Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales

Download Report

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

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

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)

SensoresOQD

(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)

Nanoestructurados