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Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales

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Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales

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  1. Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales Javier Méndez Pérez-Camarero Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM) Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)

  2. Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades • Con PropiedadesMecánicas • Con Propiedades Eléctricas • Con Propiedades Magnéticas • Con Propiedades Optoelectrónicas • Materiales Catalíticos • Biomateriales • Materiales Verdes • Materiales Nanoestructurados II. Proyecto de Investigación • Introducción: Sexto Programa Marco • Objetivo • Herramientas • Grupo de Estructura de Sistemas Nanoestructurados • Colaboraciones • Futuras Líneas de Actuación

  3. Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades • Con PropiedadesMecánicas: Recubrimientos, Cerámicas, Vidrios, Materiales de Construcción • Estado del Arte • Recubrimientos • Síntesis • Caracterización • Propiedades • Con Propiedades Eléctricas • Con Propiedades Magnéticas • Con Propiedades Optoelectrónicas • Materiales Catalíticos • Biomateriales • Materiales Verdes • Materiales Nanoestructurados II. Proyecto de Investigación

  4. Materiales prop. Mecánicas Estado del arte • Materiales para el espacio • Fulerenos • Recubrimientos • Láminas delgadas • Cerámicos (Biomateriales) • Conductores Materiales para el espacio, Montero (ICMM) Nanotubos SEM: Recubrimiento de diamante, Albella (ICMM)

  5. Materiales prop. Mecánicas Recubrimientos Síntesis • Métodos Físicos (PVD) • Deposición por Haz de Iones (IBAD) • Bombardeo (Sputtering) • Métodos Químicos (CVD) • Deposición en Fase Vapor de Baja Presión (LPCVD) • Deposición en Fase Vapor por Plasma (PACVD): • RF, microondas Sistema IBAD (ICMM) SEM: recubrimiento de óxido silicio (superficie) (ICMM)

  6. Materiales prop. Mecánicas Recubrimientos Caracterización • Microestructural: SEM, TEM, AFM • Térmica: conducción térmica, expansión térmica • Mecánica: deformación, impacto, indentación • Análisis de superficies: XPS, fotoemisión, Auger SEM: recubrimiento de óxido silicio (ICMM)

  7. Materiales prop. Mecánicas Recubrimientos Propiedades • Resistencia mecánica • Resistencia térmica • Resistencia a la corrosión: inertes • Láminas delgadas • Multicapas TEM (transversal) Multicapas TiN/AlN (ICMM)

  8. Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades • Con PropiedadesMecánicas • Con Propiedades Eléctricas: Baterias,FerroeléctricosPiezoeléctricos y Piroeléctricos, Superconductores... • Estado del Arte • Pizoeléctricos • Síntesis • Caracterización • Propiedades • Con Propiedades Magnéticas • Con Propiedades Optoelectrónicas • Materiales Catalíticos • Biomateriales • Materiales Verdes • Materiales Nanoestructurados II. Proyecto de Investigación

  9. Materiales prop. Eléctricas Estado del arte • Piezoeléctricos (PZT) • Memorias FRAM • Tecnologías de gran precisión • Sensores Nanoposicionado Cristal ferroeléctrico: el átomo del centro se mueve

  10. Materiales prop. Eléctricas Piezoeléctricos PZT Síntesis • Métodos Físicos • Mezcla • Molido • Granulación • Compactado • Métodos Térmicos - Calcinado - Sinterizado • Métodos Químicos: - Sol-gel Piezoeléctricos PZT • Recubrimientos (Electrodos): • Bombardeo • Por Impresión

  11. Materiales prop. Eléctricas Piezoeléctricos PZT Caracterización • Mecánicas: resolución, histéresis • Térmica: dependencia con temperatura Desplazamiento (resolucion <1nm) Dependencia con la temperatura Histéresis

  12. Materiales prop. Eléctricas Piezoeléctricos PZT Propiedades • Piezoeléctricidad - Temperatura de Curie - Coeficiente de enlongacion - Voltaje de ruptura Apilamiento de discos piezoeléctricos Piezoeléctricos PZT

