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Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Nanomateriali Un breve introduzione – parte 1.

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1 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Nanomateriali Un breve introduzione – parte 1

2 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Le origini Richard P. Feynman: There is Plenty of Room at the Bottom dicembre ( ) Ma anche … colloidi.

3 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Sistemi costituiti da particelle aventi dimensioni lineari dellordine delle decine di nanometri mostrano tipicamente proprietà estremamente particolari. Si tratta, molto spesso, di proprietà completamente nuove e talora esotiche, in altri casi si tratta comunque di rilevanti miglioramenti (ordini di grandezza) di proprietà già presenti nei corrispondenti sistemi costituiti da particelle di dimensioni micrometriche o superiori.

4 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Due linee interpretative (due punti di vista) Rilevante frazione di atomi alla superficie rispetto agli atomi di bulk Confinamento quantico

5 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Vari settori disciplinari Sistemi a ridotta dimensionalità (film sottili, strati superficiali), QWells, QWires, QDots,… Compatti di nanoparticelle Nanotubi e fullereni Chimica supramolecolare

6 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Dangling bonds Le unità strutturali (atomi, molecole, ioni,...) presenti alla superficie di separazione di una fase condensata (verso una qualunque altra fase o verso il vuoto) sono caratterizzate da un eccesso di energia (libera) rispetto allenergia libera delle stesse unità strutturali nellinterno (bulk) della stessa fase. Lorigine di questo eccesso di energia libera è illustrato dal modellino semplice: i legami non compensati sono chiamati dangling bonds. Una valutazione dellordine di grandezza dellenergia (libera) superficiale (interfaccia verso il vuoto) può essere ottenuta contando i dangling bonds e assegnando ad ogni legame unenergia e quindi /2 per ogni legame di ogni atomo. Considerando ad esempio una struttura compatta (ogni atomo ha 12 primi vicini, ogni atomo di superficie ha 3 dangling bonds):

7 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Lordine di grandezza Particella di dimensione (lato, raggio,…) l e distanza interatomica d: R = No di atomi di superficie / No di atomi totali f è un fattore di forma dellordine dellunità (consideriamo un cubo e d = 0.5 nm) l/d = 10 6 (l = 0.5 mm)=> R = ( %) l/d = 1000 (l = 0.5 m)=> R = (0.6 %) l/d = 100 (l = 50 nm)=> R = 0.06 (6 %) l/d = 10 (l = 5 nm)=> R = 0.6 (60 %)

8 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Proprietà di nanomateriali Il punto di fusione delloro (1337 K) decresce rapidamente per nanoparticelle con diametro inferiore a 5 nm

9 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Proprietà di nanomateriali Variazione della temperatura di transizione di Curie nel titanato di piombo, PbTiO 3, in funzione della dimensione delle particelle Resistenza meccanica di whiskers di NaCl in funzione del loro diametro.

10 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Confinamento quantico Nel caso macro o micro (non nano) i livelli sono quasi – continui: la quantizzazione è ignorabile. Il modello più semplice fornisce una separazione proporzionale a L -2 : Lesempio viene condotto sul caso degli elettroni, ma vale per altre particelle o quasi particelle (fotoni, fononi,…)

11 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Confinamento quantico

12 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Proprietà dovute al confinamento Proprietà elettriche Proprietà ottiche Regolazione fine: del band gap della ricombinazione buca/elettrone I laser a semiconduttori sono prevalentemente basati su eterostrutture del tipo Quantum Well

13 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Proprietà dovute al confinamento Conducibilità termica Le ridotte dimensioni dei cristalliti tagliano lo spettro fononico:. I fononi (quanti delle vibrazioni) con lunghezze donda superiori alle dimensioni delle particelle sono vietati

14 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Profilo di temperatura attraverso un TBC (thermal barrier coating)

15 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Fabbricazione di nano-sistemi massivi È un argomento caldo della ricerca. Due vie: Processo a due step: –Preparazione di nanopolveri –Loro sinterizzazione senza crescita dei grani (o, se si preferisce, compattazione invece della sinterizzazione) Partendo da un precursore compatto monofasico (vetroso o cristallino) si producono nuclei evitando la crescita con opportuno cicli termici

16 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Compattazione e densificazione di nanosistemi massivi Spark Plasma Sintering Campioni di allumina sottoposti a SPS: dipendenza della densità relativa (scala a sinistra) e delle dimensioni dei grani (a destra) dalla temperatura di processo.

17 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Fabbricazione di film semplici e multipli PVD, CVD, MBE, SAM,…etching Combinati con tecniche litografiche per disegnare particolari su scala micro e nanometrica

18 Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS Nanolitografia Sequenza degli stadi: -a) sovrapposizione degli strati; -b) modellizzazione della maschera sottile, -c) rimozione del polimero; -d) etching (attacco) dello strato metallico; -e) rimozione della maschera. Numerose varianti: positivo/negativo, etching chimico/fisico, …


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