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 Auger Electron Spectroscopy Low Energy Electron Diffraction Secondary Electron Emission Spectroscopy X/ray Photoelectron Spectroscopy

Nanoscienza di Superficie - UHV Plasmone di intrabanda del Grafene su Ni(111) Plasmone di interbanda del Grafene su Ni(111) Electron Energy Loss Spectroscopy

Nanoscienza di Superficie - Materiali Sintesi di nanotubi di carbonio GRAFENE

CARBONIO GRAFITEDIAMANTE 1985: fullereni Premio Nobel per la Chimica : 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.

Grafene: struttura a bande tridimensionale Coni di Dirac

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 m 2 /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 (5.3x10 3 WmK -1 ). Completamente impermeabile ai gas. Il materiale con più elevato libero cammino medio degli elettroni a temperatura ambiente ( nm). Elevata trasparenza (assorbe circa il 2% nel visibile). Velocità di Fermi: circa c/300 ( 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 top-down bottom-up

ESFOLIAZIONE CHIMICA: SINTESI DI GRAFITE OSSIDATA Collaborazione con ITM-CNR, Dr. A Tavolaro Esfoliazione mediante…sonicazioneshock termico Ossidazione della grafite mediante attacco chimico

SEM grafite naturale Mix di 1g Grafite e 6g di KMnO 4 Aggiunta di soluzione acida (9:1 ; H 2 SO 4 /H 3 PO 4 ) 240mL di H 2 SO 4 26,8 ml di H 3 PO 4

Immagini SEM della grafite ossidata dopo cicli di filtrazione, lavaggi e centrifugazioni

Analisi XPS Grafite ossidata Analisi Raman Grafite naturale 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

54’ (circa 16.5 m) 3.8 t (riduzione di circa il 75%) Bassi consumi (autonomia 2800 nm) Prototipo in materiale composito: Fibra di carbonio Resina arricchita con nanotubi di carbonio

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: TW Potenza attuale generata mediante celle solari: 5 GW. Tecnologia attuale Elettrodo trasparente: ITO (a base prevalentemente di stagno)

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) Celle solari a base di grafene Flessibilità

DISPOSITIVI ELETTRONICI

SAMSUNG, 2012