![Filmes finos e
magnetoresistência gigante
Filmes finos:
Deposição gradual de átomos em um substrato
Simples e multicamada (multilayers)
[ ferro – cobalto – níquel ]
[ cromo – cobre – rutênio ]
Magnetoresistência
gigante](https://image.slidesharecdn.com/nanocincia-nanotecnologia-22433/85/Nanociencia-Nanotecnologia-80-320.jpg)
Carregado porWalkiria Eyre
Nanociencia & Nanotecnologia
Este documento discute conceitos de nanociência e nanotecnologia, incluindo: (1) O início da pesquisa em nanociência com instrumentos como microscópios de tunelamento e força atômica; (2) Diferentes tipos de nanoestruturas como nanopartículas, nanofios e nanotubos e suas potenciais aplicações; (3) Conceitos de magnetismo em nanoestruturas magnéticas como filmes finos.
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Nanociencia & Nanotecnologia
- 1.
- 2. TÓPICOS • Conceitos denanociência e nanotecnologia • Início da pesquisa em nanociência • Resumo em nanoestruturas e aplicações • Nanoestruturas magnéticas Parte 1 Parte 2
- 3. Nanociência Física Engenharia Biologia Química Processos básicosda vida Reações químicas Medicina Física Clássica Física Quântica Fabricação de materias Aplicações tecnológicas
- 4. Nanotecnologia • Uso dananociência para criar: – Materiais inteligentes – Máquinas (em escala nanométrica) – Dispositivos (com inúmeros propósitos e aplicações)
- 5. Nanoestruturas • Dimensão de1 a 100 nm O que é menor que 1 nanômetro ? – Átomos sozinhos – Pequenas moléculas
- 8. NANO = 10-9 •Porque esse tamanho é tão especial ? – Nanoestruturas são as menores coisas sólidas que podemos fazer – Aparecimento de efeitos quânticos – Raíz das propriedades fundamentais dos materiais
- 9. Nanofabricação • Top-down :chega-se à nanoestrutura por “cortes” sucessivos • Bottom-up : chega-se à nanoestrutura construindo-a átomo a átomo
- 10. INÍCIO DA NANOCIÊNCIA •1959 – Richard Feynman – “there´s plenty of room at the bottom” • Avanços nos instrumentos: Microscópios de tunelamento Microscópios de força atômica Microscópios de campo próximo
- 11. • 1981 –Gerd Binning e Heinrich Roher (laboratório IBM em Zurique) • STM – SCANNING TUNNELING MICROSCOPE – MICROSCÓPIO DE VARREDURA POR TUNELAMENTO ELETRÔNICO
- 12. Logotipo IBM átomos dexenônio sobre um substrato de níquel
- 13. Imagem por escaneamento(varredura) do decaimento exponencial da corrente de tunelamento
- 14. Instrumentos: • STM: scanningtunneling microscope • AFM: atomic force microscope – contact AFM – non contact AFM – dynamic contact AFM • MFM: magnetic force microscope • EFM: electrostatic force microscope • SVM: scanning voltage microscope • KPFM: kelvin probe force microscope • SCM: scanning capacitance microscope • FMM: force modulation microscope • SThM: scanning thermal microscope • NSOM: near-field scanning optical microscope • SNOM: scanning near-field optical microscope
- 15.
- 16. Efeito piezoelétrico • Oefeito piezoelétrico foi descoberto por Pierre e Jacques Curie em 1880 e consiste na variação das dimensões físicas de certos materiais sujeitos a aplicação de uma voltagem. O contrário também ocorre, ou seja, a aplicação de pressões provoca o aparecimento de correntes. • O quartzo e a turmalina, cristais naturais, são piezoelétricos.
- 17. Processo de criação •A agulha varre a superfície de uma distância de alguns diâmetros atômicos • A corrente de tunelamento cai exponencialmente com o aumento da distância
- 18. Continuação... • As coressão adicionadas levando em consideração altura, curvatura, etc...
- 19.
- 20. Sódio e iodoem cobre
- 21.
- 22.
- 23.
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- 25.
