Este documento discute conceitos de nanociência e nanotecnologia, incluindo: (1) O início da pesquisa em nanociência com instrumentos como microscópios de tunelamento e força atômica; (2) Diferentes tipos de nanoestruturas como nanopartículas, nanofios e nanotubos e suas potenciais aplicações; (3) Conceitos de magnetismo em nanoestruturas magnéticas como filmes finos.
2. TÓPICOS
• Conceitos de nanociência e
nanotecnologia
• Início da pesquisa em nanociência
• Resumo em nanoestruturas e
aplicações
• Nanoestruturas magnéticas
Parte 1
Parte 2
4. Nanotecnologia
• Uso da nanociência para criar:
– Materiais inteligentes
– Máquinas (em escala nanométrica)
– Dispositivos (com inúmeros
propósitos e aplicações)
8. 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
9. Nanofabricação
• Top-down : chega-se à
nanoestrutura por “cortes”
sucessivos
• Bottom-up : chega-se à
nanoestrutura construindo-a
átomo a átomo
10. 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
11. • 1981 – Gerd Binning e Heinrich
Roher (laboratório IBM em Zurique)
• STM
– SCANNING TUNNELING MICROSCOPE
– MICROSCÓPIO DE VARREDURA POR
TUNELAMENTO ELETRÔNICO
16. 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.
17. 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
27. 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
28. 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
29. – 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
30. 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)
31. 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
32. • 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
33. 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
34. • 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
35. • 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.
37. – 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.
49. 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
51. • 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.
53. 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
54. 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
59. Ferromagnetismo
• Materiais ferromagnéticos possuem
uma magnetização permanente
– átomos com elétrons não
emparelhados cujos spins são
orientados na mesma direção
Gera regiões chamadas
DOMÍNIOS
62. 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
63. “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
64. 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
65. 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.
66. 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.
67. 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.
75. Algumas aplicações:
• Dispositivos eletrônicos semicondutores
• Dispositivos ópticos
Nos filmes finos cerâmicos:
• Coberturas contra corrosão
Nos filmes ferromagnéticos:
• Memórias de computador
76. Técnicas de fabricação
• Sputtering
• Chemical vapor deposition
• Molecular beam epitaxy
• Sol-Gel process
• Spin coating
• Pulsed laser deposition
77. • 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
83. Experimento:
• Medição da resistência elétrica do
sistema para diferentes campos
magnéticos aplicados.
84. 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%