materiais nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos fernando lázaro freire jr....
TRANSCRIPT
![Page 1: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/1.jpg)
Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos
Fernando Lázaro Freire Jr.Departamento de Física, PUC-Rio
![Page 2: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/2.jpg)
Ciência dos Materiais
Prof. Marcelo E. H. Maia da CostaDra. Marta DottoEstudantes de doutorado: Renato, Dunieskys e PillarEstudantes de IC: Fernando Henrique e Jorge
Laboratório de Revestimentos Protetores e Materiais Nanoestruturados
![Page 3: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/3.jpg)
Nanociência e Nanotecnologia:
- Top-Down
Miniaturização
- Bottom-up
Desenvolvimento de técnicas de análise e manipulação em escala atômica:
- microscopia eletrônica de alta resolução- diferentes microscopias de varredura por sonda: STM, AFM, MFM, LFM, SNOM....
![Page 4: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/4.jpg)
“Os princípios da física, assim como eu os vejo, não falam contra a possibilidade de se fabricar objetos
manipulando átomo a átomo. Isso não viola nenhuma lei. É uma coisa que, a princípio, pode ser feita; mas, na
prática, ainda não foi realizado por sermos muito grandes.”
Richard Feynman, 1959
“There´s Plenty of Room at the Bottom”
Eng. Sci. 23 (1960) 22
![Page 5: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/5.jpg)
National Nanotechnology Initiative (1999)
![Page 6: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/6.jpg)
Lei de Moore
Top-down: miniaturização
![Page 7: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/7.jpg)
Top-down: miniaturização
![Page 8: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/8.jpg)
![Page 9: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/9.jpg)
Lei de Moore
High-K dielectrics
Óxido de Silício substituído por Óxido de Háfnio
![Page 10: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/10.jpg)
Manipulação atômica
Surface state electrons on Cu(111) were confined to closed structures
defined by barriers built from Fe adatoms. The barriers were assembled
by individually positioning Fe adatoms using the tip of a low temperature scanning tunneling microscope (STM).A circular
corral of radius 7.1 nm was constructed in this way out of 48 Fe adatoms.
![Page 11: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/11.jpg)
Cluster sp2
Filmes de carbono amorfo: clusters de carbono sp2 interligados por
átomos de carbono sp3, nanoporos e hidrogênio
![Page 12: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/12.jpg)
Indústria Aerospacial
Painéis solares: solda fria (Rede de Pesquisa emRevestimentos Nanoestruturados, INPE)
![Page 13: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/13.jpg)
Petroleum: complex
mixture of paraffins, aromatics, naftenes,
resins, asfaltenes,
etc...T = 50–70 oC
Temperatura Ambiente
![Page 14: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/14.jpg)
Formação de depósitos de parafina
Redução do fluxo, bloqueio de dutos, interrupção da
produção
![Page 15: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/15.jpg)
T = 4 oC
![Page 16: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/16.jpg)
Mechanismos de transporte e deposição da parafina:
- Difusão Molecular
- Movimento Brownian
- Gravidade
Parametros Importantes:
-Temperatura
- Pressão
- Fluxo
- Fluído multifásico
![Page 17: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/17.jpg)
M.E.R. Dotto et al, Surface and Coating Technology, 200 (2006) 6479
a-C:H, rf-PECVD, CH4Coating
Substrate
![Page 18: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/18.jpg)
0
15
30
45
60
75
90
0
15
30
45
60
75
90
Contact angle Polar component
Disersive Component
Su
rfac
e en
erg
y (m
N)
a-C:F/SiDLC/SSa-C:H/SiSSSi
Co
nta
ct a
ng
le (
deg
ree)
Coating
Substrate
![Page 19: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/19.jpg)
XPS
F = 35 at.%
F = 10 at.%
![Page 20: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/20.jpg)
0 10 20 30 40
70
80
90
100
C
on
tac
t a
ng
le (
de
gre
e)
F content (at.%)
0 10 20 30 40
0.5
1.0
1.5
Ro
ug
hn
es
s R
MS
(n
m)
F Content (at.%)
Ângulo de contato e rugosidade
![Page 21: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/21.jpg)
0 10 20 30 400
4
8
12
Har
dn
ess
(GP
a)
F Content (at.%)
Dureza
L.G. Jacobsohn et al., Diamond and Related Materials, 12 (2003) 2037
![Page 22: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/22.jpg)
Amostra: DLC depositado por rf-PECVD usando acetileno: P= 3 Pa ; Vb = -350V H = 20 GPa
= 1.4 x 1023 at/cm3
Condições do tratamento por plasma
Atmosfera: CF4 a 3 PaTensão de auto-olarização: -100V -600V
Tempo: 5 minutos a 3 horas
M.E.H. Maia da Costa et al, Diamond and Related Materials (submitted)
![Page 23: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/23.jpg)
400 600 800 10000
350
700
Co
un
ts (
arb
itra
ry u
nits
)
Energy (eV)
Tempo (min) 40 20 10 0
126.35°
Detector
He+
2.0 keV
126.35°
C
O
F
LEIS Spectra obtained from samples treated at -350V
![Page 24: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/24.jpg)
0 10 20
0
1
2
3
4
5
6
60
80
100
120
1400 10 20
Ro
ug
hn
es
s R
MS
(n
m)
Time (minutes)
Co
nta
ct A
ng
le (
deg
rees
)
-350V
Contact angle and roughness obtained from samples treated at -350V
![Page 25: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/25.jpg)
Filmes de carbono-fluor
Filmes DLC tratados por plasma de CF4
Revestimentos Hidrofóbicos
![Page 26: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/26.jpg)
Imagem obtida por STM
Nanotubo de carbono
![Page 27: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/27.jpg)
Carbono amorfo
A. Oberlin, M. Endo, T. Koyama, J. Cryst. Growth 32 (1976) 335
Fibras de carbono produzidas por pirólise de benzeno e ferroceno a 1000o C.
