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