Transcript 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)
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
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 II.
Proyecto de Investigación Introducción: Sexto Programa Marco Objetivo Herramientas Grupo de Estructura de Sistemas Nanoestructurados Colaboraciones Futuras Líneas de Actuación
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I.
Clasificación de los materiales en función de sus propiedades Con Propiedades Mecánicas:
Recubrimientos , Cerámicas, Vidrios, Materiales de Construcción
Estado del Arte Recubrimientos
Síntesis
Caracterización
Propiedades Con Propiedades Eléctricas Con Propiedades Magnéticas Con Propiedades Optoelectrónicas Materiales Catalíticos Biomateriales Materiales Verdes Materiales Nanoestructurados II.
Proyecto de Investigación
Materiales prop. Mecánicas • Materiales para el espacio • Fulerenos • Recubrimientos • Láminas delgadas • Cerámicos (Biomateriales) • Conductores
Estado del arte
Materiales para el espacio, Montero (ICMM) Nanotubos SEM: Recubrimiento de diamante, Albella (ICMM)
Materiales prop. Mecánicas
Recubrimientos
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
Sistema IBAD (ICMM) SEM: recubrimiento de óxido silicio (superficie) (ICMM)
Materiales prop. Mecánicas
Recubrimientos
Caracterización
Microestructural: SEM, TEM, AFM Térmica: conducción térmica, expansión térmica Mecánica: deformación, impacto, indentación Análisis de superficies: XPS, fotoemisión, Auger
SEM: recubrimiento de óxido silicio (ICMM)
Materiales prop. Mecánicas
Recubrimientos
Resistencia mecánica Resistencia térmica Resistencia a la corrosión: inertes
Propiedades
Láminas delgadas Multicapas
TEM (transversal) Multicapas TiN/AlN (ICMM)
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I.
Clasificación de los materiales en función de sus propiedades Con Propiedades Mecánicas Con Propiedades Eléctricas:
Baterias, Ferroeléctricos Piezoeléctricos y Piroeléctricos, Superconductores...
Estado del Arte Pizoeléctricos
Síntesis
Caracterización
Propiedades Con Propiedades Magnéticas Con Propiedades Optoelectrónicas Materiales Catalíticos Biomateriales Materiales Verdes Materiales Nanoestructurados II.
Proyecto de Investigación
Materiales prop. Eléctricas Piezoeléctricos (PZT) - Memorias FRAM Tecnologías de gran precisión - Sensores
Estado del arte
Nanoposicionado Cristal ferroeléctrico: el átomo del centro se mueve
Materiales prop. Eléctricas
Piezoeléctricos PZT
Métodos Físicos - Mezcla - Molido Granulación - Compactado Métodos Térmicos - Calcinado - Sinterizado Métodos Químicos: - Sol-gel
Síntesis
Piezoeléctricos PZT
Recubrimientos (Electrodos): • Bombardeo • Por Impresión
Materiales prop. Eléctricas
Piezoeléctricos PZT
Caracterización
Mecánicas: resolución, histéresis Térmica: dependencia con temperatura
Desplazamiento (resolucion <1nm) Dependencia con la temperatura Histéresis
Materiales prop. Eléctricas
Piezoeléctricos PZT
Piezoeléctricidad - Temperatura de Curie - Coeficiente de enlongacion - Voltaje de ruptura
Propiedades
Apilamiento de discos piezoeléctricos Piezoeléctricos PZT
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I.
Clasificación de los materiales en función de sus propiedades Con Propiedades Mecánicas Con Propiedades Eléctricas Con Propiedades Magnéticas:
Multicapas ferromagnéticas, polímeros ferromagnéticos, partículas...
Estado del Arte Multicapas
Síntesis
Caracterización
Propiedades II.
Con Propiedades Optoelectrónicas Materiales Catalíticos Biomateriales Materiales Verdes Materiales Nanoestructurados Proyecto de Investigación
Materiales prop. Magnéticas Nanopartículas magnéticas con usos médicos Multicapas: válvulas de spin Memorias monodominio
Estado del arte
Resonancia magnética del cerebro Memoria de monodominios “Spin valve”: multicapas
GMR Nanopartículas de óxido de hierro
Materiales prop. Magnéticas
Multicapas
Epitaxia de haces moleculares (MBE) – Co/Cu/Co – FeNi/Cu/FeNi – FeNI/Co/Cu/Co/FeNi – Bombardeo
Síntesis
Multicapas ferromagnéticas
Materiales prop. Magnéticas
Multicapas
Ciclo de histéresis
Caracterización
Parkin PRL 71 (93)
Materiales prop. Magnéticas
Multicapas
Magnetoresistencia gigante Acople (espesor del separador)
Propiedades
Acople ferro o antiferromagnético en función del espesor del separador Magnetoresistencia gigante en multicapas
Materiales prop. Magnéticas
Multicapas
• Válvulas de spin, • memorias • lectores
Sensor GMR: Geometría
CIP
Aplicaciones
Lector de disco magnético Válvula de spin
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I.
