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.

1. NANOCIÊNCIANANOCIÊNCIA
NANOTECNOLOGIANANOTECNOLOGIA
Walkiria EyreWalkiria Eyre
wkeyre@gmail.comwkeyre@gmail.com

2. TÓPICOS
• Conceitos de nanociência e
nanotecnologia
• Início da pesquisa em nanociência
• Resumo em nanoestruturas e
aplicações
• Nanoestruturas magnéticas
Parte 1
Parte 2

3. Nanociência
Física Engenharia
Biologia Química
Processos
básicos da vida
Reações
químicas
Medicina
Física Clássica
Física Quântica
Fabricação de
materias
Aplicações
tecnológicas

4. Nanotecnologia
• Uso da nanociência para criar:
– Materiais inteligentes
– Máquinas (em escala nanométrica)
– Dispositivos (com inúmeros
propósitos e aplicações)

5. Nanoestruturas
• Dimensão de 1 a 100 nm
O que é menor que 1 nanômetro ?
– Átomos sozinhos
– Pequenas moléculas

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

12. Logotipo IBM
átomos de xenônio sobre um
substrato de níquel

13. Imagem por escaneamento (varredura)
do decaimento exponencial da corrente
de tunelamento

14. 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

15. STM

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

18. Continuação...
• As cores são adicionadas levando
em consideração altura,
curvatura, etc...

19. Impurezas/imperfeições no cobre

20. Sódio e iodo em cobre

21. Ferro em cobre

22. “átomo”
Ferro
em
cobre

23. Monóxido
de
carbono
em
platina

24. Processo:

25. Exemplos:

26. Nanoestruturas:
• As nanoestruturas podem ser
subdivididos em algumas classes:
• Nanopartículas
• Nanofilmes
• Nanofios
• Nanotubos

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.

36. • Self-assembled monolayer
Fonte: http://www.mtl.kyoto-u.ac.jp/english/laboratory/nanoscopic/nanoscopic.htm

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.

38. CNT

44. Nanoestruturas
magnéticas

45. Tópicos
Conceitos de magnetismo
Materiais magnéticos
Sistemas nanoestruturados
magnéticos
Filmes finos
Magnetorresistência gigante

46. Spin
• Visão Clássica:
– Movimento de rotação do elétron em
torno de um eixo, ou seja, um
momento angular

47. Momento magnético
SPIN (momento angular)
*carga*
Momento Magnético

48. Momento magnético

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

50. MAGNETIZAÇÃO
0
1
lim i
v
i
M m
v∆ →
=
∆
∑
r r
Alinhamento dos elétrons
devido ao campo

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.

52. 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

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

55. Exemplos de substâncias
diamagnéticas:
• água
• chumbo
• cloreto de
sódio
• quartzo
• enxofre
• diamante
• grafite
• nitrogênio líquido
• Cobre = -9,8 × 10−6

56. Efeitos
interessantes:
Fonte:
http://en.wikipedia.org/wiki/
Diamagnetism

57. Paramagnetismo
• A presença de um campo
magnético externo produz um
torque que tende a alinhar os
momentos magnéticos na mesma
direção do campo.

58. Exemplos de substâncias
paramagnéticas
• sódio
• alumínio = 2,3 × 10−5
• cloreto de cobre
• sulfato de níquel
• oxigênio líquido

59. Ferromagnetismo
• Materiais ferromagnéticos possuem
uma magnetização permanente
– átomos com elétrons não
emparelhados cujos spins são
orientados na mesma direção
Gera regiões chamadas
DOMÍNIOS

60. Exemplos de materiais
ferromagnéticos
• Ferro = 5.500
• Magnetita (Fe3O4)
• Cobalto
• Níquel
• Gadolínio

61. FERROMAGNETISMO
 Domínios magnéticos

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.

68. Ciclo de histerese de
material ferromagnético

69. • Granulares: nanopartículas
magnéticas dispersas em um meio
sólido ou líquido:
– Sólido: sólidos granulares
– Líquido: fluidos magnéticos
Sistemas nanoestruturados
magnéticos:

70. Comportamento magnético
Configuração de mínima energia potencial
Domínios magnéticos com
orientação aleatória
tamanho
temperatura

71. Tamanho crítico
 Dezenas de nanômetros
Orientação aleatória não é
energeticamente favorável
**Magnetização permanente espontânea**
MONODOMÍNIOS

72. Variação na temperatura:
• Nanopartículas magnéticas
pequenos ímãs
Elevação na temperatura
Rotação na direção
da magnetização

73. Então...
 Momento magnético muda
constantemente de direção
 Único vetor (momento
magnético gigante)
Força de origem quântica
superparamagnetismo

74. Filmes finos
• Materiais de pequena espessura
que podem ser feitos com uma ou
mais camadas

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

78. Fotomicrografia referente a filmes finos de
SBN (niobato de estrôncio e bário ).

79. Fonte: http://www.liec.ufscar.br/ceramica/index.html

80. 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

81. • multilayer
Transmission Electron Microscopy
on an Fe/Si multilayer (photo courtesy of EPFL)
Fonte: http://www.gencoa.com/tech/f_multilayer.html

82. Magnetorresistência gigante:
• Descoberto em 1988.
• Estruturas do tipo filmes finos
multicamadas intercalando ferro e
cromo.

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%

85. Aplicações do efeito
de magnetorresistência
gigante:
• Gravação magnética
• Spintrônica

86.  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

87. A
C
A
B
O
U
!