéticos Sistemas nanoestruturados magnéticos Filmes finos Magnetorresistência gigante
  39. 39. Spin • Visão Clássica: – Movimento de rotação do elétron em torno de um eixo, ou seja, um momento angular
  40. 40. Momento magnético SPIN (momento angular) *carga* Momento Magnético
  41. 41. Momento magnético
  42. 42. Magnetização  É o momento magnético total de uma certa quantidade da substância por unidade de volume  Devido a isso os elétrons tendem a se alinhar quando submetidos a um campo magnético externo
  43. 43. MAGNETIZAÇÃO 0 1 lim i v i M m v∆ → = ∆ ∑ r r Alinhamento dos elétrons devido ao campo
  44. 44. • Na maioria dos átomos o spin total é nulo – Devido à ocupação dos orbitais • Princípio de Linus Pauling • Para alguns elementos o spin total é não nulo – Esses elementos possuem momento magnético permanente • Exemplos: Ferro, Cobalto, Níquel, Manganês, Gadolínio, Európio.
  45. 45. Comportamentos magnéticos Metamagnéticos *Superparamagnéticos**Superparamagnéticos* Vidro de spin Speromagnéticos Helimagnéticos • De acordo com seu comportamento na presença de um campo magnético externo, os materiais magnéticos podem ser classificados em: Diamagnéticos Paramagnéticos Ferromagnéticos Ferrimagnéticos Antiferromagnéticos
  46. 46. Susceptibilidade magnética • Para uma extensa classe de materiais isotrópicos e lineares, temos: • Onde M é a magnetização e H a intensidade magnética. mM Hχ= × r r 1m <<χ
  47. 47. Diamagnetismo • É a Lei de Lenz a nível atômico – As cargas em movimento do material tendem a cancelar o efeito da variação do fluxo magnético (campo externo aplicado) – Susceptibilidade magnética <1
  48. 48. Exemplos de substâncias diamagnéticas: • água • chumbo • cloreto de sódio • quartzo • enxofre • diamante • grafite • nitrogênio líquido • Cobre = -9,8 × 10−6
  49. 49. Efeitos interessantes: Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/ Diamagnetism
  50. 50. Paramagnetismo • A presença de um campo magnético externo produz um torque que tende a alinhar os momentos magnéticos na mesma direção do campo.
  51. 51. Exemplos de substâncias paramagnéticas • sódio • alumínio = 2,3 × 10−5 • cloreto de cobre • sulfato de níquel • oxigênio líquido
  52. 52. Ferromagnetismo • Materiais ferromagnéticos possuem uma magnetização permanente – átomos com elétrons não emparelhados cujos spins são orientados na mesma direção Gera regiões chamadas DOMÍNIOS
  53. 53. Exemplos de materiais ferromagnéticos • Ferro = 5.500 • Magnetita (Fe3O4) • Cobalto • Níquel • Gadolínio
  54. 54. FERROMAGNETISMO  Domínios magnéticos
  55. 55. Domínios Magnéticos Domínios delineados com partículas coloidais de óxido de ferro FOTOMICROGRAFIA (Bell Telephone Laboratories) Fonte: http://www.feiradeciencias.com.br/sala13/13_38.asp
  56. 56. “Estructura de dominios magneticos en laberinto observada mediante microscopia Bitter en una cinta amorfa de base Fe” MICROSCOPIA Fonte: http://www.icmm.csic.es/eng/gallery/gall_omtp.htm
  57. 57. TEMPERATURA CURIE • Materiais ferromagnéticos adquirem comportamento paramagnético – Alinhamento com campo externo Elemento Ponto Curie Ferro 770o C Cobalto 1131o C Níquel 358o C Gadolínio 16o C
  58. 58. Ciclo de histerese • Determina as características de um material magnético. • É o gráfico da magnetização M do material em função do campo magnético externo aplicado H.
  59. 59. Ciclo de histerese • Mostra o quanto um material se magnetiza sob a influência de um campo magnético e o quanto de magnetização permanece nele depois que esse campo é desligado.
  60. 60. Definições: • Coercividade: o valor do campo magnético externo necessário para desmagnetizar um ímã. • Magnetização remanente ou remanência: indica o quanto um material retém de magnetização, depois de ser submetido a um campo magnético externo.
  61. 61. Ciclo de histerese de material ferromagnético
  62. 62. • Granulares: nanopartículas magnéticas dispersas em um meio sólido ou líquido: – Sólido: sólidos granulares – Líquido: fluidos magnéticos Sistemas nanoestruturados magnéticos:
  63. 63. Comportamento magnético Configuração de mínima energia potencial Domínios magnéticos com orientação aleatória tamanho temperatura
  64. 64. Tamanho crítico  Dezenas de nanômetros Orientação aleatória não é energeticamente favorável **Magnetização permanente espontânea** MONODOMÍNIOS
  65. 65. Variação na temperatura: • Nanopartículas magnéticas pequenos ímãs Elevação na temperatura Rotação na direção da magnetização
  66. 66. Então...  Momento magnético muda constantemente de direção  Único vetor (momento magnético gigante) Força de origem quântica superparamagnetismo
  67. 67. Filmes finos • Materiais de pequena espessura que podem ser feitos com uma ou mais camadas
  68. 68. Algumas aplicações: • Dispositivos eletrônicos semicondutores • Dispositivos ópticos Nos filmes finos cerâmicos: • Coberturas contra corrosão Nos filmes ferromagnéticos: • Memórias de computador
  69. 69. Técnicas de fabricação • Sputtering • Chemical vapor deposition • Molecular beam epitaxy • Sol-Gel process • Spin coating • Pulsed laser deposition
  70. 70. • Ni grows in a layer-by-layer fashion on Cu(001) with the first monolayer nearly complete before second-layer growth commences. If the substrate temperature is raised to ~450K interdiffusion occurs. Fonte: http://www.surfaces.lsu.edu/nioncu.html
  71. 71. Fotomicrografia referente a filmes finos de SBN (niobato de estrôncio e bário ).
  72. 72. Fonte: http://www.liec.ufscar.br/ceramica/index.html
  73. 73. Filmes finos e magnetoresistência gigante Filmes finos:  Deposição gradual de átomos em um substrato  Simples e multicamada (multilayers) [ ferro – cobalto – níquel ] [ cromo – cobre – rutênio ] Magnetoresistência gigante
  74. 74. • multilayer Transmission Electron Microscopy on an Fe/Si multilayer (photo courtesy of EPFL) Fonte: http://www.gencoa.com/tech/f_multilayer.html
  75. 75. Magnetorresistência gigante: • Descoberto em 1988. • Estruturas do tipo filmes finos multicamadas intercalando ferro e cromo.
  76. 76. Experimento: • Medição da resistência elétrica do sistema para diferentes campos magnéticos aplicados.
  77. 77. Resultado: • Com as camadas ferromagnéticas com alinhamento contrário – Dispositivo com resistência elétrica alta • Com as camadas ferromagnéticas com alinhamento paralelo – A resistência cai, cerca de 40 a 50%
  78. 78. Aplicações do efeito de magnetorresistência gigante: • Gravação magnética • Spintrônica
  79. 79.  Investimentos Fonte: http://nano.gov/ e http://www.mct.gov.br/ 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 2001 2003 2005 U.S. BRASIL U$milhões
  80. 80. A C A B O U !

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