Clasificación de los materiales en función de sus propiedades Con Propiedades Mecánicas Con Propiedades Eléctricas Con Propiedades Magnéticas Con Propiedades Optoelectrónicas:
Materiales Orgánicos, Semiconductores, Cristales Fotónicos...
Estado del Arte Dispositivos Orgánicos
Síntesis
Caracterización
Propiedades II.
Materiales Catalíticos Biomateriales Materiales Verdes Materiales Nanoestructurados Proyecto de Investigación
Materiales prop. Optoelectrónicas
Estado del arte
• Dispositivos orgánicos • displays • TFT (polímeros) • CCD • Cristales fotónicos
Dispositivo basado en una única molécula orgánica CCD Cristal fotónico (ópalo) de esferas de sílice
Materiales prop. Optoelectrónicas
Dispositivos Orgánicos
Bombardeo de iones (mascaras) Estampado Interferometría Autoorganización
Síntesis
Bombardeo de iones Interferometría Estampado de un polímero
Materiales prop. Optoelectrónicas
Dispositivos Orgánicos
Caracterización
Estructural: STM, AFM Electrónica: diagrama de conducción, teoría Óptica: elipsometría, IR, Fotoluminiscencia
Imagen AFM: transistor formado con un nanotubo Conducción PTCDA sobre S-GaAs, Park (TUC)
Energy [eV]
Simulación teórica: transmisión en benceno, A. Di Carlo
Materiales prop. Optoelectrónicas
Dispositivos Orgánicos
Alta luminosidad Crecimiento Autoensamblado Flexibilidad Bajo coste Ecológicos
Propiedades
Display basado en materiales orgánicos OLED Visión de Futuro: el ordenador orgánico
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I.
Clasificación de los materiales en función de sus propiedades Con Propiedades Mecánicas Con Propiedades Eléctricas Con Propiedades Magnéticas Con Propiedades Optoelectrónicas Materiales Catalíticos:
Zeolitas Metales y Aleaciones,...
Estado del Arte Zeolitas
Síntesis
Caracterización
Propiedades Biomateriales Materiales Verdes Materiales Nanoestructurados II.
Proyecto de Investigación
Materiales Catalíticos
• Metales y aleaciones
• Paladio, Platino • ternarios
• Zeolitas
Aluminosilicatos hidratados
Estado del arte
Zeolitas Materiales híbridos
Materiales Catalíticos
Zeolitas
• Naturales • Magmas ricos en sílice • Sol-gel - NaOH - NaAl(OH) 4 - Na 2 (SiO 3 ) gel zeolita + nutriente
Síntesis
Síntesis de una zeolita
Materiales Catalíticos
Zeolitas
Estructural: SEM, TEM Composición de los productos de la reacción o filtrado
Caracterización
SEM: Faujasita X Disminución de residuos al aumentar % zeolita
Materiales Catalíticos
Zeolitas
Materiales porosos Catálizadores Filtros Absorbentes Ópticas (colores vivos)
Propiedades
Estrucutra de poros en una zeolita Porcentajes de Aromáticos a partir de metanol
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales 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:
Metales y Aleaciones, Recubrimientos Cerámicos...
Estado del Arte Biomateriales
Síntesis
Caracterización
Propiedades Materiales Verdes Materiales Nanoestructurados II.
Proyecto de Investigación
Biomateriales
Estado del arte
• todo tipo de implantes • biocompatibilidad
Camino de perfección Futuros dispositivos implantados
Biomateriales
Biomateriales
Recubrimientos • ablación láser • proyección por plasma • oxidación • evaporación Evitar corrosión
Síntesis
Biomateriales para implantes
Biomateriales
Biomateriales
Caracterización
Técnicas electróquímicas Técnicas de fotoemisión y espectroscopía Auger SEM, AFM, difracción de rayos X Estudio de dureza, tracción mecánica, desgaste,...
Rayos X de una prótesis
Estudios in vivo Biocompatibilidad Regeneración del tejido
Crecimiento de tejido en torno a un implante SEM: implante en el interior de un hueso
Biomateriales
Biomateriales
Cerámicas • Bioinertes • Biactivas • Biodegradables Biocompatibilidad
Propiedades
Biomaterial para implante
Aplicaciones
Implantes osteoarticulares
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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 II.
Proyecto de Investigación
Materiales Verdes
Estado del arte
• química verde • materiales biodegradables • biocompatibilidad
Materiales verdes
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales 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:
Láminas Delgadas, Puntos Cuánticos, Nanopoartículas...
Estado del Arte Puntos Cuánticos
Síntesis
Caracterización
Propiedades II.
