simulação e otimização de processos de deposição de filmes ... · 48 detecção de etanol e...
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Nanotecnologia Orgânica
Dos nanotubos aos
polímeros condutores
2
Sumário
• Nanotecnologia
• Nanotubos de carbono
• Polímeros Condutores
3
O “início” da nanotecnologia
“What I want to talk about is the problem of manipulating and
controlling things on a small scale. …In the year 2000, when
they look back at this age, they will wonder why it was not
until the year 1960 that anybody began seriously to move in
this direction….”
Palestra proferida por Richard Feynman em 29 de dezembro de 1959 - CALTECH
4
Nanotecnologia
Ramo MULTIDISCIPLINAR da ciência que estuda as
estruturas, materiais e dispositivos menores que 100
nm com novas propriedades ou propriedades
melhoradas
Shewanella bacteria (shown in blue) forming
nanotubes. (Credit: Hor-Gil Hur, GIST)
5
6
7
Transistores 45 nm
8
Continuando a redução…
9
Abordagens
• Há duas abordagens usadas em nanotecnologia
• “Bottom-up” (de baixo pra cima)– Materiais e dispositivos são formados por componentes
moleculares que se arranjam quimicamente por
princípios de reconhecimento molecular.
• “Top-down" (de cima pra baixo)– Nano-objetos são construidos por materiais volumétricos,
através de tecnicas de redução de tamanho como litografia, corrosão
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A tecnologia que realmente permitiu a
nanotecnologia
O microscópio de força atômica e o microscópio
de varredura por tunelamento foram as
ferramentas que permitiram o surgimento da
nanotecnologia como ciência “comum”.
Xintek tech.
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Manipulando átomos - STM
Lutz e Eigler - Iron on Copper (111)
Eigler (1990) : Xenon on Nickel (110)
Eigler (1993)
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Algumas aplicações potenciais
• Detecção e diagnóstico
• Algumas doenças não exibem sintomas reconhecíveis
até que atinja um nível bem avançado. Habitualmente,
quanto mais cedo for detectada a doença, melhores os
benefícios do tratamento.
• Cancer de mama– Atualmente detectavel (mamografia): tumor maior que um milhão de células.
• Nanosensores ou materiais nanométricos tem o potencial de serem milhões de vezes mais sensíveis que sensores “macros”. Devido a serem bastante reduzidos, também é possível construir detectores com centenas ou milhares de diferentes sensores no tamanho de um “dedo”, possibilitando o diagnóstico de milhares de doenças ao mesmo tempo.– Com o uso de nanosensores: detecção de tumor entre 100 a 1000 células.
Nanotubos de carbono
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Um pouco de química orgânica
Ramo da química que estuda os compostos do carbono
Nem todos os materiais que tem carbono são considerados
orgânicos (ex.: dióxido de carbono, o ácido carbônico,
Grafite, diamante)
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Formas do carbono
a) Diamante
b) Grafite
c) Lonsdalita
d) C60 (Buckminsterfulereno)
e) C540 Fulereno
f) C70 Fulereno
g) Carbono amorfo
h) Nanotubo de carbono de
parede única
grafeno
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Nanotubos de carbono
Propriedades
Resistência a tração (63 GPa)
Um cabo de um milimetro poderia
Suportar 6,3 toneladas!
Cinética
Pode operar como telescópio
Elétrica
Pode ser condutor, semicondutor
e isolante (dependendo da orientação)
teoricamente suporta 4.109A/cm2
(cobre 1000 vezes menor)
Térmica (6000 W/mK)
Condução balística ao longo do tubo
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Nanotubos de carbono - multicamada
Iijima S. Nature 1991;354:56.
18
Telescópio e balança
J. Cumings and A. Zettl, Science 289, 602 (2000)
P. Poncharal et al., Science 283, 1513 (1999)
Partícula de 22fg
19
Dispositivo com nanotubos de carbono
Ralph group – Cornell Univ
20
Como alinhar os nanotubos?
http://dx.doi.org/10.1002/adma.200601138
Adsorção seletiva de CNTs sobre
APTS(silano)
21
Transistores e sensores
S.J. Tans et al., Nature 393, 49 (1998)J. Kong et al., Science 287, 622 (2000)
22
Outras aplicações
Nanoheater (Fe)
Drug Delivery
Nanomola
Nano ressoador
Elevador espacial
Polímeros Condutores
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O que é um polímero?
• Poli-muitos; mero – unidade
• Muitas unidades!
• Material cujas cadeias sao formadas por unidades
repetidas
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Pergunta:
Os polímeros são materiais
isolantes?
Depende....
26
Dopagem!