  13. Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades • Con PropiedadesMecánicas • Con Propiedades Eléctricas • Con Propiedades Magnéticas: Multicapas ferromagnéticas, polímeros ferromagnéticos, partículas... • Estado del Arte • Multicapas • Síntesis • Caracterización • Propiedades • Con Propiedades Optoelectrónicas • Materiales Catalíticos • Biomateriales • Materiales Verdes • Materiales Nanoestructurados II. Proyecto de Investigación

  14. Materiales prop. Magnéticas • Nanopartículas magnéticas con usos médicos • Multicapas: válvulas de spin • Memorias monodominio Estado del arte Resonancia magnética del cerebro Memoria de monodominios “Spin valve”: multicapas  GMR Nanopartículas de óxido de hierro

  15. Materiales prop. Magnéticas Multicapas Síntesis • Epitaxia de haces moleculares (MBE) • Co/Cu/Co • FeNi/Cu/FeNi • FeNI/Co/Cu/Co/FeNi • Bombardeo Multicapas ferromagnéticas

  16. Materiales prop. Magnéticas Multicapas Caracterización • Ciclo de histéresis Parkin PRL 71 (93)

  17. Materiales prop. Magnéticas Multicapas Propiedades • Magnetoresistencia gigante • Acople (espesor del separador) Acople ferro o antiferromagnético en función del espesor del separador Magnetoresistencia gigante en multicapas

  18. Materiales prop. Magnéticas Sensor GMR: Geometría CIP Multicapas Aplicaciones • Válvulas de spin, • memorias • lectores Lector de disco magnético Válvula de spin

  19. Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades • Con PropiedadesMecánicas • Con Propiedades Eléctricas • Con Propiedades Magnéticas • Con Propiedades Optoelectrónicas: Materiales Orgánicos,Semiconductores, Cristales Fotónicos... • Estado del Arte • Dispositivos Orgánicos • Síntesis • Caracterización • Propiedades • Materiales Catalíticos • Biomateriales • Materiales Verdes • Materiales Nanoestructurados II. Proyecto de Investigación

  20. Materiales prop. Optoelectrónicas Estado del arte • Dispositivos orgánicos • displays • TFT (polímeros) • CCD • Cristales fotónicos Dispositivo basado en una única molécula orgánica CCD Cristal fotónico (ópalo) de esferas de sílice

  21. Materiales prop. Optoelectrónicas Dispositivos Orgánicos Síntesis • Bombardeo de iones (mascaras) • Estampado • Interferometría • Autoorganización Bombardeo de iones Estampado de un polímero Interferometría

  22. Materiales prop. Optoelectrónicas Transmission Coefficient Energy [eV] Dispositivos Orgánicos Caracterización • Estructural: STM, AFM • Electrónica: diagrama de conducción, teoría • Óptica: elipsometría, IR, Fotoluminiscencia Imagen AFM: transistor formado con un nanotubo Simulación teórica: transmisión en benceno, A. Di Carlo Conducción PTCDA sobre S-GaAs, Park (TUC)

  23. Materiales prop. Optoelectrónicas Dispositivos Orgánicos Propiedades • Alta luminosidad • Crecimiento Autoensamblado • Flexibilidad • Bajo coste • Ecológicos Display basado en materiales orgánicos OLED Visión de Futuro: el ordenador orgánico

  24. Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades • Con PropiedadesMecánicas • Con Propiedades Eléctricas • Con Propiedades Magnéticas • Con Propiedades Optoelectrónicas • Materiales Catalíticos: ZeolitasMetales y Aleaciones,... • Estado del Arte • Zeolitas • Síntesis • Caracterización • Propiedades • Biomateriales • Materiales Verdes • Materiales Nanoestructurados II. Proyecto de Investigación

