Date post: | 12-Apr-2017 |
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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 propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados
II. Proyecto de InvestigaciónIntroducción: Sexto Programa MarcoObjetivoHerramientasGrupo de Estructura de Sistemas NanoestructuradosColaboracionesFuturas Líneas de Actuación
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades Mecánicas: Recubrimientos, Cerámicas, Vidrios, Materiales de Construcción
Estado del ArteRecubrimientos
Síntesis Caracterización Propiedades
Con Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados
II. Proyecto de Investigación
• Materiales para el espacio• Fulerenos • Recubrimientos
• Láminas delgadas• Cerámicos (Biomateriales)• Conductores
Materiales prop. MecánicasEstado del arte
Materiales para el espacio, Montero (ICMM)
Nanotubos SEM: Recubrimiento de diamante, Albella (ICMM)
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
Materiales prop. Mecánicas
Sistema IBAD (ICMM)
Recubrimientos
SEM: recubrimiento de óxido silicio (superficie) (ICMM)
Caracterización
Microestructural: SEM, TEM, AFM
Térmica: conducción térmica, expansión térmica
Mecánica: deformación, impacto, indentación
Análisis de superficies: XPS, fotoemisión, Auger
Materiales prop. MecánicasRecubrimientos
SEM: recubrimiento de óxido silicio (ICMM)
Propiedades
Resistencia mecánica
Resistencia térmica
Resistencia a la corrosión: inertes
Láminas delgadasMulticapas
Materiales prop. MecánicasRecubrimientos
TEM (transversal) Multicapas TiN/AlN (ICMM)
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades Eléctricas: Baterias, Ferroeléctricos Piezoeléctricos y Piroeléctricos, Superconductores...
Estado del ArtePizoeléctricos
Síntesis Caracterización Propiedades
Con Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados
II. Proyecto de Investigación
Piezoeléctricos (PZT)- Memorias FRAM- Tecnologías de gran precisión- Sensores
Estado del arte
Cristal ferroeléctrico: el átomo del centro se mueve
Materiales prop. Eléctricas
Nanoposicionado
Síntesis
Piezoeléctricos PZT
Materiales prop. Eléctricas
Métodos Físicos- Mezcla- Molido - Granulación- Compactado
Métodos Térmicos- Calcinado- Sinterizado
Métodos Químicos:- Sol-gel
Recubrimientos (Electrodos):• Bombardeo • Por Impresión
Piezoeléctricos PZT
Caracterización
Mecánicas: resolución, histéresis
Térmica: dependencia con temperatura
Histéresis
Desplazamiento (resolucion <1nm)
Materiales prop. Eléctricas
Dependencia con la temperatura
Piezoeléctricos PZT
Propiedades
Piezoeléctricidad- Temperatura de Curie- Coeficiente de enlongacion- Voltaje de ruptura
Apilamiento de discos piezoeléctricos
Materiales prop. Eléctricas
Piezoeléctricos PZT
Piezoeléctricos PZT
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades Magnéticas: Multicapas ferromagnéticas, polímeros ferromagnéticos, partículas...
Estado del ArteMulticapas
Síntesis Caracterización Propiedades
Con Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados
II. Proyecto de Investigación
Nanopartículas magnéticas con usos médicos
Multicapas: válvulas de spin
Memorias monodominio
Materiales prop. MagnéticasEstado del arte
Resonancia magnética del cerebro
Memoria de monodominios
Nanopartículas de óxido de hierro“Spin valve”: multicapas GMR
Epitaxia de haces moleculares (MBE)
– Co/Cu/Co– FeNi/Cu/FeNi– FeNI/Co/Cu/Co/FeNi
– Bombardeo
Materiales prop. MagnéticasSíntesis
Multicapas ferromagnéticas
Multicapas
Ciclo de histéresis
Materiales prop. MagnéticasCaracterizaciónMulticapas
Parkin PRL 71 (93)
Materiales prop. MagnéticasPropiedades
Magnetoresistencia gigante en multicapasAcople ferro o antiferromagnético en función del espesor del separador
Magnetoresistencia gigante
Acople (espesor del separador)
Multicapas
Materiales prop. MagnéticasAplicaciones
Lector de disco magnético
Válvula de spin
• Válvulas de spin, • memorias• lectores
Multicapas
Sensor GMR: Geometría CIP
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades Optoelectrónicas: Materiales Orgánicos, Semiconductores, Cristales Fotónicos...
