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

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