- 26. Nanoestruturas: • As nanoestruturaspodem ser subdivididos em algumas classes: • Nanopartículas • Nanofilmes • Nanofios • Nanotubos
- 27. Nanoestruturas e potenciais aplicações: •Na escala atômica: – Poços quânticos (Quantum wells) • Camadas ultra-finas de material semicondutor (o poço) crescidas entre barreiras (grades). As grades aprisionam os elétrons nas camadas ultra-finas • Aparelhos de CD, telecomunicações, ótica
- 28. A typical configurationfor a quantum well (AlIn)GaN LED on a sapphire substrate. Epitaxial layer thicknesses are exaggerated for clarity and are not to scale. Fonte: http://www.mtmi.vu.lt/pfk/funkc_dariniai/diod/led.htm
- 29. – Pontos quânticos(Quantum dots) • Nanopartículas fluorescentes. Dependendo de sua composição, estas partículas podem exibir uma gama de cores • Telecomunicações, ótica – Polímeros • Alguns materiais orgânicos emitem luz sob ação de corrente elétrica • informática
- 30. Lead selenide (PbSe) quantumdots like the ones in this image, <10nm in size, emit light in the visible regime (~1 to 3eV). The nanoparticles in this scanning tunneling electron micrograph are similar to those in the colorful photograph of CdSe quantum dot containing material. (Micrograph courtesy of Mick Thomas, Cornell University)
- 31. The emission fromquantum dots is tuned by changing the particle size. These quantum dot solids, containing CdSe nanocrystals dispersed in a polymer matrix, span the visible spectrum when excited with ultraviolet light. For scale, containers are ~ 1 cm in diameter. Fonte: http://instruct1.cit.cornell.edu/courses/comm494-nano/working_version/3article.htm
- 32. • Partículas commenos de 100 nm de tamanho: – Nanocápsulas • Buckminsterfulerenos são os mais conhecidos. Descobertos em 1985, estas partículas tem 1 nm de largura. • Lubrificante nanoparticulado a seco. – Nanopartículas catalíticas • Na faixa de 1-10 nm, estas partículas, quando manipuladas, apresentam uma área superfícial grande, melhorando sua reatividade • Produção de materiais, combustíveis e alimentos
- 33. Scanning tunneling microscope (STM)image of a silver surface with adsorbed potassium atoms and two C- 60 buckyballs. Using the STM tip to drag one of the buckyballs around the surface, UC Berkeley researchers were able to pick up single potassium atoms at a time, subtly altering the buckyball's electronic properties with each addition. Credit: Michael Crommie/UC Berkeley. (Image courtesy of Science) Fonte: http://www.nanotech- now.com/ucb-release- 03112004.htm
- 34. • Fibras commenos de 100 nm de diâmetro – Nanotubos de carbono • Existem dois tipos: nanotubos de única camada, chamados de 'buckytubes', e nanotubos de múltiplas camadas. Descrito como o material mais importante em nanotecnologia, podem conferir uma resistência 50-100 vezes maior que o aço em um sexto do seu peso. • indústrias espacial e eletrônica, aviação e inúmeras outras áreas
- 35. • Filmes commenos de 100 nm de espessura – Monocamadas auto-montadas • Substâncias orgânicas ou inorgânicas que, espontaneamente, formam uma camada da espessura de uma molécula • Uma gama de aplicações baseadas nas propriedades químicas e físicas.
- 36. • Self-assembled monolayer Fonte:http://www.mtl.kyoto-u.ac.jp/english/laboratory/nanoscopic/nanoscopic.htm
- 37. – Coberturas nanoparticuladas •Camadas de aço inoxidável aplicadas por pós nanocristalinos conferem maior dureza em comparação com aplicações convencionais. • Sensores. Fabricação de cristal líquido. Fios moleculares. Camadas de lubrificação, de proteção e anticorrosivas. Ferramentas de corte mais fortes e duras.
- 38.
- 44.
- 45. Tópicos Conceitos de magnetismo Materiaismagnéticos Sistemas nanoestruturados magnéticos Filmes finos Magnetorresistência gigante
- 46. Spin • Visão Clássica: –Movimento de rotação do elétron em torno de um eixo, ou seja, um momento angular
- 47. Momento magnético SPIN (momentoangular) *carga* Momento Magnético
- 48.
- 49. Magnetização É omomento magnético total de uma certa quantidade da substância por unidade de volume Devido a isso os elétrons tendem a se alinhar quando submetidos a um campo magnético externo
- 50. MAGNETIZAÇÃO 0 1 lim i v i M m v∆→ = ∆ ∑ r r Alinhamento dos elétrons devido ao campo
- 51. • Na maioriados átomos o spin total é nulo – Devido à ocupação dos orbitais • Princípio de Linus Pauling • Para alguns elementos o spin total é não nulo – Esses elementos possuem momento magnético permanente • Exemplos: Ferro, Cobalto, Níquel, Manganês, Gadolínio, Európio.
- 52. Comportamentos magnéticos Metamagnéticos *Superparamagnéticos**Superparamagnéticos* Vidro despin Speromagnéticos Helimagnéticos • De acordo com seu comportamento na presença de um campo magnético externo, os materiais magnéticos podem ser classificados em: Diamagnéticos Paramagnéticos Ferromagnéticos Ferrimagnéticos Antiferromagnéticos
- 53. Susceptibilidade magnética • Parauma extensa classe de materiais isotrópicos e lineares, temos: • Onde M é a magnetização e H a intensidade magnética. mM Hχ= × r r 1m <<χ
- 54. Diamagnetismo • É aLei de Lenz a nível atômico – As cargas em movimento do material tendem a cancelar o efeito da variação do fluxo magnético (campo externo aplicado) – Susceptibilidade magnética <1
- 55. Exemplos de substâncias diamagnéticas: •água • chumbo • cloreto de sódio • quartzo • enxofre • diamante • grafite • nitrogênio líquido • Cobre = -9,8 × 10−6
- 56.
