Aula 3 Fabricação de Nanomateriais

Transcrição

1 ESZM Nanociência e Nanotecnologia (2-0-2) Prof. Everaldo Carlos Venancio Sala 601-1, Bloco A, Torre 1, Santo André pacatoecv@gmail.com everaldo.venancio@ufabc.edu.br Site do curso: http//sites.google.com/site/nanocienciaufabc Aula 3 02/10/ Aula 3 Fabricação de Nanomateriais (Bottom up) 2 1

2 Fabricação de Nanomateriais De baixo para cima: Inicia-se com átomos ou moléculas; Processos químicos ou físicos (em alguns casos); Sistemas 0-D: nanopartículas; Sistemas 1-D: nanofios; Sistemas 2-D: nanofilmes; Processo 1: independência estrutural e funcional: Arranjo de pontos quânticos em um dispositivo eletrônico; Processo 2: nanomaterial comporta-se como um material macro/micro: Metais macro/micro formados por nanocristalitos; 3 Quatro categorias: 1. Métodos em fase gasosa; 2. Métodos em fase líquida; 3. Métodos em fase sólida; 4. Métodos biológicos; 4 2

3 Métodos em fase gasosa: Uma fase com átomos e moléculas altamente dispersas; Alguns nanomateriais são formados em fase gasosa: aglomerados; Geralmente, precursores em fase gasosa interagem com um material em fase líquida ou sólida; Assim: se um dos precursores está na fase gasosa ou se a reação de formação do nanomaterial ocorre em fase gasosa, o método é de baixo para cima; Deposição química em fase gasosa (CVD); 5 Método Deposição química em fase vapor (CDV) Resumo Envolve a formação de nanomateriais a partir da fase gasosa, geralmente em condições de temperatura elevada, na superfície de um substrato sólido ou catalisador; Nanotubos de carbono são formados por meio de decomposição catalítica de fontes de carbono em fase de gás inerte em temperaturas elevadas; Nanotubos de carbono de parede única são obtidos por CVD na presença de catalisadores de Fe, Co, ou Ni contendo Mo como ativador; o substrato utilizado geralmente é alumina de elevada área superficial em T > 650 o C; metano é utilizado como fonte de carbono. 6 3

4 Método Deposição de camada atômica (ALD) Resumo É um método químico extremamente preciso, que resulta na formação de filmes finos em diferentes superfícies, como condutoras, isolantes e materiais cerâmicos; O filme formado deposita-se em superfícies com diferentes topografias; Os materiais precursores são mantidos em separado quando necessário; o processo resulta em filmes sem falhas e uniformes; Camadas uniformes de Al2O3 são produzidas por meio da utilização de superfícies Si hidroxiladas modificados com Al(CH 3 ) 3 (g); em seguida, os grupos metilas são removidos com a adição de vapor de água (o processo é repetido para o controle da espessura do filme). 7 4

5 Vantagens: Realizados sob condições de controle termodinâmico; Envolvem interações intermoleculares relativamente fracas; Os nanomateriais podem ser fabricados sob condições moderadas de temperatura, pressão e ph; 9 Desafios: Reprodutibilidade em grande escala; Ordenamento de longo alcance; 10 5

6 Métodos em fase líquida (não biológicos): A escolha do solvente é um parâmetro importante; O meio pode ser hidrofílico ou hidrofóbico, iônico ou heterogêneo(transferência dos produtos entre dois meios líquidos imiscíveis); Química supramolecular é realizada em meio líquido; É um método muito utilizado e fundamental para a nanotecnologia: métodos químicos; O aumento de escala de produção é relativamente direto: química engenharia química; 11 Métodos em fase líquido: Auto-organização molecular É um método muito importante; A química está baseada na compreensão dos fenômenos envolvendo interações intermoleculares; O processo de auto-organização não ocorre apenas a níveis moleculares; se uma molécula adequada é adicionada à superfície de uma nanopartícula, estas nanopartículas podem atingir um alto grau de ordenamento (auto-organização); A água adquire um estado de menor energia em fase líquida por meio da formação de ligações de hidrogênio; 12 6

7 Métodos em fase líquido: Auto-organização molecular Estruturas micelares são exemplos de sistemas que apresentam a apacidade de auto-organização; Moléculas anfifílicas: surfactantes são moléculas que apresentam uma cadeia relativamente longa e hidrofóbica e um grupo polar em uma das extremidades da molécula, a qual é hidrofílica; Quando adicionadas em água, estas moléculas apresentam um processo de auto-organização; 14 7

8 15 a = área do grupo polar; l = comprimento da cadeia hidrofóbica; V = volume da cadeia hidrofóbica; 8

9 Química Supramolecular: Reconhecimento molecular, o qual é uma consequência da capacidade das moléculas/estruturas apresentarem interações com outras moléculas/estruturas; Esta interação deve ocorrer de forma altamente específica!!! Está baseada em um conceito do tipo fechadura-chave (lock and key*), o complementar, hóspede-hospedeiro; * Emil Fischer (meados de 1900) 17 Química Supramolecular: Tipos de interações: Interações intermoleculares (fracas): van der Waals, ligações de hidrogênio, interações hidrofóbicas, interações de dipolos; Interações intermoleculares (fortes): ligação covalente, metálica, coordenação; 18 9

