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Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2: Materiali Nanostrutturati - Lezione 2 - Vanni Lughi [email protected] 040 558 3769 Dipartimento di Ingegneria e Architettura Università degli Studi di Trieste Università degli Studi di Trieste Dipartimento di Ingegneria e Architettura A.A. 2021-2022

Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

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Page 1: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici

Modulo 2: Materiali Nanostrutturati

- Lezione 2 -

Vanni Lughi

[email protected] 558 3769

Dipartimento di Ingegneria e ArchitetturaUniversità degli Studi di Trieste

Università degli Studi di TriesteDipartimento di Ingegneria e Architettura

A.A. 2021-2022

Page 2: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Esame e criteri di valutazione

Modalità d’esame e criteri di valutazione• Ricerca bibliografica su argomento a scelta• Homework• Valutazione finale:

– Presentazione e discussione della ricerca bibliografica (10 punti)– Partecipazione e homework (5 punti)– Domanda a scelta dello studente (5)– Domanda a scelta del docente (10 punti)

Appelli• Ufficiali (previa conferma)• Su appuntamento (collettivo)

Page 3: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Previous lectures: Review

• Course “instructions”

• Definition of objectives and overview ofcourse content

Page 4: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Homework #1

Identify «hot topics» in the nanoworld. Classify themaccording to: societal challenges, key enablingtechnologies, applications

Societal Challenges:

- Health and Wellbeing

- Secure, green, efficient energy

- Food and Waste

Key Enabling Technologies

- Micro- and nanoelectronics

- Advanced Materials and Advanced Manufacturing

- Photonics

- Biotechnology (industrial)

Page 5: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

This lecture: Content

• Examples of what is nano and what is not

• Surfaces and interfaces (see lecture notes)

– Review of relevant thermodynamic definitions

– Fundamentals on surface energy and chemicalpotential

Page 6: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

When “nano” is actually “nano”?

• Example 1: Thin films

Mechanical properties (e.g. strength) Electrical properties (e.g. resistivity)

bulknano

g

inTSd

K Hall-Petch

t

KfinfTS ,, (t: film thickness)

Strength increases for thin films Resistivity increases for thin films

Bulk limit

The “nano” limit is different for different materials properties

Page 7: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

When “nano” is actually “nano”?

• Example 2: Spherical particles

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 2 4 6 8

Stre

ngt

h [

GP

a]

Particle size [m]

Alumina particles

Mechanical properties (e.g. strength) Optoelectronic properties (e.g. color)

Yoshida M et al., Rev. Sci. Instrum. 76, 093905 (2005) L. Cozzarini, PhD Thesis, 2012

Energy of the first absorption peak

Page 8: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Importance of Surface

• Fraction of surface atoms increases rapidly when size drops

Page 9: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Importance of Surface

For a compact structure with coordination 12:

Number of surface atoms, S:

S = 10n2 + 2(n is the number of shells)

Page 10: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Importance of Surface

Surface energy

Forces acting on bulk and surface atoms

TPA

Gs

,

Page 11: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Importance of Surface

Total surface energy increase

Page 12: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Importance of Surface

Total surface energy increase

Page 13: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Where are we?

2. Design di materiali nanostrutturati

– Fondamentali: stato solido, approfondimenti di fisica e chimica (anche sparsi durante il corso)

– Proprietà alla nanoscala

– Attività seminariale sulla modellazione

– Esempi in cui la nanostruttura determina le proprietà e di come queste possono essere "previste“:

• quantum wells; banda intermedia; nanocompositi; opali artificiali; modificazione dell'energia superficiale mediante nanocoatings; etc.

Page 14: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

• Effect of size on vapor pressure

(This is a curvature effect!)

Importance of Surface – Properties at the Nanoscale

Page 15: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

• Melting point vs size

Gold nanoparticles

Importance of Surface – Properties at the Nanoscale

𝑇𝑏 − 𝑇𝑚 =2𝑇𝑏

∆𝐻𝜌𝑠𝑟𝑠𝛾𝑠 − 𝛾𝑙

𝜌𝑠𝜌𝑙

23

Page 16: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

• Inhibition of phase transformation in zirconia

Driving force to transformation:

where

For stress-free, undoped spherical zirconia particles:

A critical particle radius exist, for which the tetragonal phase is thermodynamically stable

(5 to 10 nm for pure zirconia powders, 30 nm for solid ceramics)

Importance of Surface – Properties at the Nanoscale

Page 17: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Thermodynamicsof surface-intensive systems

Surface tension(also: surface energy, surface free energy, etc.)

