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Advances in Nanostructured Functional Materials in São Paulo

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Academic year: 2022

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(1)

Advances in Nanostructured Functional Materials in São Paulo

José A. Varela

IQ UNESP and FAPESP varela@fapesp.br

Fronteras de la Ciência en Brasil y España

Madrid 13 y 14 diciembre de 2012

(2)

Ongoing Research Grants 124 Completed Research Grants 244 Ongoing scholarships in Brazil 258 Completed scholarships in Brazil 434 Ongoing scholarships abroad 12 Completed scholarships abroad 26

FAPESP – recent grants and scholarships on

Nanoscience Nanomaterials and Nanotechnology

(3)
(4)

Recent grants and scholarships (1992-2013)

(5)

0 100 200 300 400 500 600

PROJECTS BY AREA

(6)

Main subjects on nanoscience

- Nanoparticles, nanotubes and nanobelts

- Composite – nanotube/nanoparticle and nanotube/polymer - Molecular assembly

- Carbon nanostructured - Metallic nanoalloys

- Graphene layers on silicon carbide - Modeling and simulation

Functionality

- Energy: hydrogen storage, water splitting, solar cells, SOFCs - Catalysis

- Biotechnology

- Sensors: gas and bio - Memories

- Ferromagnetic, Piezoelectric, Ferroelectric and Multiferroics

(7)

PROPOSALS

RESEARCHER

INSTITUTION National Institute for Materials Science in Nanotechnology

E. Longo UNESP

Development and characterization of iron oxide nanoparticles

coated with polymeric cover complexing

H.E. Toma USP

Development of modified electrodes with carbon nanotubes and polyaniline composites

F.R. Simões UNIFESP Development of molecular devices composed of light synthesized

gold nanoparticle

J.A. Bonacin UNICAMP Canada Combining theory, simulations and experiments. applications in

nanotechnology

E. Longo UNESP

Spain

Modeling carbon nanostructured materials A.F. da Fonseca UNESP

Composites based on carbon nanostructures: an application in nanobiotechnology osteogenesis

P. Ciancaglini USP Computational nanoscience for energy materials: hydrogen storage

and production and ethanol catalysis through metallic nanoalloys

A. Antonelli UNICAMP Detection, removal and recovery of heavy metals with functionalized

magnetic nanoparticles

R.M.C. Peña USP

Third generation biosensors based on the interaction among reduced graphene oxide, ionic liquids and oxidase enzymes

S.I.C. de Torresi USP Study of the interaction of nanoparticles and nanotubes with cell

membrane models and possible applications

V. Zucolotto USP

Bond rupture and energy GAP engineering of graphene layers epitaxially grown on silicon carbide: ab-initio calculations

A. Fazzio USP

Some FAPESP Research Grants on Materials Nanoscience

and Nanotechnology

(8)

Metal Nanoparticle

Amorphous Mesoporous Silica Matrix

2m

20nm

Bottom-up

Hybrid materials are composite materials (e.g. ceramic-metal) that have distinct properties or superior performance from the simple materials.

The NanoxClean

(9)

PROJETO COORDINATOR COMPANY

Filmes de DLC para aplicações em superfícies anti-

bacteriana, anti-atrito, espaciais, industriais e para tubos de perfuração de poços de petróleo

Alessandra V Diniz Clorovale Diamantes Indústria e Comércio S.A

Sistema híbrido de armazenamento de energia para

veículos elétricos Fellipe S. Garcia Ekion Tecnologia de Veículos Elétricos Ltda

Biochip micro e nano fabricado para liberação controlada

de fatores de crescimento para regeneração óssea Claudio R. C. Carvalho Nanobionics Biotecnologia e Bioengenharia Ltda

Desenvolvimento de sistema nanoestruturado de alta estabilidade para carreamento de ativos cosméticos com segurança e eficácia

Paula A. Barbugli Nanomed - Nanotecnologia em Saúde e Bem-Estar Ltda

Escalonamento e implementação de controle de qualidade para produção de antimicrobianos nanoestruturados para aplicação em cerâmicas e plásticos

Luiz G. P. Simões Nanox Tecnologia S/A

Nanotecnologia aplicada em catalisadores e filtros

automotivos de exaustão Melchior A. Momesso Nantex Nanotecnologia Experimental Ltda

Filmes com propriedades catalíticas para pistões

automotivos Melchior A Momesso Nantex Nanotecnologia Experimental

Ltda Desenvolvimento de um aditivo nanocompósito

modificador para o elastômero EPDM María V.. C. Oropeza Orbys Desenvolvimento de Tecnologia de Materiais Ltda

Produção de vacina gênica em nanoestrutura lipossomal

para a tuberculose Lucimara G. de la Torre

SMF Bioplus Desenvolvimento Pesquisas Tecnológicas Químicas Ltda EPP

Some FAPESP PIPE Grants on Materials Science and Nanotechnology

(10)

E

v

E

C

E

F0

E

G

E

B0

E

0

ZnO Film Gas

E

v

E

C

E

F0

E

G

E

B0

E

0

ZnO Film Gas

E

v

E

C

E

F0

E

G

E

0

ZnO Film Gas E

B

< E

B0

E

v

E

C

E

F0

E

G

E

0

ZnO Film Gas E

B

< E

B0

Semiconducting Metal Oxide (SMO) Gas Sensors

substrate contact

metal oxide

Oxygen Physisorption:

↑ surface density of states Chemisorption:

↑ surface trapped charge

(11)

20 30 40 50 60 70

(210) (202)

(301)(112)(310)

(002)

(220)

(211)

(200) (111)

(101)

Intensidade / u.a.