  25. Materiales Catalíticos Estado del arte • Metales y aleaciones • Paladio, Platino • ternarios • Zeolitas Aluminosilicatos hidratados Zeolitas Materiales híbridos

  26. Materiales Catalíticos Zeolitas Síntesis • Naturales • Magmas ricos en sílice • Sol-gel • - NaOH • NaAl(OH)4 • Na2(SiO3) gel zeolita + nutriente Síntesis de una zeolita

  27. Materiales Catalíticos Zeolitas Caracterización • Estructural: SEM, TEM • Composición de los productos de la reacción o filtrado SEM: Faujasita X Disminución de residuos al aumentar % zeolita

  28. Materiales Catalíticos Zeolitas Propiedades • Materiales porosos • Catálizadores • Filtros • Absorbentes • Ópticas (colores vivos) Estrucutra de poros en una zeolita Porcentajes de Aromáticos a partir de metanol

  29. Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades • Con PropiedadesMecánicas • Con Propiedades Eléctricas • Con Propiedades Magnéticas • Con Propiedades Optoelectrónicas • Materiales Catalíticos • Biomateriales: Metales y Aleaciones, Recubrimientos Cerámicos... • Estado del Arte • Biomateriales • Síntesis • Caracterización • Propiedades • Materiales Verdes • Materiales Nanoestructurados II. Proyecto de Investigación

  30. Biomateriales Estado del arte • todo tipo de implantes • biocompatibilidad Futuros dispositivos implantados Camino de perfección

  31. Biomateriales Biomateriales Síntesis • Recubrimientos • ablación láser • proyección por plasma • oxidación • evaporación Evitar corrosión Biomateriales para implantes

  32. Biomateriales Biomateriales Caracterización • Técnicas electróquímicas • Técnicas de fotoemisión y espectroscopía Auger • SEM, AFM, difracción de rayos X • Estudio de dureza, tracción mecánica, desgaste,... • Estudios in vivo • Biocompatibilidad • Regeneración del tejido Rayos X de una prótesis Crecimiento de tejido en torno a un implante SEM: implante en el interior de un hueso

  33. Biomateriales Biomateriales Propiedades • Cerámicas • Bioinertes • Biactivas • Biodegradables Biomaterial para implante • Biocompatibilidad Aplicaciones • Implantes osteoarticulares

  34. Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades • Con PropiedadesMecánicas • Con Propiedades Eléctricas • Con Propiedades Magnéticas • Con Propiedades Optoelectrónicas • Materiales Catalíticos • Biomateriales • Materiales Verdes • Materiales Nanoestructurados II. Proyecto de Investigación

  35. Materiales Verdes Estado del arte • química verde • materiales biodegradables • biocompatibilidad Materiales verdes

  36. Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades • Con PropiedadesMecánicas • Con Propiedades Eléctricas • Con Propiedades Magnéticas • Con Propiedades Optoelectrónicas • Materiales Catalíticos • Biomateriales • Materiales Verdes • Materiales Nanoestructurados: Láminas Delgadas, Puntos Cuánticos, Nanopoartículas... • Estado del Arte • Puntos Cuánticos • Síntesis • Caracterización • Propiedades II. Proyecto de Investigación

  37. Materiales Nanoestructurados Estado del arte • Nanopartículas • Puntos cuánticos Ge/Si: Cuantum dot CdSe: Nanocristales semiconductores Alivisatos, MRS Bull. XX (95)

  38. Materiales Nanoestructurados Puntos Cuánticos Síntesis • Epitaxia de haces moleculares (MBE) • Bombardeo • Litografía MBE: 1 atomic layer materials • Propiedades de crecimiento GeSi: la tensión superficial induce nanopiramides Teichert Phys Rep 365 (02)

  39. Materiales Nanoestructurados Puntos Cuánticos Caracterización • Fotoluminiscencia • Capacitancia • AFM, TEM, STM Fotoluminiscencia excitada, AlGaAs Weman AFM, InAs/GaAs J.M.García APL 71 (97)