- 57. Paramagnetismo • A presençade um campo magnético externo produz um torque que tende a alinhar os momentos magnéticos na mesma direção do campo.
- 58. Exemplos de substâncias paramagnéticas •sódio • alumínio = 2,3 × 10−5 • cloreto de cobre • sulfato de níquel • oxigênio líquido
- 59. Ferromagnetismo • Materiais ferromagnéticospossuem uma magnetização permanente – átomos com elétrons não emparelhados cujos spins são orientados na mesma direção Gera regiões chamadas DOMÍNIOS
- 60. Exemplos de materiais ferromagnéticos •Ferro = 5.500 • Magnetita (Fe3O4) • Cobalto • Níquel • Gadolínio
- 61.
- 62. Domínios Magnéticos Domínios delineados compartículas coloidais de óxido de ferro FOTOMICROGRAFIA (Bell Telephone Laboratories) Fonte: http://www.feiradeciencias.com.br/sala13/13_38.asp
- 63. “Estructura de dominios magneticosen laberinto observada mediante microscopia Bitter en una cinta amorfa de base Fe” MICROSCOPIA Fonte: http://www.icmm.csic.es/eng/gallery/gall_omtp.htm
- 64. TEMPERATURA CURIE • Materiaisferromagnéticos adquirem comportamento paramagnético – Alinhamento com campo externo Elemento Ponto Curie Ferro 770o C Cobalto 1131o C Níquel 358o C Gadolínio 16o C
- 65. Ciclo de histerese •Determina as características de um material magnético. • É o gráfico da magnetização M do material em função do campo magnético externo aplicado H.
- 66. Ciclo de histerese •Mostra o quanto um material se magnetiza sob a influência de um campo magnético e o quanto de magnetização permanece nele depois que esse campo é desligado.
- 67. Definições: • Coercividade: ovalor do campo magnético externo necessário para desmagnetizar um ímã. • Magnetização remanente ou remanência: indica o quanto um material retém de magnetização, depois de ser submetido a um campo magnético externo.
- 68. Ciclo de histeresede material ferromagnético
- 69. • Granulares: nanopartículas magnéticasdispersas em um meio sólido ou líquido: – Sólido: sólidos granulares – Líquido: fluidos magnéticos Sistemas nanoestruturados magnéticos:
- 70. Comportamento magnético Configuração demínima energia potencial Domínios magnéticos com orientação aleatória tamanho temperatura
- 71. Tamanho crítico Dezenasde nanômetros Orientação aleatória não é energeticamente favorável **Magnetização permanente espontânea** MONODOMÍNIOS
- 72. Variação na temperatura: •Nanopartículas magnéticas pequenos ímãs Elevação na temperatura Rotação na direção da magnetização
- 73. Então... Momento magnéticomuda constantemente de direção Único vetor (momento magnético gigante) Força de origem quântica superparamagnetismo
- 74. Filmes finos • Materiaisde pequena espessura que podem ser feitos com uma ou mais camadas
- 75. Algumas aplicações: • Dispositivoseletrônicos semicondutores • Dispositivos ópticos Nos filmes finos cerâmicos: • Coberturas contra corrosão Nos filmes ferromagnéticos: • Memórias de computador
- 76. Técnicas de fabricação •Sputtering • Chemical vapor deposition • Molecular beam epitaxy • Sol-Gel process • Spin coating • Pulsed laser deposition
- 77. • Ni growsin a layer-by-layer fashion on Cu(001) with the first monolayer nearly complete before second-layer growth commences. If the substrate temperature is raised to ~450K interdiffusion occurs. Fonte: http://www.surfaces.lsu.edu/nioncu.html
- 78. Fotomicrografia referente afilmes finos de SBN (niobato de estrôncio e bário ).
- 79.
- 80. Filmes finos e magnetoresistênciagigante Filmes finos: Deposição gradual de átomos em um substrato Simples e multicamada (multilayers) [ ferro – cobalto – níquel ] [ cromo – cobre – rutênio ] Magnetoresistência gigante
- 81. • multilayer Transmission ElectronMicroscopy on an Fe/Si multilayer (photo courtesy of EPFL) Fonte: http://www.gencoa.com/tech/f_multilayer.html
- 82. Magnetorresistência gigante: • Descobertoem 1988. • Estruturas do tipo filmes finos multicamadas intercalando ferro e cromo.
- 83. Experimento: • Medição daresistência elétrica do sistema para diferentes campos magnéticos aplicados.
- 84. Resultado: • Com ascamadas ferromagnéticas com alinhamento contrário – Dispositivo com resistência elétrica alta • Com as camadas ferromagnéticas com alinhamento paralelo – A resistência cai, cerca de 40 a 50%
- 85. Aplicações do efeito demagnetorresistência gigante: • Gravação magnética • Spintrônica
- 86. Investimentos Fonte: http://nano.gov/ ehttp://www.mct.gov.br/ 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 2001 2003 2005 U.S. BRASIL U$milhões
- 87.