Proyecto de Investigación
Materiales Nanoestructurados
Estado del arte
• Nanopartículas • Puntos cuánticos
Ge/Si: Cuantum dot CdSe: Nanocristales semiconductores Alivisatos, MRS Bull. XX (95)
Materiales Nanoestructurados
Puntos Cuánticos
• Epitaxia de haces moleculares (MBE) • Bombardeo • Litografía Propiedades de crecimiento
GeSi: la tensión superficial induce nanopiramides Teichert Phys Rep 365 (02)
Síntesis
MBE: 1 atomic layer materials
Materiales Nanoestructurados
Puntos Cuánticos
Caracterización
• Fotoluminiscencia • Capacitancia • AFM, TEM, STM
Fotoluminiscencia excitada, AlGaAs Weman AFM, InAs/GaAs J.M.García APL 71 (97)
Materiales Nanoestructurados
Puntos Cuánticos
Propiedades
• Estados localizados • Autoorganización 3D • Amplificación de las propiedades Fotoluminiscencia (laser, LED)
Fotoluminiscencia a RT, J.M.García APL 71 (97) Estado localizado: Fe/Cu(111) a 4 K, Eigler GeSi: crecimiento autoorganizado, Teichert Phys Rep 365 (02)
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
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 II.
Proyecto de Investigación
Líneas de Evolución de los Materiales Funcionales Multifuncionalidad Multidisciplinariedad
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I.
II.
Clasificación de los materiales en función de sus propiedades Proyecto de Investigación Introducción: Sexto Programa Marco Objetivo: "Crecer y estudiar Materiales Orgánicos Nanoestructurados" Etapas Requisitos Futuras Líneas de Actuación
Proyecto de Investigación
Introducción
VI Programa Marco
Líneas de Investigación Genomic BioTecnología para la salud Tecnología de la sociedad de la información Nanotecnología Materiales inteligentes N. Procesos Aeronáutica y Espacio Seguridad alimentaria y riesgos Desarrollo Sostenido Ciudadanos y Gobernancia 1. Nanotecnología y Nanociencia 2. Materiales Multifuncionales
Fenómenos a escala molecular Nuevos Materiales Instrumentación
Conocimiento básico 3. Nuevos Dispositivos
Nuevos Procesos
Proyecto de Investigación
Objetivo
Crecer y estudiar “Materiales Nanoestructurados Orgánicos”
• Propiedades específicas de las moléculas • Amplificación de las propiedades por el carácter local (OQD) y por el carácter periódico • Propiedades nuevas del cristal
Proyecto de Investigación
Introducción ¿Cómo conecta con los materiales funcionales?
Con Propiedades Mecánicas Con Propiedades Eléctricas Con Propiedades Magnéticas Con Propiedades Optoelectrónicas Materiales Catalíticos Biomateriales Materiales Verdes Materiales Nanoestructurados
Proyecto de Investigación
Objetivo
Idea Motivación
• Redes de agregados de plata sobre aleación de Ag-Pt(111)
H.Brune Surface Science Reports 31 (98)
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I.
II.
Clasificación de los materiales en función de sus propiedades Proyecto de Investigación Introducción: Sexto Programa Marco Objetivo: "Crecer y estudiar Materiales Orgánicos Nanoestructurados" Etapas Fundamentos Posibilidades Integración Aplicaciones Recursos Futuras Líneas de Actuación
Proyecto de Investigación
Etapas Fundamentos A.1. Superficies reconstruidas A.2. Reconstrucciones Inducidas Adsorción Redes Ordenadas B.
Barreras de Difusión Adsorción Redes Ordenadas C.
Superficies Escalonadas Hilos Posibilidades 1. Reconstrucciones 2. Reconstrucciones inducidas 3. Superficies Escalonadas 4. Materiales Nanoestructurados 5. Propiedades del Material Orgánico Integración Formar Multicapas de material orgánico Nanoestructurado Aplicación Dispositivos orgánicos basados en Materiales orgánicos nanoestructurados
Proyecto de Investigación
Fundamentos
A.1 Superficies reconstruidas
Relajación de tensiones
(strain-relief)
Las esquinas de reconstrucción son mínimos locales de la energía, “atrapan” los adátomos o moléculas en difusión Mínimos en la Energía J.Soler
JMéndez
Au (111) (22 3)
Proyecto de Investigación
Fundamentos
A.2 Reconstrucciones Inducidas
Superficies heterogéneas con distintos parámetros de red
en Metales en Semiconductores Brune
2MLAg/Pt(111)
Belk et al. JVSTA (97) Dislocaciones y zonas de distinto apilamiento
InAs/GaAs(111) InAs/GaAs(110)
Proyecto de Investigación
Adsorción Redes Ordenadas Nucleación en las esquinas
Padovani et al.
