materiali nanofasici: nuove possibilita` di

Conferenza UTS Materiali e Nuove
Tecnologie.
C.R.Casaccia, 6/10/2003
MATERIALI NANOFASICI:
NUOVE POSSIBILITA’ DI MANIPOLARE
LE PROPRIETA’ DELLA MATERIA
Marco Vittori Antisari
ENEA, C.R. Casaccia
U.T.S. Materiali e Nuove Tecnologie
Sezione Materiali Compositi e Nanostrutturati
Nanotechnology definition (NNI, February 2000)
Research and technology development at the atomic, molecular or
macromolecular levels, in the length scale of approximately 1 - 100
nanometer range, to provide a fundamental understanding of phenomena
and materials at the nanoscale and to create and use structures, devices
and systems that have novel properties and functions because of their small
and/or intermediate size. The novel and differentiating properties and
functions are developed at a critical length scale of matter typically under
100 nm. Nanotechnology research and development includes manipulation
under control of the nanoscale structures and their integration into larger
material components, systems and architectures. Within these larger scale
assemblies, the control and construction of their structures and components
remains at the nanometer scale. In some particular cases, the critical length
scale for novel properties and phenomena may be under 1 nm (e.g.,
manipulation of atoms at ~0.1 nm) or be larger than 100 nm (e.g.,
nanoparticle reinforced polymers have the unique feature at ~ 200-300 nm
as a function of the local bridges or bonds between the nano particles and
the polymer).
Il comportamento della materia è fondamentalmente dettato dall’ ordine che
assumono gli atomi e dalla conseguente struttura elettronica.
Le caratteristiche peculiari diventano funzione delle dimensioni fisiche di un
agglomerato di atomi quando queste diventano confrontabili con una qualche
dimensione critica tipica del fenomeno che si sta investigando.
Molto spesso le ridotte dimensioni fisiche del clusters inducono comportamenti
intermedi fra quelli dell’ atomo isolato e di un agglomerato di atomi di dimensione
macroscopica.
Le nuove caratteristiche che ne risultano aprono panorami applicativi tuttora in
gran parte non investigati.
Occorre “violentare” la natura utilizzando spesso processi di sintesi innovativi in
quanto la maggior parte dei processi naturali comporta un accrescimento delle
dimensioni di nanoparticelle.
Occorre adeguare i metodi di caratterizzazione alle piccole dimensioni delle unità
strutturali da investigare o approntarne di nuovi.
Quantum
physics
Nanoelectronics
Carbon nanotubes
Inorganic selfOrganic electronics
assembly
Nanotechnology for
Nano-composites
functional devices and ICT
Photo-voltaic
Bio-molecular
data processing
Materials science
Nano-mechanical
devices
Quantum dot LEDs
and lasers
Magnetoresistive devices
Transport
Miniaturisation
Suspensions and inks
Aerospace
Cosmetics
Textiles
Manufacture
Micro-nano implants
Drug delivery
Pharmaceutical
Food, and beverage
Bio-synthesis of
functional molecules
Nanomaterials: bulk,
coating and soft materials
Tool coatings
Electronics, information
Nano-tribology
DNA Arrays
Environmental
Materials supply
Chemical
Energy
Nanobiotechnology
Biochip
Bio-sensors
Batteries
Colorants
Nano-structured catalysts
Nano-filtration
Nanotechnology for
chemistry and environment
Energy storage
Biological self-assembly
Bio-catalysis
Supra-molecular selfassembly
Molecular biology
Supra-molecular
chemistry
Synthesis Strategies - 1
nanostructured materials
bottom-up construction
top-down construction
assembling from nano-building blocks
‘sculpturing’ (fragmentation) from bulk
physical vapor deposition
chemical vapor deposition
chemical synthesis (e.g., sol-gel, colloids)
powder/aerosol compaction
Lithographic/etching processes
mechanical attrition (ball milling)
structuring by irradiation processes
Ball milling ad alta energia
Evaporazione termica e sputtering catodico
Hot filament
Chemical Vapour Deposition
HF-CVD process parameters:
H2+ (10%) CH4
Tsub: 600°C
Ptot: 5 mbar
Applied Voltage
22V-30V
Graphite
electrodes
Deionized
water
synthesize nanocrystalline
sample by hightemperature
(100-300°C) solutionphase route
narrow the NC sample
size distribution by
size-selective
precipitation
deposition of
nanocrystalline
dispersions
⇒ self-assembling
formation of ordered
nanocrystal assemblies
⇒ 2D and 3D ordered
structures (superlattices)
? Monomer is insoluble in
water and is dissolved in a
co-solvent which forms an
emulsion in water
(droplets).
