Un breve introduzione – parte 1 Nanomateriali Un breve introduzione – parte 1 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 1959. (http://www.its.caltech.edu/~feynman/plenty.html) Ma anche … colloidi. Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS

Sistemi costituiti da particelle aventi dimensioni lineari dell’ordine 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. 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 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 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 all’energia libera delle stesse unità strutturali nell’interno (‘bulk’) della stessa fase. L’origine di questo eccesso di energia libera è illustrato dal modellino semplice: i legami ‘non compensati’ sono chiamati dangling bonds. Una valutazione dell’ordine di grandezza dell’energia (libera) superficiale (interfaccia verso il vuoto) può essere ottenuta contando i dangling bonds e assegnando ad ogni legame un’energia e e quindi e/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): Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS

L’ordine 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 dell’ordine dell’unità (consideriamo un cubo e d = 0.5 nm) l/d = 106 (l = 0.5 mm) => R = 6 10-6 (6 10-4 %) l/d = 1000 (l = 0.5 mm) => R = 0.006 (0.6 %) l/d = 100 (l = 50 nm) => R = 0.06 (6 %) l/d = 10 (l = 5 nm) => R = 0.6 (60 %) Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS

Proprietà di nanomateriali Il punto di fusione dell’oro (1337 K) decresce rapidamente per nanoparticelle con diametro inferiore a 5 nm 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, PbTiO3, in funzione della dimensione delle particelle Resistenza meccanica di whiskers di NaCl in funzione del loro diametro. Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS

Confinamento quantico L’esempio viene condotto sul caso degli elettroni, ma vale per altre particelle o quasi particelle (fotoni, fononi,…) 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: Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS

Confinamento quantico 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 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 d’onda superiori alle dimensioni delle particelle sono vietati Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS

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