síntesis, caracterización y propiedades de materiales funcionales

Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales

Javier Méndez Pérez-Camarero

Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM)

Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)


I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados

II. Proyecto de InvestigaciónIntroducción: Sexto Programa MarcoObjetivoHerramientasGrupo de Estructura de Sistemas NanoestructuradosColaboracionesFuturas Líneas de Actuación


I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades Mecánicas: Recubrimientos, Cerámicas, Vidrios, Materiales de Construcción

Estado del ArteRecubrimientos

Síntesis Caracterización Propiedades

Con Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados

II. Proyecto de Investigación

• Materiales para el espacio• Fulerenos • Recubrimientos

• Láminas delgadas• Cerámicos (Biomateriales)• Conductores

Materiales prop. MecánicasEstado del arte

Materiales para el espacio, Montero (ICMM)

NanotubosSEM: Recubrimiento de diamante, Albella (ICMM)

Síntesis

Métodos Físicos (PVD) – Deposición por Haz de Iones (IBAD)– Bombardeo (Sputtering)

Métodos Químicos (CVD) – Deposición en Fase Vapor de Baja

Presión (LPCVD)– Deposición en Fase Vapor por

Plasma (PACVD):• RF, microondas

Materiales prop. Mecánicas

Sistema IBAD (ICMM)

Recubrimientos

SEM: recubrimiento de óxido silicio (superficie) (ICMM)

Caracterización

Microestructural: SEM, TEM, AFM

Térmica: conducción térmica, expansión térmica

Mecánica: deformación, impacto, indentación

Análisis de superficies: XPS, fotoemisión, Auger


Recubrimientos

SEM: recubrimiento de óxido silicio (ICMM)

Propiedades

Resistencia mecánica

Resistencia térmica

Resistencia a la corrosión: inertes

Láminas delgadasMulticapas


Recubrimientos

TEM (transversal) Multicapas TiN/AlN (ICMM)


I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades Eléctricas: Baterias, Ferroeléctricos Piezoeléctricos y Piroeléctricos, Superconductores...

Estado del ArtePizoeléctricos


Con Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados


Piezoeléctricos (PZT)- Memorias FRAM- Tecnologías de gran precisión- Sensores

Estado del arte

Cristal ferroeléctrico: el átomo del centro se mueve

Materiales prop. Eléctricas

Nanoposicionado

Síntesis

Piezoeléctricos PZT


Métodos Físicos- Mezcla- Molido - Granulación- Compactado

Métodos Térmicos- Calcinado- Sinterizado

Métodos Químicos:- Sol-gel

Recubrimientos (Electrodos):• Bombardeo • Por Impresión


Caracterización

Mecánicas: resolución, histéresis

Térmica: dependencia con temperatura

Histéresis

Desplazamiento (resolucion <1nm)


Dependencia con la temperatura


Propiedades

Piezoeléctricidad- Temperatura de Curie- Coeficiente de enlongacion- Voltaje de ruptura

Apilamiento de discos piezoeléctricos





I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades Magnéticas: Multicapas ferromagnéticas, polímeros ferromagnéticos, partículas...

Estado del ArteMulticapas


Con Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados


Nanopartículas magnéticas

con usos médicos

Multicapas: válvulas de spin

Memorias monodominio

Materiales prop. MagnéticasEstado del arte

Resonancia magnética del cerebro

Memoria de monodominios

Nanopartículas de óxido de hierro“Spin valve”: multicapas GMR

Epitaxia de haces moleculares (MBE)

– Co/Cu/Co– FeNi/Cu/FeNi– FeNI/Co/Cu/Co/FeNi

– Bombardeo

Materiales prop. MagnéticasSíntesis

Multicapas ferromagnéticas

Multicapas

Ciclo de histéresis

Materiales prop. MagnéticasCaracterizaciónMulticapas

Parkin PRL 71 (93)

Materiales prop. MagnéticasPropiedades

Magnetoresistencia gigante en multicapasAcople ferro o antiferromagnético en función del espesor del separador

Magnetoresistencia gigante

Acople (espesor del separador)

Multicapas

Materiales prop. MagnéticasAplicaciones

Lector de disco magnético

Válvula de spin

• Válvulas de spin, • memorias• lectores

Multicapas

Sensor GMR: Geometría CIP


I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades Optoelectrónicas: Materiales Orgánicos, Semiconductores, Cristales Fotónicos...

