Física dos Nanomateriais
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Física dos Nanomateriais
Física dos Nanomateriais Imagens nanoscópicas Marcos A. Pimenta Departamento de Física, UFMG Formiga: 10.000.000 nm Ácaro: 200.000 nm Nano anão Fio de cabelo: 50.000 nm Nano 1 bilionésimo 1 nm = 10-9 m Glóbulo Vermelho 2.000 nm Luz visível: 700-400 nm 1 ns = 10-9 s DNA 2-12 nm Átomos de Si 0,2 nm 1959: Richard Feynman postula que um dia seria possível manipular a matéria na escala atômica. •11981: Binnig e Rohrer: desenvolvimento do microscópio de varredura e primeira observação de átomos individuais A) Sonda Esquema Geral de um SPM: . B) “Scanner” C) Detetor da Interação Sonda-Amostra D) Computador E C A E) Mecanismo de Aproximação F B D F) Amostra 1989: Escrita da palavra “IBM” com 35 átomos de xenônio Curral Quântico: A natureza ondulatória dos elétrons se torna visível em um microscópio de tunelamento. Os elétrons estão confinados em um anel de 48 átomos de ferro em uma superfície de cobre. M. Crommie et al. 1993 Física dos nanomateriais Alteração das propriedades dos materiais com a diminuição de seu tamanho (ópticas, elétricas, mecânicas, magnéticas, térmicas, físico-químicas, etc.) • Confinamento quântico • Aumento da área específica (Área/Volume) Confinamento quântico Aumento da área específica Cubo com 1021 átomos (107 átomos por lado) 0.00006 % dos átomos estão na superfície Cubo com 1.000 átomos (10 átomos em cada lado) 488 (quase metade) dos átomos estão na superfície • Alterações nas estruturas cristalina e eletrônica. • Modificação das propriedades físicas (magnéticas, ópticas, eletrônicas, mecânicas, térmicas). • Aumento da interação do material com a vizinhança. Confinamento de eletrons em pontos quânticos: a côr depende do tamanho das partículas semicondutoras A cor das nanopartículas de ouro Dispersão de partículas de ouro de diferentes tamanhos 18 nm 250nm Ressonância de plasmon de superfície Alteração das propriedades eletrônicas com o tamanho Bismuto • • Semimetal A banda de condução (electron L) superpõe com a banda de valência ( buraco T) de 38 meV Nanofio de Bismuto Transição Semimetal-semicondutor para diâmetro do fio de aprox. 50 nm Semiconductor Semimetal Diminuindo o diâmetro dos fios Transição metal-isolante em função do tamanho Ferroluidos: suspensão coloidal de partículas ferromagnéticas em um líquido carreador Superparamagnetismo Material composto de nanopartículas ferromagnéticas (1-10 nm). Mesmo em temperatures abaixo de TC, a energia térmica é suficiente para mudar a direção da magnetização do nanocristal. As flutuações na direção da magnetização fazem com que a partícula de dimensões nanométricas deixe de ser ferromagnética Carbono sp3 sp2 sp sp3 sp2 Materiais de carbono Diamante Grafite O grafite é o material mais rígido e o diamante é o mais duro O diamante e o grafite apresentam o mais alto ponto de fusão. O diamante e o grafite têm a maior condutividade térmica. O diamante é isolante e o grafite é condutor de eletricidade Fullerenos 1985 – Kroto, Smalley, Curl • Moléculas orgânicas e agregados de carbono formados na atmosfera externa de uma gigante vermelha. • Interpretação do espectro do meio interestelar síntese em laboratório vaporização do grafite por laser intenso Fullerenos: bolas de átomos de carbono Nanotubos de carbono 1991 – S. Iijima • • Diâmetro = 0.4-10nm, Comprimento =100nm-1mm Nanotubos de Carbono Folha de grafite enrolada na forma de um cilindro com diâmetro médio de 1nm. Os nanotubos podem ser metálicos ou semicondutores dependendo unicamente de como a folha de grafite é enrolada. Imagem de microscopia de varredura de um nanotubo de carbono sobre uma superfície de silício Lei de Moore Nanotubo de carbono apoiado sobre duas barras de ouro, depositadas sobre uma superfície de silício Transistor feito de nanotubos de carbono Tans et al., Nature, 7 May 1998 Diodo feito de nanotubos de carbono Z. Yao et al., Nature 402, 273 (1999) Propriedades mecânicas de Nanotubos de Carbono Cerâmicas resistentes: compósitos de alumina com nanotubos de carbono Aço Nanotubo E(GPa) 201-216 4000 T(GPa) 0.7-2.3 10-70 (g/cm3) 7.86 1.36 Mistura de nanotubos com fibras de tecidos Emissores de elétrons para monitores Supercapacitor polímeros-nanotubos Glaura G. Silva e colaboradores (DQ-UFMG) Sensores de gases: CO2 e acetona Capacitor interdigital NTC vácuo / acetona 8000 6000 Dispositivos fotovoltaicos 4000 2000 0 -2000 0 5000 1 10 4 1.5 10 4 Re Z R. G. Lacerda, J.M. Figueiredo, L.O. Ladeira, A. Ferlauto (DF-UFMG) Aldo G. Zarbin e colaboradores (DQ-UFPR) 2 10 4 AFM Å Pontas de microscópio de varredura de nanotubos 500 nm PROBES 2D-FT 500nm 500nm 500nm M.A.Cotta UNICAMP D.Ugarte LNLS Laboratório de espectroscopia Raman Ressonante (DF-UFMG) -Triple monochromator DILOR XY coupled to an optical microscope -Ar-Kr laser -Tunable laser systems (Dyeand Ti:Sapphire) pumped by an 9 W Ar laser