Estado del ArteDispositivos Orgánicos
Síntesis Caracterización Propiedades
Materiales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados
II. Proyecto de Investigación
• Dispositivos orgánicos• displays• TFT (polímeros)
• CCD• Cristales fotónicos
Estado del arteMateriales prop. Optoelectrónicas
CCD
Cristal fotónico (ópalo) de esferas de sílice
Dispositivo basado en una única molécula orgánica
Síntesis
Bombardeo de iones (mascaras) Estampado Interferometría Autoorganización
Materiales prop. Optoelectrónicas
Estampado de un polímero
Bombardeo de iones
Dispositivos Orgánicos
Interferometría
Caracterización Estructural: STM, AFM
Electrónica: diagrama de conducción, teoría
Óptica: elipsometría, IR, Fotoluminiscencia
Simulación teórica: transmisión en benceno, A. Di Carlo Conducción PTCDA sobre S-GaAs, Park (TUC)
Materiales prop. OptoelectrónicasDispositivos Orgánicos
Imagen AFM: transistor formado con un nanotubo
Tran
smis
sion
Coe
ffici
ent
Energy [eV]
Propiedades
Alta luminosidad Crecimiento
Autoensamblado Flexibilidad Bajo coste Ecológicos
Materiales prop. OptoelectrónicasDispositivos Orgánicos
Display basado en materiales orgánicos
Visión de Futuro: el ordenador orgánicoOLED
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales Catalíticos: Zeolitas Metales y Aleaciones,...
Estado del ArteZeolitas
Síntesis Caracterización Propiedades
BiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados
II. Proyecto de Investigación
• Metales y aleaciones• Paladio, Platino• ternarios
• ZeolitasAluminosilicatos hidratados
Materiales Catalíticos
Zeolitas
Materiales híbridos
Estado del arte
• Naturales• Magmas ricos en sílice
• Sol-gel- NaOH- NaAl(OH)4
- Na2(SiO3)
Materiales CatalíticosSíntesis
Síntesis de una zeolita
Zeolitas
gel
zeolita + nutriente
Materiales CatalíticosCaracterizaciónZeolitas
Estructural: SEM, TEM
Composición de los productos de la reacción o filtrado
SEM: Faujasita X
Disminución de residuos al aumentar % zeolita
Materiales CatalíticosPropiedadesZeolitas
Materiales porosos
Catálizadores
Filtros
Absorbentes
Ópticas (colores vivos)
Porcentajes de Aromáticos a partir de metanol
Estrucutra de poros en una zeolita
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomateriales: Metales y Aleaciones, Recubrimientos Cerámicos...
Estado del ArteBiomateriales
Síntesis Caracterización Propiedades
Materiales VerdesMateriales Nanoestructurados
II. Proyecto de Investigación
• todo tipo de implantes• biocompatibilidad
Estado del arte
Camino de perfección
Biomateriales
Futuros dispositivos implantados
Síntesis
Recubrimientos• ablación láser• proyección por plasma• oxidación• evaporación
Biomateriales
Biomateriales para implantesEvitar corrosión
Biomateriales
Caracterización
Técnicas electróquímicas Técnicas de fotoemisión y
espectroscopía Auger SEM, AFM, difracción de rayos X Estudio de dureza, tracción mecánica,
desgaste,...
Estudios in vivoBiocompatibilidadRegeneración del tejido
Biomateriales
SEM: implante en el interior de un hueso
Rayos X de una prótesis
Biomateriales
Crecimiento de tejido en torno a un implante
Propiedades
Cerámicas
• Bioinertes• Biactivas• Biodegradables
Biomateriales
Biomaterial para implante Biocompatibilidad
Aplicaciones Implantes osteoarticulares
Biomateriales
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales Verdes
Materiales Nanoestructurados
II. Proyecto de Investigación
• química verde• materiales biodegradables• biocompatibilidad
Estado del arteMateriales Verdes
Materiales verdes
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedadesCon Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados: Láminas Delgadas, Puntos Cuánticos, Nanopoartículas...