![Page 28: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/28.jpg)
1985: Descoberta dos fullerenos; H.W. Kroto, J.R. Heath, S. C. O. Brein, R.E. Smaley, Nature 318 (1985) 162.
Parede simples Single wall
(SWNT)
Paredes múltiplas (MWNT)
1991: Observação dos nanotubos de carbono multi-wall por S. Ijima,
Nature 354 (1991) 56.
![Page 29: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/29.jpg)
Propriedades elétricas
Imagem de nanotubo semicondutor isolado em uma superfície de Au, condutância,e gap de energia em função do diâmetro do tubo.
![Page 30: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/30.jpg)
Desafio:
Produzir nanotubos de modo controlado:
- diâmetro.
- semicondutores ou metálicos.
- dopagem (tipo n com N e tipo p com B).
![Page 32: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/32.jpg)
Antes do centro do forno
No centro Depois do centro
Tolueno e ferroceno
![Page 33: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/33.jpg)
Nanotubos de parede múltipla
TEM HRTEM
Precursores: ferroceno e tolueno (C7H8)Temperatura: 800oC
![Page 34: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/34.jpg)
Fe
![Page 35: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/35.jpg)
Espectro Raman de um MWNT depositado por spray-pirólise a partir do touleno e obtido no Raman-AFM da NT-MDT
G
D
![Page 36: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/36.jpg)
Nanotubos CN –paredes múltiplas
TEM HRTEM
Precursores: ferroceno e benzilamina (C7H9N)Temperatura: 850oC
![Page 37: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/37.jpg)
Ni(NO3)2 (s)
NiO
Decoração com nanopartículas metálicas:1) dissociação de Ni(NO3)2 na presença de MWNT para a sintese de nanopartículas de NiO.
+ H2O
NO2+O2Ni(NO3)2
(solution)NiO
2Ni(NO3)2 (s) 2 NiO(s) + 4 NO2(g) + O2(g)
+
Nanotubos+
Nanotubos + Nanotubos
Nanotubos
![Page 38: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/38.jpg)
2) Arranjo para redução de óxidos:
Forno 500oC
T
Atmosfera redutora:Hidrogênio: 99,9%Hidrogênio 5% + Argonio 95%
OHNiHNiO 22(g)
![Page 39: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/39.jpg)
ONiC20nm BF ADF
STEM, medidas feitas no Arizona
![Page 40: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/40.jpg)
Ni
CNx10 nm
HREM
Imagem obtida em um TEM JEOL 4000EX operando a 400kV.
![Page 41: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/41.jpg)
MWNT CNx nanotubos
P. Ayala et al: Chem. Phys. Lett. 431 (2006) 104
![Page 42: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/42.jpg)
5000nm1000nm
MEV dos pellets de Ni + CNT
5m
Pastilhas MWNT-Níquel
1 m
![Page 43: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/43.jpg)
Análise por TEM de MWNT usando acetonitrila como precursor à temperatura
de 850º C
![Page 44: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/44.jpg)
Análise por XPS de MWNT usando tolueno e acetonitrila como precursores à temperatura de 850º C
10% acetonitrila 100% acetonitrila
![Page 45: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/45.jpg)
0 20 40 60 80 100
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
900o C
N sp
2 (a
t.%
)
% acetonitrila
Análise por XPS de MWNT usando tolueno e acetonitrila como precursores
100% acetonitrila
![Page 46: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/46.jpg)
-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40 ______ MWCNTs_2.3 wt % e 1 wt % de Co
______ MWCNTs_2.3wt% e 0.5 wt % de Co
______ MWCNTs_2.3 wt %
Ma
gn
etiz
açã
o (
Am
2 /Kg
)
Campo Aplicado (T)
Nanotubos funcionalizados com Cobalto
![Page 47: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/47.jpg)
![Page 48: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/48.jpg)
10 20 30 40 50 60
MWCNT-Co 0.3 wt %
2 (deg)
CoO
MWCNT-Co 0.5 wt %
Inte
nsity
(ar
bitr
ary
units
Co
Co3O
4
MWCNT-Co 1.0 wt %
MWNT
![Page 49: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/49.jpg)
TEM measurements
MWNT MWNT com partículas de Co
![Page 50: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/50.jpg)
MWCNT-Co 0.5 wt %
damage
![Page 51: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/51.jpg)
Perspectivas na PUC-Rio
Com a chegada do FEG-SEM teremos uma boa infra-estrutura para trabalhar com materiais nanoestruturados: XPS-LEIS-Auger, AFM, STM, AFM-Raman, nanoindentador, preparação de amostras.
- Revestimentos superhidrofóbicos.
- dopagem de nanotubos (sensores ?).
- Funcionalização com nanopartículas metálicas.
![Page 52: Materiais Nanoestruturados à base de carbono: filmes finos e nanotubos Fernando Lázaro Freire Jr. Departamento de Física, PUC-Rio](https://reader038.vdocuments.net/reader038/viewer/2022102900/552fc140497959413d8dea48/html5/thumbnails/52.jpg)
Obrigado