1Proiect cofinanat din Fondul Social European prin Programul Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013
Investete n oameni!
Elaborarea i Implementarea Programelor de Masterat n Domeniul Micro i Nanomaterialelor - ID 58146
MATERIALE I NANOMATERIALE CU
PROPRIETI ELECTRICE I MAGNETICE PENTRUMICROELECTRONIC I
OPTOELECTRONIC
2Istoria materialelor
3Evoluia tipurilor de materiale artificiale (sintetice)
4I. FUNDAMENTE
1. Materiale functionale
Definitie: materiale avansate care pot indeplini o anumita functie (electrica,
magnetica, termo-mecanica, etc) care determina aplicabilitatea
materialului
2. Materiale multifunctionale
Definitie: materiale avansate care pot ndeplini simultan mai multe funcii,ceea ce presupune prezentarea unor caracteristici multiple, fie din acelaigrup de proprieti, fie din grupuri de proprieti diferite.
Ex: materiale care pot ntruni simultan o serie de proprieti electrice (piro, piezo,feroelectrice, dielectrice), precum i materiale care pot prezenta simultanproprieti electrice i magnetice (multiferoice, magnetoelectrice), electrice ioptice, termo-mecanice i electrice, etc.
Clasificare: - materiale functionale si multifunctionale unitare
(monofazice sau polifazice)
- materiale functionale si multifunctionale compozite
5B. Materiale compozite
I. MATERIALE UNITARE
Definitie:
Materiale unitare = sisteme artificiale omogene care contin o faza
(monofazice) sau mai multe faze (polifazice) interconectate. Aceste sisteme
omogene pot avea o functie (materiale unitare functionale) sau pot intruni
simultan, in ansamblul lor, mai multe functii (materiale unitare
multifunctionale).
Clasificare in functie de dimensiunea unitatilor structurale de baza:
materiale microstructurate
materiale nanostructurate
Ceramica = un material atificial anorganic, nemetalic (oxidic sau neoxidic)
policristalin total sau partial, obtinut prin actiunea energiei termice (prin
tratament termic la temperaturi ridicate) si racire ulterioara.
Sub actiunea caldurii aglomerarea particulelor de materii prime procese fizico-
chimice:
transformari polimorfe;
reactii in faza solida formarea compozitiei mineralogice de interes (compusichimici sau solutii solide)
formarea fazei lichide
6Nanomateriale oxidice
2. Clasificare - in functie de dimensionalitate:
0-dimensionale : nano-pulberi (nano-particule oxidice: nano-sfere, nano-cuburi, nano-ace, nano-batoane);
1-dimensionale : nano-tuburi, nano-bare, nano-fire, nano-panglici, nano-inele, nano-toroizi, nano-arcuri
2-dimensionale : straturi subtiri nanocristaline (grosime < 1 mm), nano-placi, nano-insule
3-dimensionale : straturi groase, ceramici nanostructurate
1. Definitie:
Nanomaterialele = materiale constituite din unitati structurale primare
(particula, cristalit, granula) cu dimensiune de 1 100 nm
3. Abordari:
top-down (corodarea controlata, macinarea sau atritia);
bottom-up (dispersia coloidala, metode fizice si chimice de auto-asamblare);
hibride (litografia: cresterea filmului bottom-up; corodare top-down; tehniciavansate de nanolitografie: cu fascicul de electroni, scriere cu fascicul focalizat de
ioni)
7Unitate structurala primara = formatiune structurala ultima cu caracter
indivizabil si nedispersabil
Particulele monocristaline dimensiunea de particula (determinata din
microscopie electronica de transmisie) = dimensiunea de cristalit
(determinata din XRD)
Particule policristaline formate din mai multe cristalite legate intre ele
prin legaturi chimice (dimensiunea de particula > dimensiunea de cristalit)
Aglomerate ansamblu dispersabil de particule mono sau policristaline
legate intre ele prin legaturi fizice
Pulberi unitatea structurala primara este particula dimensiunea medie de
particula tehnici de microscopie electronica (de transmisie, de baleiaj)
Imagini TEM pentru: (a) particule monocristaline; (b) particule policristaline; (c) aglomerate de particule
Particula
monocristalina
(particula
primara)
Particula
policristalina
(particula
primara)
AglomeratParticula
individuala(a) (b)
(c)
8Particule individuale
monocristaline (TEM) sau dimnesiune de
cristalit (XRD)
Aglomerate sferice (SEM)
Agregate neuniforme
(SEM)
Blocuri partial
sinterizate (SEM)
Imagini SEM pentru: (a) particule monocristaline; (b) particule policristaline; (c) aglomerate de particule
Mod de agregare
complex pentru
pulberi obtinute din
precursori
polimerici
Distributie granulometrica
(b)(a) (c)
946.7 46.8 46.9 47.0 47.1 47.2 47.3 47.4 47.5 47.6 47.7 47.8 47.9
2q (deg.)