Chemical potential

ad-hoc term𝐺 = 𝑈 − 𝑇𝑆 + 𝑃𝑉 + 𝜇𝑁 + 𝛾𝐴

Page 18: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Surface thermodynamics- Gibbs’ approach -

«excess quantities»

surface of area A

In general gs = γonly in pure single component systems

Page 19: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Estimates of surface energy

Surface energy is of the same order of the surface tension FL:FL

Estimate of for a (111) surface in a compact structure leads to:

us = 0.25 Ls/Na [J/surf. atom]

Considering that = us + Pvs - Tss

we need to take into account entropy effects:

= 0.15 Ls/Na [J/surf. atom]

Ls: sublimation latent heatNa: Avogadro

ST P

Page 20: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Close-packed Structures

Page 21: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Corrections to surface energy estimates:Surface reconstruction

Minimization of energy - Entropy increases

Page 22: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

High Index Planes (Vicinal Surfaces)

Page 23: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Surface Energy of High Index Planes

a

22)sin(cos

auS

E

0

Page 24: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Surface Energy of High Index Planes

a

22)sin(cos

auS

us

0

Page 25: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Wulff ConstructionEquilibrium shape of an isolated crystal

i

ii AMinimize

Gibb’s theorem:

Also a way to find the surface energywhen the shape of a crystal is known

Page 27: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Equilibrium shape:Roughening Temperature

• The surface energy depends on temperature :

ST P

Gold at 1000°CFacets tend to disappear upon increasing temperature

Page 28: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Take-home message

• Importance of the surface

• Homegame: for a system containing a givenamount of material, calculate how the surfacearea increases when the size of the system’selement decrease

Page 29: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Surface energy minimization

1. Surface mechanisms

• Surface relaxation

• Surface reconstruction

• Chemi- or physisorption ofspecies at the surface

• Surface segregation

BaTiO3/SrTiO3

Si (111), 7x7 reconstruction

Surface mechanisms ofenergy minimization are of major importance in

nanostructures

More than one dangling bond per atom

Importantconsequenceson doping ofnanostructures

Page 30: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Surface energy minimization

2. Individual structure mechanisms

• Isotropic systems (liquids, amorphous solids): Total surface area minimization

• Anisotropic systems (solid crystals): Minimize

Wulff’s theorem

i

ii A

Page 31: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Surface energy minimization

3. Overall system mechanisms

• Aggregation of individual structures

• Formation of new structures– Sintering

– Ostwald ripening

Page 32: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Agglomeration - aggregation

• Chemical bonds

• Physical bonds (Van der Waals)

Page 33: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Sintering

Mechanisms in diffusion controlled sintering:

Mechanism Source of matter

1. Surface diffusion Surface

2. Vapor transport Surface

3. Lattice diffusion Surface

4. Lattice diffusion Grain boundary

5. Boundary diffusion Grain boundary

6. Lattice diffusion Dislocations

1

23

4

56

•All mechanisms are driven by surface area reduction•All lead to neck growth•Only mechanisms 4, 5, and 6 lead to densification

Page 34: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Sintering

• Stage 1:

Initial neck growth

• Stage 2:

Large necks, cylindricalinterconnected pores

• Stage 3:

Isolated, spherical pores

1

2

3

200 m100 m

Page 35: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Sintering rate (time) diagrams

Rates are driven by the curvature difference

nKDAdt

dr

More to come!

Page 36: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Sintering conditions

• Low porosity• Densification

• High porosity• No Densification

Page 37: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Ostwald ripening- curvature and chemical potential -

Young – Laplace equation

r

2

Gibbs – Thompson equation

rS

STk c

B

2ln

Page 38: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Ostwald ripening- curvature and chemical potential -

Driving force for Ostwald ripening

21

112

rr

r1

r2

1. Dissolution

3. Precipitation

Page 39: Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici Modulo 2

Ostwald ripening

Consequences:

• Exaggerated grain growth in sintering

• Growth of nanocrystals in solution:– Can either focus or broaden the size distribution