27
Polímeros Conjugados (1)
28
Polímeros Conjugados (2)
29
• Casting;
• Spin casting;
• Langmuir-Blodegett (LB);
• Ink-jet;
• Self-assembly;
• In situ
Métodos
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Processamento
Spin Coating
Glove box
31
Processamento
Langmuir – Blodgett (LB) Automontagem
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Eletropolimerização
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•Polímeros condutores
• Equipamentos
• Sensores
Principais áreas de aplicação - GEM
Dosímetros de
Radiação Gama
• Detecção de amonia em fazendas
• Nariz e língua eletrônica para:
Análise de alimentos
(café, suco de frutas, vinho)
Perfumes e aromas
Qualidade
Análise de água
Análise de combustíveis
• Sensores de pressão
• Transistores de filmes finos
• Sensores fotoelétricos
• Células solares
Sensores químicos
Organic light emitting diodes - OLEDs
Outros dispositivos
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Tipos de OLEDs
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Mercado para OLEDs
Worldwide OLED panel market, 2004-2012
Image: iSuppli Corp, Organic Light-Emitting
Diode Displays, 1H 2006
Image: iSuppli Corp, Organic Light-Emitting
Diode Displays, 1H 2006
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OLED’s
Estrutura Típica
37
Aplicações OLEDs
39
OLED’s
Injeção e Transporte de Portadores
(1) - Injeção de portadores negativos pelo catodo
(2) - Geração de pólarons + e – (Campo Elétrico)
(3) - Geração de um écxiton singleto
(4) – Decai emitindo luz
(Fóton)
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Estrutura Melhorada
Visa obter uma maior eficiência do dispositivo (PLED)
Nitreto de
Carbono (CN)
Nitreto de
Silício (SN)ÓxidoTransparente
HTLPolímero
ETLMetal
Encapsulamento
OLED’s
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Diodos emissores de luz orgânicos - OLEDs
• Substratos flexíveis
• Diferentes cores
• Baixa tensão de operação
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Células Solares
43
Transistores
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Sensores
Time (h)
Cu
rren
t (A
)
0 5 10 15 20 25
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Exponential Growth
Chi^2 = 0.00005
R^2 = 0.99485
Ainf 0.311±0.015
Aini 0.234±0.014
k 0.0895±0.0135
Ab
so
rba
nce
(a
.u.)
Gamma Radiation Dose (kGy)
Sensores de amônia
Dosímetros de
radiação gama
45
Propriedades
Materiais
- espessura
- rugosidade
- condutividade
Ambiente
- pressão
- fluxo
- umidade
- temperatura
Sensores
- Controle de processos
- sinais eletricos
- reprodutibilidade
- sensibilidade
Camada ativa
Substrato
Eletrodos Interdigitados
46
E-Nose setup
47
Diferentes analitos – PEDOT:PSS 3000 rpm films
0 180 360 540 720 900 1080
0
1
2
3
4
5
6 Methanol
Ethanol
Iso-propanol
CK One
Eternity LE
Average 3000 rpm
Norm
aliz
ed R
esis
tance (
R-R
0)/
R0
Time (s)
0 200 400 600 800 1000 1200
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05Average 3000 rpm
No
rma
lize
d C
ap
acita
nce
(C
-C0)/
Co
Time (s)
Methanol
Ethanol
Iso-propanol
CK One
Eternity LE
• diferentes analitos: diferentes intensidades de sinais
• Resistência tem maiores variações do que capacitância
Ar e ar com analitos
48
Detecção de etanol e adulteração de combustível
0 500 1000 1500 2000 2500 3000-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40 1000_1
1000_2
1000_3
3000_1
3000_2
3000_3
No
rma
lize
d R
esis
tance
(R
-R0)/
R0
Time (s)
100% ethanol
0% water
83% ethanol
17% water
56% ethanol
44% water
71% ethanol
29% water
100% ethanol
0% water
91% ethanol
9% water
0 600 1200 1800 2400-0.30
-0.25
-0.20
-0.15
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
100% ethanol
0% water
56% ethanol
44% water
71% ethanol
29% water
83% ethanol
17% water
91% ethanol
9% water
100% ethanol
0% water
1000_1
1000_2
1000_3
3000_1
3000_2
3000_3
No
rma
lize
d C
ap
acita
nce
(C
-C0)/
C0
Time (s)
Ar, Ar com etanol e ar com etanol e agua
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Influência da vazão – medidas de resistência
-200 0 200 400 600 800 1000 1200 14000.0
4.0M
8.0M
12.0M
16.0M
20.0M
200 Nml/min
400 Nml/min
800 Nml/min
1200 Nml/min
Re
sis
tan
ce
(O
hm
s)
Time (s)
1600 Nml/min
-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
1600 Nml/min
1200 Nml/min
800 Nml/min
400 Nml/min
1000_1
1000_2
1000_3
3000_1
3000_2
3000_3
200 Nml/min
No
rma
lized
Re
sis
tance (
R-R
0)/
R0
Time (s)
A vazão influencia fortemente a constante de tempo do
sinal e não necessariamente a intensidade máxima
Ar e ar com metanol
50
Discriminação de perfumes
-6 -4 -2 0 2 4-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
PC 1 77.8%
PC
2 1
4.5
%
EthanolCK OneEternity LEKrisLagoaTazo
-4 -2 0 2 4-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
PC 1 68.0%
PC
2 1
9.3%
EthanolCK OneEternity LEKrisLagoaTazo
CapacitânciaResistência
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Vinhos
-6 -4 -2 0 2 4 6-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Number of measurements: 12 - WINES01MAXGCMSA.xls
PC 1 36.0171%
PC
2 1
5.1
21
1%
Wine 1
Wine 2
Wine 3
-4-3-2-1012345
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Number of measurements: 45 - WINES013classes.xls
PC 1 43.2212%
PC
2 2
1.3
22
9%
Wine 1
Wine 2
Wine 3
GC-MSE-NOSE
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Discriminação: leite, azeite e chocolate
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Cancer de pulmão e doenças mentais
54
Conclusões
A nanotecnologia é o ramo da ciência que mais cresce, fruto das “menores”
descobertas!!!!
O carbono, tão essencial para a vida na Terra, agora mostra-se essencial
para o progresso tecnológico
O futuro é flexível!
Obrigado!