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Analisi e caratterizzazione di materiali nanostrutturati per
dispositivi e sensori
Dipartimento di Ingegneria – Università del Sannio
CNR-INFM Coherentia, Napoli
Distretto dei Materiali Polimerici IMAST, Portici
OUTLINE
• Cosa si intende per materiale nanostrutturato• Realizzazione di materiali nanostrutturati in matrici polimeriche• Caratterizzazione • Possibili applicazioni• Conclusioni• Appendice: Bismuto
Cosa si intende per materiale nanostrutturato
Un solido le cui dimensioni siano nell’ordine delle centinaia di nanometri (100 10-9 m) o menoI Metalli in particolare su questa scala di dimensioni possono essere caratterizzati da nuove proprietà fisiche:
• Abbassamento del punto di fusione• Superparamagnetismo• Proprietà ottiche non-lineari
Utilità ???
• Dobbiamo far si che le proprietà “nano” diventino macroscopiche• Inseriamo il nanomateriale in una matrice polimerica• Cerchiamo di ottenere una distribuzione uniforme di nanocariche• Otteniamo un materiale ibrido
Realizzazione di materiali nanostrutturati in matrici
polimeriche• Si utilizzano precursori metallici aggiunti alla matrice polimerica• Mercaptidi: sono composti solfo-organici la cui struttura è costituita da un atomo metallico legato ad uno o più atomi di zolfo• Sono caratterizzati da una sintesi piuttosto semplice e da un’elevata compatibilità con i polimeri• Come metallo è stato impiegato Ferro
Mercaptidi
• Mercaptide ferroso: Fe(SC12H25)2 Fe(II)• Mercaptide ferrico: Fe(SC12H25)3 Fe(III)
Matrici polimeriche
• Polistirene e Polivinilcarbazolo (PVK) • Entrambi solidi a T amb e trasparenti alla luce inoltre il polistirene è termoplastico
polistirene PVK
Realizzazione: fase finale
• Mercaptide e polimero vengo sciolti in cloroformio e miscelati• Trattati con ultrasuoni• Trattati termicamente a 250°
Campioni
• Più o meno trasparenti a seconda della durata del trattamento termico• Dello spessore di qualche decimo di mm
Spin coating
Caratterizzazione
• Strutturale: Microscopia a trasmissione elettronica (TEM) - Diffrattometria a raggi X• Ottica: Spettrofotometria• Magnetica: Magnetomentro a campione vibrante (VSM)• Magneto-Ottica: Pump-probe (working in progress)
TEM
La Microscopia Elettronica a Trasmissione (TEM) permette di ottenere immagini d’elevata risoluzione (circa 3Ǻ) prodotte da elettroni ad alta energia (100 KeV) trasmessi su uno schermo fluorescente o su una lastra fotografica. Tali elettroni incidenti, altamente energetici, interagiscono con gli atomi del campione producendo una radiazione caratteristica, le particelle risultanti forniscono informazioni sulla caratterizzazione del materiale. L’ informazione è ottenuta dagli elettroni trasmessi, sia deviati sia non deviati, dagli elettroni secondari e retrodiffusi, e dai fotoni emessi
TEM
TEM polistirene-Fe(II)
TEM polistirene-Fe(III)
Diffrattometria a raggi X
In questa tecnica un fascio di raggi X (collimato da una o più fenditure) viene inviato sul campione da studiare ad un certo angolo di incidenza; dopo aver interagito con il materiale, i raggi X vengono poi raccolti dalla parte opposta rispetto al campione, con un opportuno rivelatore. Per effetto della diffrazione il fascio in uscita presenta dei massimi di intensità per alcuni angoli di incidenza/uscita che contengono informazioni sulla composizione e sulle fasi cristallografiche del materiale, sulle dimensioni dei cristalli, sugli strain del reticolo, sulle caratteristiche di bordo grano
Diffrattometria a raggi X
Polistirene - Fe(II)
Diffrattometria a raggi X
Polistirene - Fe(III)
Magnetite Fe3O4
2θ Nanocomposito (dǺ) Bulk Fe3O4 (dǺ)
35.360 2.53 – 2.54 2.532
30.105 2.96 – 2.97 2.967
43.150 2.09 – 2.1 2.099
53.570 1.71 – 1.72 1.715
57.045 1.61 – 1.62 1.616
62.445 1.48 – 1.49 1.485
Magnetite Fe3O4
Spettrofotometria
legge di Lambert-Beer
Spettrofotometria polistirene-Fe(II)
300 400 500 600 700 800 9000
1
2
3
4
Abs
orb
ance
(a
.u.)
Wavelenght (nm)
Spettrofotometria polistirene-Fe(III)
300 400 500 600 700 800 9000,0
0,5
1,0
1,5
2,0Abs
orba
nce
[a.u
.]
Wavelenght [nm]
Magnetometro a campione vibrante
• Il campione è posto in un campo magnetico uniforme ( max 2 Tesla )• H induce nel campione un momento magnetico m• Il campione viene fatto vibrare al una frequenza di qualche decina di Hz• A causa di questa oscillazione una tensione viene indotta ai capi di apposite bobine di acquisizione poste a ridosso del campione medesimo. Questa tensione ha un valore proporzionale alla magnetizzazione M=nm
Magnetometro a campione vibrante
Ele
ttro
mag
nete
Pick-up coil
Sonda di Hall
Asta vibrante con campione
Magnetometro a campione vibrante
Curva di isteresi
Magnetometro a campione vibrante
VSM Lake Shore 7404
Magnetometro a campione vibrante
Polistirene
-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000-0,0004
-0,0002
0,0000
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008em
u
Gauss
Magnetometro a campione vibrante
Polistirene Fe(II) 3% in peso
-2000 -1000 0 1000 2000-0,008
-0,006
-0,004
-0,002
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008e
mu
Gauss
Magnetometro a campione vibrante
Polistirene Fe(II) 5% in peso
-2000 -1000 0 1000 2000
-0,008
-0,006
-0,004
-0,002
0,000
0,002
0,004
0,006
0,008em
u
Gauss
Magnetometro a campione vibrante
Polistirene Fe(II) 10% in peso
-2000 -1000 0 1000 2000-0,008
-0,006
-0,004
-0,002
0,000
0,002
0,004
0,006
emu
Gauss
Magnetometro a campione vibrante
Polistirene Fe(III)
-4000 -2000 0 2000 4000
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3 3 % 5 % 10 % 20 % 30 %
M
omen
t [em
u/g]
Magnetic Field [Oe]
Pump-probe
Sorgente laser
Campione
Beam-splitter
Linea di ritardoP
um
p
Pro
be
Pump-probe
Pump-probe MOKE
Applicazioni: rotazione di Faraday
Isolatore ottico – Modulatore ottico
45°
Isolatore ottico – Modulatore ottico
Conclusioni
• E’ stata messa a punto una tecnica per realizzare plastiche magnetiche• I campioni realizzati hanno avuto un’ampia caratterizzazione• E’ in corso la caratterizzazione di campioni con diversa matrice polimerica• I materiali realizzati si prestano a molteplici impieghi nel campo della magneto-ottica
Bismuto
Mercaptide di Bismuto Curva di magnetizzazione PS-Bi
Effetto Seebeck