10 W. Zhang et al. Science (October 2011) D.M. Bassani. Nature 480, (15 December 2011) W. Zhang et al. Science (October 2011) D.M. Bassani. Nature 480, (15 December 2011) 10

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12 Métodos litográficos: Processos utilizando-se moldes ou produção direta de nanoestruturas; Existem poucos métodos nesta categoria; Nanolitografia: métodos dip-pen ; uma nanosonda é utilizada (geralmente uma sonda de AFM); Neste caso, um menisco de água é formado entre a ponta da sonda de AFM e a superfície de um substrato; Moléculas são transferidas para a superfície do substrato; Resolução < 10 nm; Exemplo: transferência de uma molécula de DNA para uma superfície; 23 Métodos biológicos em fase líquida: Estes processos ocorrem em sistemas biológicos; 24 12

13 25 CVD: Utilizado para a produção de materiais avançados; Melhor método para a produção de nanotubos de carbono: menor consumo de energia e maior controle sobre os produtos; SiO 2, SiC, Si 3 N 4, W e outros materiais são obtidos por meio do uso de CVD; A indústria de semicondutores utiliza CVD para depositar filmes finos sobre silício por meio da decomposição de materiais precursores em fase gasosa; 26 13

14 CVD: CVD químico (chemical CVD) é o método utilizdo para a produção de nanotubos de carbono (T > 1000 o C), de parede única e de paredes mútiplas, e de fibras de carbono (T ~ 400 o C); Decomposição de metano, etano, etileno, propano, propileno, acetileno ou reações desproporcionamento de monóxido de carbono: estes são exemplos de fonte de carbono utilizado em CVD; O processo ocorre na presença e catalisadores: Fe, Ni, Co; T ~ 700 o C; pressão atmosférica: CH 4 (g) SWNT + H 2 (g)

15 CVD - Crescimento por mecanismo Vapor-Líquido-Sólido (VLS) Fundamentos: o processo de crescimento A medida que o processo de precipitação e crescimento ocorrem, ocorrerá uma separação entre a gotícula e o substrato, o que resultará no crescimento do nanofio. 29 S.T. Picraux et al. JOM V.62(4), p.35-43,

16 31 Crescimento por Vapor-Líquido-Sólido - VLS Controle do tamanho dos nanofios: O tamanho da gotícula de catalisador determina o diâmetro do nanofio; O crescimento de nanofios finos é obtido por meio da redução do tamanho da gotícula de líquido; Um dos procedimentos utilizados para reduzir o tamanho da gotícula é por meio do recobrimento de uma camada muito fina de catalisador sobre a superfície do substrato e, em seguida, aquecer o sistema a uma temperatura elevada; 32 16

17 Crescimento por Vapor-Líquido-Sólido - VLS Controle do tamanho dos nanofios Durante o processo de aquecimento, o catalisador reage com o substrato, o que resulta na formação de uma mistura líquida eutética seguido de uma redução da energia livre superficial total; Exemplo: Deposição de uma fina camada de ouro ( nm em espessura) sobre um substrato de silício. O tamanho das gotículas pode ser controlada por meio do controle da espessura da camada de ouro. 33 Crescimento por Vapor-Líquido-Sólido - VLS Controle do tamanho dos nanofios Um outro método utilizado para a redução do diâmetro dos nanofios é por meio do uso de uma dispersão coloidal do catalisador; Uma dispersão coloidal contendo as nanopartículas do catalisador pode ser dispersa na superfície do substrato; Um equilíbrio de solubilidade um estado de supersaturação são obtidos mais facilmente em gotículas maiores. O crescimento de nanofios somente ocorrerá quando a concentração das espécies de crescimento estiver acima da solubilidade de equilíbrio; Nanofios e nanobastões obtidos por meio do uso do método de VLS geralmente apresentam morfologia cilíndrica (sem o crescimento de faces laterais) com um diâmetro uniforme

18 35 Síntese por meio do uso de molde (template synthesis): É um dos métodos mais fáceis de se obter um nanomaterial de baixo para cima; O molde é utilizado para dar forma ao nanomaterial; A máscara utilizada no processo de litografia é um exemplo de molde; Os poros de óxido de alumínio é um exemplo de molde que pode ser utilizado para a obtenção de nanopartículas de ouro; O tamanho das nanopartículas ouro são determinados pelo diâmetro do poro e pelo tempo de eletrodeposição

19 Síntese por meio do uso de molde (template synthesis): O molde: Duro: óxido de alumínio; Mole: estruturas micelares;

20 Bibliografia ROGERS, B.; ADAMS, J.; PENNHATHUR, Sumita. Nanotechnology: Understanding Small Systems. Boca Raton, Florida: CRC Press, CAO, G. Nanostructures & Nanomaterials. Synthesis, Properties & Aplications, Imperial College Press HAMLEY, I.W. Introduction to Soft Matter. Wiley,