Estado del ArteDispositivos Orgánicos


Materiales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados


• Dispositivos orgánicos• displays• TFT (polímeros)

• CCD• Cristales fotónicos

Estado del arteMateriales prop. Optoelectrónicas

CCD

Cristal fotónico (ópalo) de esferas de sílice

Dispositivo basado en una única molécula orgánica

Síntesis

Bombardeo de iones (mascaras) Estampado Interferometría Autoorganización

Materiales prop. Optoelectrónicas

Estampado de un polímero

Bombardeo de iones

Dispositivos Orgánicos

Interferometría

Caracterización Estructural: STM, AFM

Electrónica: diagrama de conducción, teoría

Óptica: elipsometría, IR, Fotoluminiscencia

Simulación teórica: transmisión en benceno, A. Di Carlo Conducción PTCDA sobre S-GaAs, Park (TUC)



Imagen AFM: transistor formado con un nanotubo

Tra

nsm

issi

on C

oeffi

cien

t

Energy [eV]

Propiedades

Alta luminosidad Crecimiento

Autoensamblado Flexibilidad Bajo coste Ecológicos



Display basado en materiales orgánicos

Visión de Futuro: el ordenador orgánicoOLED


I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales Catalíticos: Zeolitas Metales y Aleaciones,...

Estado del ArteZeolitas


BiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados


• Metales y aleaciones• Paladio, Platino• ternarios

• ZeolitasAluminosilicatos hidratados

Materiales Catalíticos

Zeolitas

Materiales híbridos

Estado del arte

• Naturales• Magmas ricos en sílice

• Sol-gel- NaOH- NaAl(OH)4

- Na2(SiO3)

Materiales CatalíticosSíntesis

Síntesis de una zeolita

Zeolitas

gel

zeolita + nutriente

Materiales CatalíticosCaracterizaciónZeolitas

Estructural: SEM, TEM

Composición de los productos de la reacción o filtrado

SEM: Faujasita X

Disminución de residuos al aumentar % zeolita

Materiales CatalíticosPropiedadesZeolitas

Materiales porosos

Catálizadores

Filtros

Absorbentes

Ópticas (colores vivos)

Porcentajes de Aromáticos a partir de metanol

Estrucutra de poros en una zeolita


I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomateriales: Metales y Aleaciones, Recubrimientos Cerámicos...

Estado del ArteBiomateriales


Materiales VerdesMateriales Nanoestructurados


• todo tipo de implantes• biocompatibilidad

Estado del arte

Camino de perfección

Biomateriales

Futuros dispositivos implantados

Síntesis

Recubrimientos• ablación láser• proyección por plasma• oxidación• evaporación

Biomateriales

Biomateriales para implantesEvitar corrosión

Biomateriales

Caracterización

Técnicas electróquímicas Técnicas de fotoemisión y

espectroscopía Auger SEM, AFM, difracción de rayos X Estudio de dureza, tracción mecánica,

desgaste,...

Estudios in vivoBiocompatibilidadRegeneración del tejido

Biomateriales

SEM: implante en el interior de un hueso

Rayos X de una prótesis

Biomateriales

Crecimiento de tejido en torno a un implante

Propiedades

Cerámicas

• Bioinertes• Biactivas• Biodegradables

Biomateriales

Biomaterial para implante

Biocompatibilidad

Aplicaciones

Implantes osteoarticulares

Biomateriales


I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales Verdes

Materiales Nanoestructurados


• química verde• materiales biodegradables• biocompatibilidad

Estado del arteMateriales Verdes

Materiales verdes


I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados: Láminas Delgadas, Puntos Cuánticos, Nanopoartículas...

Estado del ArtePuntos Cuánticos



• Nanopartículas• Puntos cuánticos

Estado del arteMateriales Nanoestructurados

CdSe: Nanocristales semiconductoresAlivisatos, MRS Bull. XX (95)

Ge/Si: Cuantum dot

• Epitaxia de haces moleculares (MBE)• Bombardeo• Litografía

SíntesisMateriales Nanoestructurados

Puntos Cuánticos

MBE: 1 atomic layer materials

Propiedades de crecimiento

GeSi: la tensión superficial induce nanopiramidesTeichert Phys Rep 365 (02)

• Fotoluminiscencia• Capacitancia• AFM, TEM, STM

CaracterizaciónMateriales Nanoestructurados

Puntos Cuánticos

AFM, InAs/GaAsJ.M.García APL 71 (97)

Fotoluminiscencia excitada, AlGaAsWeman

• Estados localizados• Autoorganización 3D• Amplificación de las propiedadesFotoluminiscencia (laser, LED)

PropiedadesMateriales Nanoestructurados

Puntos Cuánticos

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4

1 nm 3 nm 5 nm

Longitud de onda (micras)

1 1.251.15

Fotoluminiscencia a RT, J.M.García APL 71 (97)