O Espalhamento Raman ki , i k S , S Espalhamento inelástico de luz s i Freqüência Absoluta Freqüência Relativa Espalhamento Raman ressonante fônon Hep elétron 0 Her elétron a b Her 0 fóton espalhado fóton incidente buraco 1 – Absorção de um fóton incidente e criação de um par elétron-buraco (interação elétron-radiação Her) a 2 – Espalhamento do eletron e emissão de um fônon (interação elétron-fônon Hep) b 3 – Recombinação do par elétron-buraco e emissão de um fóton espalhado (interação elétron-radiação Her) 0 Intensidade Raman probabilidade de transição por unidade de tempo ni , nS ; nq ; e Estado quântico do sistema fótons i ni , 0; nq ;0 A ni 1, 0; nq ; a fônon elétron B ni 1, 0; nq 1; b S ni 1,1; nq 1;0 Teoria da perturbação de terceira ordem dependente do tempo I C A, B S H er B B H ep A A H er i 2 (i Ea i )(i q Eb i ) fóton incidente fóton espalhado No caso de um contínuo de estados iniciais e intermediários I ( Ei ) C M er M ep M er ( Ei E i e )( Ei E phonon E i e ) 2 g ( E )dE g(E) é densidade de estados eletrônicos conectados pela transição Espectro Raman de nanotubos de carbono Modo de respiração radial (RBM) Modos intermediários Banda tangencial G (modo do grafite) Banda da desordem Espalhamento Raman ressonante em uma amostra contendo nanotubos de diferentes tipos (n,m) dispersos na água Amostra HiPco-SWNT disperso em SDS E11 anti-Stokes S E22 2,6 S Raman Intensity E33 (b) Metallic SDS wrapped Stokes Eii Eii Semiconducting Bundle Metallic Bundle Eii 2,4 Eii 2,2 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 1,9 2,0 ELaser (eV) 2,0 350 325 1,8 1,6 150 200 RBM (cm ) -1 Observação de diferentes nanotubos entrando e saindo de ressonância -1 300 250 350 RBM (cm ) ELaser (eV) (a) Semiconducting SDS wrapped M 2,1 2,2 2,3 2,4 ELaser (eV) RBM = 223/dt + 14 300 275 250 225 200 175 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 -1 1/dt (nm ) 1,3 1,4 1,5 A lampada não foi descoberta a partir da tentativa de melhorar o desempenho da vela. Iluminação por LEDS Luminous Efficiency (LUMENS/WATT) 100 Fluorescente A performance do LED tem crescido enormemente nos últimos anos 10 AlInGaP/GaP RED - ORANGE - YELLOW GaAsP:N RED - ORANGE - YELLOW GaP:N GREEN Incandescente GREEN AlGaAs/AlGaAs RED GaAsP RED Halogenia AlInGaP/GaAs RED - ORANGE - YELLOW AlGaAs/GaAs RED 1 white LED BLUE Luz vermelha de semáforo InGaN GaP:Zn,O RED GaAs 0.6 P 0.4 RED 0.1 1960 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 VERMELHO: A eficiência cresceu 10 x e o custo diminuiu 10 x por década. AZUL: um novo LED, baseado em GaN, permitindo a emissão de luz branca. Nanotecnologias aumentando a eficiencia da emissao de luz AFM Image courtesy of Lumileds & Sandia Nanocrystalline Quantum Dots as Phosphor Alternatives Photonic Crystal LEDs Patterning of LEDs with 2D photonic lattices could suppress the in-plane photonic density of states, forcing all emission to be normal to the surface to eliminate trapping of light due to total internal reflection, which wastes 50% or more of the light emitted in conventional LED device structures. Schematic illustration of a hybrid quantum dot - quantum well structure in which the InGaN/GaN quantum well is coupled to the CdSe quantum dots via dipole-dipole energy transfer. The lower panel shows the photoluminesence spectra of the quantum well (blue) and the dots (orange) compared to the absorption spectra of the quantum dots (green line). Nanoscale dimensions of the quantum dots allows for an efficiency of more than 50% and tunable output wavelength. (J. Weirer et al., APL 84, 3885, (2004)) (M. Achermann et al., Nature 429, 642, (2004)) Nanociências e Nanotecnologia • Estudo de novas propriedades de materiais na escala nanoscópica (propriedades elétricas, magnéticas, óticas, mecânicas, etc.) • Desenvolvimento e construção de dispositivos na escala nanoscópica (miniaturização) • Dispositivos que funcionam com baixo custo de energia, mais rápidos e mais eficientes. • Novos dispositivos que façam uso das propriedades que ocorrem na escala nanométrica. Síntese e fabricação de nanomateriais Métodos “de cima para baixo” “Escultura” de nanoestruturas a partir de um material macroscópico (nanolitografias) Métodos “de baixo para cima” Pilares nanométricos de silício Construção de nanoestruturas a partir de átomos e moléculas individuais. Em algumas situações, os átomos se organizam espontaneamente (auto-organização). Átomos de germânio sobre silício Litografias ópticas Nanolitografia: a construção de nanoestruturas Litografia por feixe eletrônico Exposição ao feixe eletrônico PMMA METAIS DEPOSITADOS 1 amostra Substrato PMMA 2 PMMA 4 amostra amostra METAIS DEPOSITADOS 3 amostra EVAPORAÇÃO DE METAIS 5 amostra Resultado após mergulhar em um Solvente: acetona Epitaxia de feixe molecular Pontos quânticos semicondutores auto-organizados Ilhas de Ge sobre Si
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