monomer
droplets
? Initiator or catalyst is
dissolved in water.
? Polymerisation starts in
water phase and polymers
coalesce and segregate
resulting in the formation
of colloidal particles.
polymeric
nanospheres
initiato
r
METODI DI CARATTERIZZAZZIONE
MICROSTRUTTURALE
•
•
•
•
•
•
•
•
Microscopia elettronica in trasmissione
Microscopia elettronica a scansione
Diffrazione di Raggi X
Spettroscopia elettronica (XPS,Auger,EELS)
Spettroscopia di Raggi X
Spettroscopia ottica
Spettroscopia di ioni secondari
Microscopia a stilo (STM, AFM…….)
Nanostructured Films and Nanoparticles Dispersed in Glass by Sol-Gel
Nanostructured TiO2 films
X-ray diffraction & Rietveld Analysis
Nanostructured phase: ∅≈3-5nm)
∅≈
Nanoparticles (Au) in silica
⇓
doped glasses
TEM imaging
0,005
0,004
30
Microstrain
Cluster diameter (nm)
40
20
10
Dopo il ciclo termico
0,003
0,002
0,001
0
0,000
20
40
60
80
100
120
Temperature (°C)
140
160
180
200
20
40
60
80
100
120
Temperature (°C)
140
160
180
200
IMMAGINI AFM DI SENSORI
POLIMERICI
Composito
contenente
carbon black
a
b
c
d
Composito
contenente
carbon black
commerciale
Imaging of Single Bi Atoms in
Si(110)
VG HB501UX with Nion Aberration Corrector, 100 kV
HREM & EELS of SiO2/Si interface
ALCUNE APPLICAZIONI
•
•
•
•
•
•
•
Sensoristica
Stoccaggio di Idrogeno
Ricoperture superficiali
Drogaggio di vetri
Materiali nanocompositi
Catalisi
Drogaggio di materiali polimerici
Fibre di carbonio rivestite di diamante
NO2 Sensor
SAW sensor based on a two-port resonator 433.92 MHz oscillator
using Carbon Nanotubes
Acc. V = 5kV
Magn. = 18x
Det. = SE
Cross-sectional view of the SAW sensor
SEM image of the SAW sensor in a TO-39 case using CNTs
Process Routine
CNTs have been dispersed into two distinct solvents:
a) ethanol or b) toluene
• SWCNTs (4 mg) dispersed at 0.5 mg/ml
• MWCNTs (20 mg) dispersed at 5.0 mg/ml
The suspensions have been sonicated for 10 minutes
SAW sensor oscillator wih RF amplifier
The CNTs films are spray-painted onto SAW transducer
M. Penza, F. Antolini, M. Vittori Antisari, AISEM 2003, Trento, 12-14 February, 2003.
Pd/Mg/Pd thin films
(S. Orimo et
al., 2002/03)
Sintesi
Caratterizzazione
microstrutturale
Simulazione
Simulazioneee
modellizzazione
modellizzazione
Caratterizzazione
funzionale
Quanto presentato rappresenta una selezione,
forzatamente non esaustiva, di risultati dei programmi in
svolgimento presso la UTS Materiali e Nuove Tecnologie,
ottenuti grazie alla professionalità dei colleghi impegnati
in queste attività.
Desidero quindi esprimere un sentito ringraziamento a
quanti hanno fornito il materiale per questa
presentazione, senza dimenticare coloro i cui risultati non
è stato possibile illustrare causa la “tirannia” dettata dal
tempo a disposizione.