Estado del ArtePuntos Cuánticos
Síntesis Caracterización Propiedades
II. Proyecto de Investigación
• Nanopartículas• Puntos cuánticos
Estado del arteMateriales Nanoestructurados
CdSe: Nanocristales semiconductoresAlivisatos, MRS Bull. XX (95)
Ge/Si: Cuantum dot
• Epitaxia de haces moleculares (MBE)• Bombardeo• Litografía
SíntesisMateriales Nanoestructurados
Puntos Cuánticos
MBE: 1 atomic layer materials
Propiedades de crecimiento
GeSi: la tensión superficial induce nanopiramidesTeichert Phys Rep 365 (02)
• Fotoluminiscencia• Capacitancia• AFM, TEM, STM
CaracterizaciónMateriales Nanoestructurados
Puntos Cuánticos
AFM, InAs/GaAsJ.M.García APL 71 (97)
Fotoluminiscencia excitada, AlGaAsWeman
• Estados localizados• Autoorganización 3D• Amplificación de las propiedadesFotoluminiscencia (laser, LED)
PropiedadesMateriales Nanoestructurados
Puntos Cuánticos
0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4
1 nm 3 nm 5 nm
Longitud de onda (micras)1 1.251.15
Fotoluminiscencia a RT, J.M.García APL 71 (97)
GeSi: crecimiento autoorganizado, Teichert Phys Rep 365 (02)Estado localizado: Fe/Cu(111) a 4 K, Eigler
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. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades
II. Proyecto de InvestigaciónIntroducción: Sexto Programa MarcoObjetivo: "Crecer y estudiar Materiales Orgánicos Nanoestructurados"EtapasRequisitosFuturas Líneas de Actuación
VI Programa Marco
Fenómenos a escala molecular
Líneas de Investigación
Genomic BioTecnología para la salud
Tecnología de la sociedad de la información
Aeronáutica y Espacio
Seguridad alimentaria y
riesgos
Desarrollo Sostenido
Ciudadanos y Gobernancia
Nanotecnología Materiales
inteligentes N. Procesos
1. Nanotecnología y Nanociencia
2. Materiales Multifuncionales
3. Nuevos Dispositivos
Nuevos Materiales
Instrumentación
Conocimiento básico
Nuevos Procesos
Proyecto de InvestigaciónIntroducción
• 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
Crecer y estudiar “Materiales Nanoestructurados Orgánicos”
Objetivo
¿Cómo conecta con los materiales funcionales?Con Propiedades MecánicasCon Propiedades EléctricasCon Propiedades MagnéticasCon Propiedades OptoelectrónicasMateriales CatalíticosBiomaterialesMateriales VerdesMateriales Nanoestructurados
IntroducciónProyecto de Investigación
H.Brune Surface Science Reports 31 (98)
• Redes de agregados de plata sobre aleación de Ag-Pt(111)
Idea - MotivaciónProyecto de Investigación
Objetivo
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades
II. Proyecto de InvestigaciónIntroducción: Sexto Programa MarcoObjetivo: "Crecer y estudiar Materiales Orgánicos Nanoestructurados"Etapas
FundamentosPosibilidadesIntegraciónAplicaciones
RecursosFuturas Líneas de Actuación
A.1. Superficies reconstruidas
A.2. Reconstrucciones Inducidas
AdsorciónRedes Ordenadas
B. Barreras de Difusión
AdsorciónRedes Ordenadas
C. Superficies Escalonadas
Hilos
1. Reconstrucciones
2. Reconstrucciones inducidas
3. Superficies Escalonadas
4. Materiales Nanoestructurados
5. Propiedades del Material Orgánico
Formar Multicapas de material orgánico Nanoestructurado
Dispositivos orgánicos basados en Materiales orgánicos nanoestructurados
AplicaciónIntegración PosibilidadesFundamentos
Proyecto de InvestigaciónEtapas
A.1 Superficies reconstruidas
Las esquinas de reconstrucción son mínimos locales de la energía, “atrapan” los adátomos o moléculas en difusión
J.Soler
Au (111) (223)JMéndez
Mínimos en la Energía
Proyecto de Investigación
Relajación de tensiones (strain-relief)
Fundamentos
A.2 Reconstrucciones Inducidas
2MLAg/Pt(111) InAs/GaAs(111)InAs/GaAs(110)
Belk et al. JVSTA (97)Brune
en Metales en Semiconductores
Dislocaciones y zonas de distinto apilamiento
Proyecto de InvestigaciónFundamentos
Superficies heterogéneas con distintos parámetros de red
Adsorción Redes Ordenadas
Difusión inducida en Au(111)JMéndez JVSTB 14 (96)
Co/Au(111)Padovani et al.