GeSi: crecimiento autoorganizado, Teichert Phys Rep 365 (02)Estado localizado: Fe/Cu(111) a 4 K, Eigler


I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades• Con Propiedades Mecánicas• Con Propiedades Eléctricas• Con Propiedades Magnéticas• Con Propiedades Optoelectrónicas• Materiales Catalíticos• Biomateriales• Materiales Verdes• Materiales Nanoestructurados


Líneas de Evolución de los Materiales Funcionales

Multifuncionalidad Multidisciplinariedad


I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades

II. Proyecto de InvestigaciónIntroducción: Sexto Programa MarcoObjetivo: "Crecer y estudiar Materiales Orgánicos Nanoestructurados"EtapasRequisitosFuturas Líneas de Actuación

VI Programa Marco

Fenómenos a escala molecular

Líneas de Investigación

Genomic BioTecnología para la salud

Tecnología de la sociedad de la información

Aeronáutica y Espacio

Seguridad alimentaria y

riesgos

Desarrollo Sostenido

Ciudadanos y Gobernancia

Nanotecnología Materiales

inteligentes N. Procesos

1. Nanotecnología y Nanociencia

2. Materiales Multifuncionales

3. Nuevos Dispositivos

Nuevos Materiales

Instrumentación

Conocimiento básico

Nuevos Procesos

Proyecto de Investigación

Introducción

• Propiedades específicas de las moléculas

• Amplificación de las propiedades por el carácter local (OQD) y por el carácter periódico

• Propiedades nuevas del cristal


Crecer y estudiar “Materiales Nanoestructurados Orgánicos”

Objetivo

¿Cómo conecta con los materiales funcionales?Con Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados

Introducción


H.Brune Surface Science Reports 31 (98)

• Redes de agregados de plata sobre aleación de Ag-Pt(111)

Idea - MotivaciónProyecto de Investigación

Objetivo



II. Proyecto de InvestigaciónIntroducción: Sexto Programa MarcoObjetivo: "Crecer y estudiar Materiales Orgánicos Nanoestructurados"Etapas

FundamentosPosibilidadesIntegraciónAplicaciones

RecursosFuturas Líneas de Actuación

A.1. Superficies reconstruidas

A.2. Reconstrucciones Inducidas

AdsorciónRedes Ordenadas

B. Barreras de Difusión

AdsorciónRedes Ordenadas

C. Superficies Escalonadas

Hilos

1. Reconstrucciones

2. Reconstrucciones inducidas

3. Superficies Escalonadas

4. Materiales Nanoestructurados

5. Propiedades del Material Orgánico

Formar Multicapas de material orgánico Nanoestructurado

Dispositivos orgánicos basados en Materiales orgánicos nanoestructurados

AplicaciónIntegración PosibilidadesFundamentos

Proyecto de InvestigaciónEtapas

A.1 Superficies reconstruidas

Las esquinas de reconstrucción son mínimos locales de la energía, “atrapan” los adátomos o moléculas en difusión

J.Soler

Au (111) (223)

JMéndez

Mínimos en la Energía


Relajación de tensiones (strain-relief)

Fundamentos

A.2 Reconstrucciones Inducidas

2MLAg/Pt(111) InAs/GaAs(111)InAs/GaAs(110)

Belk et al. JVSTA (97)Brune

en Metales en Semiconductores

Dislocaciones y zonas de distinto apilamiento

Proyecto de InvestigaciónFundamentos

Superficies heterogéneas con distintos parámetros de red

Adsorción Redes Ordenadas

Difusión inducida en Au(111)

JMéndez JVSTB 14 (96)

Co/Au(111)

Padovani et al.

Formación de redes de agregados metálicos


Nucleación en las esquinas

B. Barreras de Difusión

0.66 eV 0.62 eV

0.30 eV 0.28 eV

Faulted half Unfaulted half

108K

Pb/Si (111)

J.-L. Li et al. PRL 88(2002) In/Si(111)

Adsorción preferente en una semicelda de la reconstrucción debido a una ligera diferencia energética entre ambas

Oscar Custance

Proyecto de InvestigaciónFundamentos

300K

Adsorción: Redes ordenadas

Tl/Si(111)

J.-L. Li et al. PRL 88(2002)

In/Si(111)

Vitali et al. PRL 83 (99)


Redes metálicas

C. Superficies Escalonadas

Adsorción preferente en los escalones: decoración de los escalones


CaF2/CaF1/Si

Resultado: Hilos

Fundamentos

1. ReconstruccionesProyecto de Investigación

Red Orgánica Ordenada(Cristal Bidimensional Orgánico CBO)

Posibilidades

+ Moléculas

2MLAg/Pt(111)

Brune


2. Reconstrucciones Inducidas

Red Orgánica Ordenada(Cristal Bidimensional Orgánico CBO)

Posibilidades

Chema Gómez-R.