  40. Materiales Nanoestructurados Puntos Cuánticos Propiedades • Estados localizados • Autoorganización 3D • Amplificación de las propiedades • Fotoluminiscencia (laser, LED) Fotoluminiscencia a RT, J.M.García APL 71 (97) Estado localizado: Fe/Cu(111) a 4 K, Eigler GeSi: crecimiento autoorganizado, Teichert Phys Rep 365 (02)

  41. Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades • Con PropiedadesMecánicas • Con Propiedades Eléctricas • Con Propiedades Magnéticas • Con Propiedades Optoelectrónicas • Materiales Catalíticos • Biomateriales • Materiales Verdes • Materiales Nanoestructurados II. Proyecto de Investigación

  42. Líneas de Evolución de los Materiales Funcionales Materiles Funcionales Nanociencia Nanotecnología Multifuncionalidad Multidisciplinariedad

  43. Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales I. Clasificación de los materiales en función de sus propiedades II. Proyecto de Investigación • Introducción: Sexto Programa Marco • Objetivo: "Crecer y estudiar Materiales Orgánicos Nanoestructurados" • Etapas • Requisitos • Futuras Líneas de Actuación

  44. Proyecto de Investigación VI Programa Marco Introducción Líneas de Investigación Nanotecnología Materiales inteligentes N. Procesos Genomic BioTecnología para la salud Tecnología de la sociedad de la información Seguridad alimentaria y riesgos Aeronáutica y Espacio Desarrollo Sostenido Ciudadanos y Gobernancia 1. Nanotecnología y Nanociencia 2. Materiales Multifuncionales 3. Nuevos Dispositivos Fenómenos a escala molecular Nuevos Materiales Nuevos Procesos Instrumentación Conocimiento básico

  45. Proyecto de Investigación Objetivo Crecer y estudiar “Materiales Nanoestructurados Orgánicos” • Propiedades específicas de las moléculas • Amplificación de las propiedades por el carácter local (OQD) y por el carácter periódico • Propiedades nuevas del cristal

  46. Proyecto de Investigación Introducción ¿Cómo conecta con los materiales funcionales? • Con PropiedadesMecánicas • Con Propiedades Eléctricas • Con Propiedades Magnéticas • Con Propiedades Optoelectrónicas • Materiales Catalíticos • Biomateriales • Materiales Verdes • Materiales Nanoestructurados

  47. Idea - Motivación Proyecto de Investigación Objetivo • Redes de agregados de plata sobre aleación de Ag-Pt(111) H.Brune Surface Science Reports 31 (98)

  48. Síntesis, Caracterización y Propiedades de Materiales Funcionales • Clasificación de los materiales en función de sus propiedades • Proyecto de Investigación • Introducción: Sexto Programa Marco • Objetivo: "Crecer y estudiar Materiales Orgánicos Nanoestructurados" • Etapas • Fundamentos • Posibilidades • Integración • Aplicaciones • Recursos • Futuras Líneas de Actuación

  49. Proyecto de Investigación Etapas Integración Aplicación Fundamentos Posibilidades • A.1. Superficies reconstruidas • A.2. Reconstrucciones Inducidas • Adsorción • Redes Ordenadas • Barreras de Difusión • Adsorción • Redes Ordenadas • Superficies Escalonadas • Hilos Dispositivos orgánicos basados en Materiales orgánicos nanoestructurados 1. Reconstrucciones 2. Reconstrucciones inducidas 3. Superficies Escalonadas 4. Materiales Nanoestructurados 5. Propiedades del Material Orgánico Formar Multicapas de material orgánico Nanoestructurado

  50. Proyecto de Investigación Fundamentos A.1 Superficies reconstruidas Relajación de tensiones (strain-relief) Mínimos en la Energía Las esquinas de reconstrucción son mínimos locales de la energía, “atrapan” los adátomos o moléculas en difusión J.Soler JMéndez Au (111) (223)