2graus

a) b)

(110)

XRD data show SnO

2

phase with preferential orientation for (101) planes.

White deposit

SEM shows nanobelts

2.6 A

TEM: Nanobelts grow in the (101) planes

SnO 2

(12)

SEM: Nanobelts

Black Deposit

TEM: single crystal

Nanobelts: orthorhombic SnO

[110]

110 growth direction

10 20 30 40 50 60 70 80

0 2000 4000 6000 8000 10000

# +

# +

* *

#*# +%

*

*

#

*

*

*

*

*

*

* SnO2

Intensidade / cps

2 / graus

# +

SnO Sn

XRD: SnO only

(13)

Sensor Response to NO 2 – Tin Oxides

Tin oxide nanobelts (SnO

2

, SnO and Sn

3

O

4

).

Suman P.H. et al, manuscript in preparation.

(14)

High Selectivity– Tin Oxides

Tin oxide nanobelts (SnO

2

, SnO and Sn

3

O

4

)

(15)

Sensor Signal – SnO

SnO nanobelt vs SnO disks

Disks presents Giant Chemo-response (GCR)

(16)

Sensor Signal – SnO Disks

Sensor signal and selectivity of SnO disks.

Over 1000x increase in resistance even with

relatively low surface area !!

(17)

CaCu 3 Ti 4 O 12 (CCTO)

Ca +2 Cu +2 O -2

TiO6

Non ohmic property Chung, 2004

Dielectric property Subramanian, 2000

• Intrinsic: electronic states

• Extrinsic: point, linear and planar defects,

electrode/sample interface

effects, microstructural and

general morphology (domains).

(18)

467 466 465 464 463 462 461 460 459 458 457 456 455 CCTO 72h

CCTO 20h 2p1/2

2p3/2

CCTO 3h

458

458.4

457.6 458.9

457.9

Intensity (a.u.)

459.1

Ti 2p

Binding Energy (eV)

946 944 942 940 938 936 934 932 930 928

Binding Energy (eV)

Intensity (a.u.)

933.2

934.8 934.5

933.3

CCTO 72h CCTO 20h CCTO 3h

2p1/2

2p3/2

931.5 931.6 935.2

933.4

931.7

Cu 2p

Samples TiO

5

. /TiO

6

Cu

+1

/Cu

+2

Dielectric constant (1KHz)

CCTO 3 h 0.21 0.80 k

3h

= 13134

CCTO 20 h 0.27 0.85 k

20h

= 27268

CCTO 72 h 0.52 0.92 k

72h

= 380760

V

O

Cu

+2

Cu

+1

TiO

5

.

V

O

TiO

6

Area ratio of the components detected by XPS

X-RAY

PHOTOELECTRON SPECTROSCOPY (XPS)

TiO

5

. V

O

e

-

C u Cu

Creation of polarons electronic defects

(19)

AFM and EFM of CCTO after sintering at 1100 °C for different times

(20)

 Breakdown electrical field (E

b

), leakage current (I

l

) calculated at 20 % of the breakdown electrical field and nonlinear coefficient () obtained for the CCTO system

J (current density) versus E (electric field) plot obtained for the CCTO polycrystalline system

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

-0,03 -0,02 -0,01 0,00 0,01 0,02 0,03

compliance: 10 mA

E (V.cm-1)

CCTO 72 h

= 3 Il = 260 A Eb = 14 V.cm-1

J (A.cm-2 )

1 mA.cm-2 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500

-0,03 -0,02 -0,01 0,00 0,01 0,02 0,03

E (V.cm-1) J (A.cm-2 )

= 5

Compliance: 10 mA

Eb = 1181 V.cm-1

1 mA.cm-2

Il = 177 A

CCTO 3 h

-1600 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 1600 -0,03

-0,02 -0,01 0,00 0,01 0,02 0,03

Compliance: 10 mA

CCTO 20 h

E (V.cm-1) J (A.cm-2 )

= 3

Il = 250 A Eb = 600 V.cm-1

1 mA.cm-2

CURRENT–VOLTAGE CURVES

(21)

I–V hysteresis curve – Effect of Ca excess

stoichiometric

non-stoichiometric

CCTO thin films

(22)

Cross-section and surface FE-SEM images showing the CCTO morphology of the nanostructured film obtained at 300

o

C deposition temperature for 120 minutes.

CCTO Thin films

J.A. Varela et al, J. Am. Ceram. Soc, 93(1)51-54 (2010)

(23)

Image illustrating the Pt/CCTO/Pt MOM configuration used for the electrical characterization of CCTO sputtered nanostructures grown at 300°C for 120 minutes.

(compliance current = 1.0 µA)

I-V curve showing the hysteresis behavior

of an individual CCTO nanorod

(24)

FE-SEM (left) and AFM (right) images showing the cross-section and the surface, respectively, of the nanostructured film deposited at room temperature for 15 minutes.

Image illustrating the configuration of a micro-capacitor based on MOM

configuration

(25)

Characteristic I-V curve for the micro-capacitors based on CCTO sputtered nanorods deposited at room temperature for 15 minutes.(compliance current = 10 µA)

Hysteretic current - voltage curves

Micro-capacitors display a resistive memory phenomenon.

R Tararam et al, ACS Appl. Materials & Interfaces 3(2), 500 (2011)

(26)

Muchas Gracias

Referências

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