Vicinal Surface

Proyecto de Investigación3. Superficies Escalonadas

Hilos Orgánicos

Posibilidades

Fe/Cu/Pt(111)

Brune JMéndez ASS 142 (99)

Cr-Al2O3(110)


5. Propiedades del material orgánico

• Magnéticas• Ópticas• Químicas• Electrónicas• ...

Posibilidades

Ge/Si


Formar Multicapas de Material Orgánico Nanoestructurado

Teichert, Phys. Rep. 365 (2002)

Integración

• OLED (Organic Light Emission

Devises)

• Sensores

• OQD (Organic Quantum Dots)

GaAs (dopado n+)

GaAs (dopado n+)

Dispositivo OQD

Jorge García

Proyecto de InvestigaciónAplicaciones Dispositivos orgánicos basados en

Materiales orgánicos nanoestructurados


Conocimiento Básico• Dónde se sitúan las moléculas• Síntesis de las moléculas• Propiedades

Requerimientos

Caracterización• Formación de nanoestructuras

Determinación de las Propiedades• Ópticas • Eléctricas


José Ángel Martín Gago Radiación SincrotrónElisa Román Fotoemisión rayos XPedro de Andrés TeoríaFrancisca López Análisis ElectroquímicoJosé Luis Sacedón Análisis de RugosidadJavier Méndez STM, STS

Celia Rogero LEED I/V, STM

Proyecto CiCYT: Sistemas Moleculares Nanoestructurados: estructura, propiedades y su respuesta al campo electromagnético

Recursos: Grupo de Estructura de Sistemas Nanométricos

Equipo Especialidades


• Microscopio de Efecto Túnel (STM)

• Espectroscopía Auger

• Difracción de electrones (LEED)

• Evaporadores (PVD)

Recursos: Herramientas Sistema de Ultra-alto Vacío

Sistema UHV


Dentro del CSIC Dr. Ana Ruiz, Dr. Fernando Agulló (iniciándose) Dr. Jorge García (INMM)

España Dr. Juan José Palacios (Alicante) Prof. Arturo Baró, Prof. Flores, Prof. Soler (UAM)

Internacionales DIODE: Gales, Roma, Paderborn, Madrid... Prof. Joost Wintterlin (Munich) Prof. Horst Niehus (Humboldt)

Recursos: Colaboraciones

Integración en Redes:

• Nacionales• Nanociencia • Nanospain

• Internacionales• Phantoms


Solicitar al VI Programa Marco a través del proyecto DIODE :

Red Marie Curie: “Adsorción de moléculas orgánicas es superficies Nanoestructuradas”

Red de Excelencia: “Silicio Bio-Activo” BIAS

(Sistema Híbridos: biológicos – inorgánicos)

Establecer una Red española de “Electrónica Molecular”

Futuras Líneas de Actuación


Línea de Investigación punteras: Prioritarias dentro del VI Programa Marco Plan Quinquenal del MCyT

Realizables dentro del grupo al que pertenezco

Conclusiones


Javier Méndez Pérez-Camarero

Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM)

Consejo Superior de Invesitgaciones Científicas (CSIC)


Integración en Redes:

• Nacionales• Nanociencia • Nanospain

• Internacionales• Phantoms

• Electroquímica en superficies

• Crecimiento y Caracterización de Aleaciones Bi-dimensionales

• Adsorción e interacción de moléculas orgánicas e inorgánicas sobre superficies

• Siliciuros de tierras raras crecidos epitaxialmente sobre Si

• Sistemas Inteligentes para Simulación y Visualización de Información Científica

http://www.icmm.csic.es/esisna/

Recursos: Grupo de Estructura de Sistemas Nanométricos



II. Proyecto de InvestigaciónIntroducción: Sexto Programa MarcoObjetivo: Crecer y estudiar Materiales Orgánicos NanoestructuradosEtapasRecursos

RequerimientosHerramientasGrupo de Estructura de Sistemas NanoestructuradosColaboraciones

Futuras Líneas de ActuaciónConclusiones

Ir(100)

Gillarowski & Méndez SS 448 (2000)

Kern et al. PRL 67 (91)

O-Cu(110)

Crecimiento preferencial

Cu - Ir(100)

Gillarowski & Méndez SS 448 (2000)

Proyecto de Investigación4. Materiales Nanoestructurados

Materiales Orgánicos Nanoestructurados

Posibilidades

síntesis, caracterización y propiedades de materiales funcionales

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