Inte
nsity (
a.u
.)
Grosimea la jumatatea intesitatii
maximului de difractie (Full Width at
Half Maximum - FWHM)
Largirea maximelor de difractie:
cristalite mici;
tensiuni interne mari
Cristalitul = insiruire continua de celule elementare si reprezinta o sub-unitate a
unui cristal cristalitele apar ca urmare a defectelor in cristale (dislocatii,
macle, granite la unghi redus, etc).
Dimensiunea medie de cristalit din difractia de raze X.
.
cosCu KD
FWHM
q
0 89
D dimensiunea de cristalit;
lungimea de unda;
q unghiul de difractie;
FWHM - grosimea la jumatatea intesitatii
maximului de difractie (radiani)
Ceramica si straturi (filme) unitatea structurala primara este granula (cristalul)
dimensiunea medie de granula tehnici de microscopie electronica (de
transmisie, de baleiaj) dimensiunea medie granulara dimensiunea de cristalit.
10
(a) Nanostructuri zero-dimensionale
(nanopulberi)
Fig. 8. Imaginea schematica a unei
pulberi aglomerate
Clasificare particule
(a) In functie de dimensiune
< 10 nm 10 - 50 nm 50 - 100 nm(b) In functie de forma:
nano-sfere; nano-cuburi; nano-ace; nano-batoane
Pori deschisi
(interaglomerate si
interparticule)
(pori inchisi)
(pori inchisi)
Clasificare pori
(a) In functie de dimensiune
micropori: < 2 nm mezopori: 2-50 nm macropori: > 50 nm(b) In functie de forma:
sferici; cilindrici, etc.(c) In functie de plasare:
pori interaglomerate; pori intraaglomerate sau interparticule(d) In functie de contactul cu
exteriorul:
pori deschisi pori inchisi
11
Fig. 8. Diagrama schematica a
distributiei dupa dimensiunea de
pori pentru naopulberi aglomerate
si neaglomerate
Fig. 9. Influenta agregarii asupra
densificarii
Densitatea in pulberi:
densitate absolut (exclude porii deschisi si iinchisi (spaiile interparticule sau intraaglomerate) densitate de mpachetare (aparent) includeporii deschisi dar exclude porii inchisi (spaiileinterparticule sau interaglomerate din interior
densitate vrac (bulk) include porii deschisi iporii inchisi
Densitatea absoluta si densitatea aparenta sunt
egale pentru un obiect nanoporos. Daca materialul
are pori mari, fisuri, canale, regiuni convexe
adanci sau cavitati densitatea absoluta
densitatea aparenta
12
Tipuri nanostructurale unidimensionale
Nanostructuri 1D directe: nanofire, nanofibre, nanobare, nanocenturi Nanostructuri 1D inverse: nanotuburi Parametru caracteristic raportul de aspect ( a.r.) = lungime / diametru
1. Nanofir
Diametru = 1- 100 nm a.r. > 20
2. Nanobara
Diametru = 1- 100 nm 1 < a.r. < 20
3. Nanocentura
Sectiune transversala dreptunghiulara
Latimea > inaltimea
4. Nanopanglica
Sectiune transversala dreptunghiulara
Latimea = inaltimea
13
ZnO
Caracteristica importanta raport diametru / lungime
14
ZnO
Fenomene de auto-asamblare (self-assembly)
15
Retele de nanotuburiPZT
BaTiO3
BaTiO3
columnar
Policristalin granulat Policristalin fin
granulat
Caracteristici importante:
dimensiuni cristalit, orientare, grosime film
(c) Nanostructuri bi-
dimensionale (filme
subtiri)
16
(c) Nanostructuri tri-dimensionale
1. Straturi groase nanocristaline
2. Ceramici nanostructurate
- dimensiune de granule < 100 nm
Strat gros multidepunere de BaTiO3
Ceramica naostructurata de BaTiO3obtinuta prin sinterizare SPS
d ~ 30 nm
500 nm
17
Tipuri de auto-asamblari pentru BaTiO3 pornind de la precursori
nanotuburi si nanofire de tip Na2Ti2O7
Precursor de tip
nanotuburi Na2Ti2O7
Structuri de BaTiO3auto-asamblate
pornind de la
nanotuburi Na2Ti2O7
- hexagoane;
- structuri tip coral
- plachete aglomerate
- structuri tip fulgi de
zapada
- cuburi
18
- hexagoane;
- structuri tip stea de
mare
- structuri tip sabie
- fire
- cuburi
Structuri de BaTiO3auto-asamblate
pornind de la nanofire
Na2Ti2O7
Precursor de tip
nanofire Na2Ti2O7
19
Influenta concentratiei solutiei de Ba(OH)2 si a temperaturii de reactie hidrotermala asupra
morfologiei si procesului de autoasamblare pentru BaTiO3 preparate din : (a) nanotu
