Nanoscienza di Superficie

Gruppo di ricerca
«Nanoscienza di Superficie»
Lorenzo Caputi
Anna Cupolillo
Pierfrancesco Riccardi
Claudia Giallombardo
Nadia Ligato
Denia Marlenis Cid Perez
Diana Carolina Coello Fiallos
Gabriela Viviana Tubon Usca
Cristian Isaac Vacacela Gomez
Dipartimento di Fisica
Cubo 33C, piano terra
Nanoscienza di Superficie - UHV
Nanoscienza di Superficie - Materiali
Nanoscienza di Superficie - UHV
Low Energy Electron Diffraction
X/ray Photoelectron Spectroscopy
Auger Electron Spectroscopy
Secondary Electron Emission Spectroscopy
Nanoscienza di Superficie - UHV
Electron Energy Loss Spectroscopy
Plasmone di interbanda del Grafene su Ni(111)
Plasmone di intrabanda del Grafene su Ni(111)
Nanoscienza di Superficie - Materiali
Sintesi di nanotubi di carbonio
GRAFENE
CARBONIO
GRAFITE
1985: fullereni
Premio Nobel
per la Chimica 1996
DIAMANTE
1991: nanotubi
di carbonio
2004: GRAFENE
Premio Nobel per la Fisica 2010
GRAPHENE 2010:
Circa 3000 articoli
Circa 400 brevetti
Grafene: elemento base di fullereni, nanotubi e grafite.
Coni di Dirac
Grafene: struttura a bande tridimensionale
Linearità della curva di dispersione ai punti di Dirac.
Gli elettroni si comportano come Fermioni di Dirac a massa nulla.
A basse energie, gli elettroni nel grafene non sono caratterizzati
dalla loro massa, ma dalla velocità di propagazione,
la velocità di Fermi-Dirac, che assume un valore pari circa a
1/300 della velocità della luce.
PECULIARITA’ DEL GRAFENE
Il più sottile materiale esistente.
Il materiale con più elevato rapporto superficie/massa (2600 m2/g).
Il materiale più resistente (più del diamante, modulo di Young 1.0 TPa).
Il materiale con maggiore densità di corrente a temperatura ambiente
(circa 1000 volte quella del rame).
Il materiale con più elevata conducibilità termica (5.3x103 WmK-1).
Completamente impermeabile ai gas.
Il materiale con più elevato libero cammino medio degli elettroni
a temperatura ambiente (300-500 nm).
Elevata trasparenza (assorbe circa il 2% nel visibile).
Velocità di Fermi: circa c/300 (1000000 ms-1)
Possibili applicazioni del Grafene
Dispositivi elettronici ultraveloci
Sistemi nanoelettromeccanici
Sensori
Materiali compositi (incorporazione in materiali polimerici o ceramici)
Contatti trasparenti (ad es. in dispositivi a cristalli liquidi)
Schermi sensibili al tocco…
Produzione di grafene
bottom-up
top-down
ESFOLIAZIONE CHIMICA:
SINTESI DI GRAFITE OSSIDATA
Ossidazione della grafite mediante attacco chimico
Esfoliazione mediante…
sonicazione
shock termico
Collaborazione con ITM-CNR, Dr. A Tavolaro
SEM grafite naturale
Mix di 1g Grafite e 6g di KMnO4
Aggiunta di soluzione acida (9:1 ; H2SO4/H3PO4)
240mL di H2SO4 26,8 ml di H3PO4
Immagini SEM della grafite ossidata
dopo cicli di filtrazione, lavaggi e
centrifugazioni
Analisi XPS
Grafite ossidata
Grafite naturale
Analisi Raman
Grafite ossidata
Grafite ossidata
+ shock termico
ADSORBIMENTO DI COLORANTI IN FASE LIQUIDA
MEDIANTE GRAFITE OSSIDATA
Colorante testato: Arancio di acridina
t
MATERIALI COMPOSITI A BASE DI RESINA
EPOSSIDICA E GRAFITE OSSIDATA: TEST MECCANICI
Collaborazione con DIMEG, Prof. L. Pagnotta
MATERIALI COMPOSITI
MATERIALI COMPOSITI
Prototipo in materiale composito:
Fibra di carbonio
Resina arricchita con nanotubi di carbonio
54’ (circa 16.5 m)
3.8 t (riduzione di circa il 75%)
Bassi consumi (autonomia 2800 nm)
MATERIALI COMPOSITI
Il caricamento del materiale polimerico con grafene presenta notevoli vantaggi rispetto
ai nanotubi di carbonio:
Con solo lo 0.1 % di grafene, si ottiene:
Modulo di Young: +31% (nanotubi +3%)
Tensione di rottura: +40% (nanotubi +14%)
Resistenza alla frattura : +53% (nanotubi +20%)
DISPOSITIVI ELETTRONICI
Celle solari a base di grafene
Consumo mondiale attuale: 13 TW
Previsione 2050: 30 TW
Potenza depositata dal sole: 120000 TW
Potenza attuale generata mediante celle solari: 5 GW.
Tecnologia attuale
Elettrodo trasparente: ITO (a base prevalentemente di stagno)
DISPOSITIVI ELETTRONICI
Il Grafene come trasduttore per la realizzazione di sensori
Possibilità di funzionalizzazione
Stabilità chimica
Elevata rapidità di risposta
DISPOSITIVI ELETTRONICI
Celle solari a base di grafene
Organic Photovoltaic Cells (OPV)
DISPOSITIVI ELETTRONICI
Celle solari a base di grafene
Organic Photovoltaic Cells (OPV)
Flessibilità
DISPOSITIVI ELETTRONICI
SAMSUNG, 2012