Formación de redes de agregados metálicos
Proyecto de Investigación
Nucleación en las esquinas
B. Barreras de Difusión
0.66 eV 0.62 eV
0.30 eV 0.28 eV
Faulted half Unfaulted half
108K
Pb/Si (111)
J.-L. Li et al. PRL 88(2002) In/Si(111)
Adsorción preferente en una semicelda de la reconstrucción debido a una ligera diferencia energética entre ambas
Oscar Custance
Proyecto de InvestigaciónFundamentos
300K
Adsorción: Redes ordenadas
Tl/Si(111)
J.-L. Li et al. PRL 88(2002)
In/Si(111)
Vitali et al. PRL 83 (99)
Proyecto de Investigación
Redes metálicas
C. Superficies Escalonadas
Adsorción preferente en los escalones: decoración de los escalones
Proyecto de Investigación
CaF2/CaF1/Si
Resultado: Hilos
Fundamentos
1. ReconstruccionesProyecto de Investigación
Red Orgánica Ordenada(Cristal Bidimensional Orgánico CBO)
Posibilidades
+ Moléculas
2MLAg/Pt(111)
Brune
Proyecto de Investigación2. Reconstrucciones Inducidas
Red Orgánica Ordenada(Cristal Bidimensional Orgánico CBO)
Posibilidades
Chema Gómez-R.
Vicinal Surface
Proyecto de Investigación3. Superficies Escalonadas
Hilos Orgánicos
Posibilidades
Fe/Cu/Pt(111)Brune JMéndez ASS 142 (99)
Cr-Al2O3(110)
Proyecto de Investigación5. Propiedades del material orgánico
• Magnéticas• Ópticas• Químicas• Electrónicas• ...
Posibilidades
Ge/Si
Proyecto de InvestigaciónFormar Multicapas de Material Orgánico Nanoestructurado
Teichert, Phys. Rep. 365 (2002)
Integración
• OLED (Organic Light Emission Devises)
• Sensores• OQD (Organic Quantum Dots)
GaAs (dopado n+)
GaAs (dopado n+)
Dispositivo OQD
Jorge García
Proyecto de InvestigaciónAplicaciones Dispositivos orgánicos basados en
Materiales orgánicos nanoestructurados
Proyecto de Investigación
Conocimiento Básico• Dónde se sitúan las moléculas• Síntesis de las moléculas• Propiedades
Requerimientos
Caracterización• Formación de nanoestructuras
Determinación de las Propiedades• Ópticas • Eléctricas
Proyecto de Investigación
José Ángel Martín Gago Radiación SincrotrónElisa Román Fotoemisión rayos XPedro de Andrés TeoríaFrancisca López Análisis ElectroquímicoJosé Luis Sacedón Análisis de RugosidadJavier Méndez STM, STS
Celia Rogero LEED I/V, STM
Proyecto CiCYT: Sistemas Moleculares Nanoestructurados: estructura, propiedades y su respuesta al campo electromagnético
Recursos: Grupo de Estructura de Sistemas Nanométricos
Equipo Especialidades
Proyecto de Investigación
• Microscopio de Efecto Túnel (STM)
• Espectroscopía Auger
• Difracción de electrones (LEED)
• Evaporadores (PVD)
Recursos: Herramientas Sistema de Ultra-alto Vacío
Sistema UHV
Proyecto de Investigación
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)
Recursos: Colaboraciones
Integración en Redes:
• Nacionales• Nanociencia • Nanospain
• Internacionales• Phantoms
Proyecto de Investigación
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”
Futuras Líneas de Actuación
Proyecto de Investigación
Línea de Investigación punteras: Prioritarias dentro del VI Programa Marco Plan Quinquenal del MCyT
Realizables dentro del grupo al que pertenezco
Conclusiones
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
Integración en Redes:
• Nacionales• Nanociencia • Nanospain
• Internacionales• Phantoms
• 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/
Recursos: Grupo de Estructura de Sistemas Nanométricos
Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales
I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades
II. Proyecto de InvestigaciónIntroducción: Sexto Programa MarcoObjetivo: Crecer y estudiar Materiales Orgánicos NanoestructuradosEtapasRecursos
RequerimientosHerramientasGrupo de Estructura de Sistemas NanoestructuradosColaboraciones
Futuras Líneas de ActuaciónConclusiones
Ir(100)Gillarowski & Méndez SS 448 (2000)
Kern et al. PRL 67 (91)
O-Cu(110)
Crecimiento preferencial
Cu - Ir(100)Gillarowski & Méndez SS 448 (2000)
Proyecto de Investigación4. Materiales Nanoestructurados
Materiales Orgánicos Nanoestructurados
Posibilidades