Co/Au(111)
Formación de redes de agregados metálicos JMéndez JVSTB 14 (96)
Difusión inducida en Au(111)
Proyecto de Investigación
Fundamentos
B. Barreras de Difusión
0.66 eV 0.30 eV
Faulted half Unfaulted half
0.62 eV 0.28 eV J.-L. Li et al. PRL 88(2002)
In/Si(111)
300K Oscar Custance 108K
Pb/Si (111)
Adsorción preferente en una semicelda de la reconstrucción debido a una ligera diferencia energética entre ambas
Proyecto de Investigación
Adsorción: Redes ordenadas Redes metálicas
Vitali et al. PRL 83 (99)
Tl/Si(111)
J.-L. Li et al. PRL 88(2002)
In/Si(111)
Proyecto de Investigación
Fundamentos
C. Superficies Escalonadas
Adsorción preferente en los escalones: decoración de los escalones
Resultado: Hilos
CaF 2 /CaF 1 /Si
Proyecto de Investigación
Posibilidades
1. Reconstrucciones
+ Moléculas
Red Orgánica Ordenada
(Cristal Bidimensional Orgánico CBO)
Proyecto de Investigación
Posibilidades
2. Reconstrucciones Inducidas
Brune
2MLAg/Pt(111)
Red Orgánica Ordenada
(Cristal Bidimensional Orgánico CBO)
Proyecto de Investigación
Posibilidades
3. Superficies Escalonadas
Chema Gómez-R.
Vicinal Surface
Hilos Orgánicos
Proyecto de Investigación
Posibilidades
5. Propiedades del material orgánico
Brune
Fe/Cu/Pt(111) • • • • •
...
Magnéticas Ópticas Químicas Electrónicas
JMéndez ASS 142 (99)
Cr-Al 2 O 3 (110)
Proyecto de Investigación
Integración
Formar Multicapas de Material Orgánico Nanoestructurado
Teichert, Phys. Rep. 365 (2002)
Ge/Si
Proyecto de Investigación
Aplicaciones
Dispositivos orgánicos basados en Materiales orgánicos nanoestructurados
Dispositivo OQD GaAs (dopado n + )
• OLED
(Organic Light Emission Devises)
• Sensores • OQD
(Organic Quantum Dots) GaAs (dopado n + ) Jorge García
Proyecto de Investigación
Requerimientos Conocimiento Básico
• Dónde se sitúan las moléculas • Síntesis de las moléculas • Propiedades
Caracterización
• Formación de nanoestructuras
Determinación de las Propiedades
• Ópticas • Eléctricas
Proyecto de Investigación
Recursos: Grupo de Estructura de Sistemas Nanométricos Equipo
José Ángel Martín Gago Elisa Román Pedro de Andrés Francisca López José Luis Sacedón Javier Méndez Celia Rogero
Especialidades
Radiación Sincrotrón Fotoemisión rayos X Teoría Análisis Electroquímico Análisis de Rugosidad STM, STS LEED I/V, STM
Proyecto CiCYT
:
Sistemas Moleculares Nanoestructurados: estructura, propiedades y su respuesta al campo electromagnético
Proyecto de Investigación
Recursos: Herramientas
Sistema de Ultra alto Vacío • Microscopio de Efecto Túnel (STM) • Espectroscopía Auger • Difracción de electrones (LEED) • Evaporadores (PVD)
Sistema UHV
Proyecto de Investigación
Recursos: Colaboraciones
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) Integración en Redes: • Nacionales • Nanociencia • Nanospain • Internacionales • Phantoms
Proyecto de Investigación
Futuras Líneas de Actuación
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”
Proyecto de Investigación
Conclusiones
Línea de Investigación punteras: Prioritarias dentro del VI Programa Marco Plan Quinquenal del MCyT Realizables dentro del grupo al que pertenezco
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales Javier Méndez Pérez-Camarero
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) Consejo Superior de Invesitgaciones Científicas (CSIC)
Proyecto de Investigación
Recursos: Grupo de Estructura de Sistemas Nanométricos
• 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/ Integración en Redes: • Nacionales • Nanociencia • Nanospain • Internacionales • Phantoms
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I.
II.
Clasificación de los materiales en función de sus propiedades Proyecto de Investigación Introducción: Sexto Programa Marco Objetivo: Crecer y estudiar Materiales Orgánicos Nanoestructurados Etapas Recursos Requerimientos Herramientas Grupo de Estructura de Sistemas Nanoestructurados Colaboraciones Futuras Líneas de Actuación Conclusiones
Proyecto de Investigación
Posibilidades
4.
Materiales Nanoestructurados
Kern et al. PRL 67 (91)
O-Cu(110)
Gillarowski & Méndez SS 448 (2000)
Ir(100) Crecimiento preferencial
Gillarowski & Méndez SS 448 (2000)
Materiales Orgánicos
Cu - Ir(100)