Forskjell mellom versjoner av «TMT4320 - Nanomaterialer»

Revisjonen fra 24. nov. 2009 kl. 11:15

Emnet skal gi en innføring i grunnleggende kjemisk prinsipper for å lage nanomaterialer. Stikkord: "Self-assembled" monolag (SAM) og hvordan disse kan formes ved myk litografi og "dip pen" nanolitografi, syntese av tredimensjonale multilag strukturer. Tynne filmer ved kjemisk gassfase deponering. Syntese av nanopartikler, nanostaver, nanorør og nanoledninger. Våtkjemiske syntese av oksidbaserte nanomaterialer. "Self-asembly" av kolloidale mikrokuler til fotoniske krystaller, porøse nanomaterialer, blokk-kopolymere som nanomaterialer. "Self assembly" av store byggeblokker til funksjonelle anordninger.

Kompendium

Det finnes et kompendium i faget: Kompendium i TMT4320 - Nanomaterialer

"Size effects"

Ting som kan påvirkes og endres av at en parikkel blir mindre:

• Gitterparameter. Ofte sammentrekning som årsak av press fra overflaten. Men kan også bli større!
• Krystallsruktur.
• Magnetisme (para/ferro)
• Morfologi. Ettersom krystallen ønsker å tilstrebe minimum fri energi, og de forkjellige krystallplanene, kantene og hjørnene har forskjellig overflatespenninger. Man kan finne likevektsformen via en Wulffkonstruksjon.
• Smeltetemperaturen senkes når en partikkel blir mindre.
• Båndgap øker og man kan oppleve en forflytning og smalning av valensbåndet til overflaten.
• I legeringer kan man oppleve overflatesegregeringer. Atomene med lavest overflatespenning søker ut mot overflaten. Denne effekten forsterkes om disse atomene også er større, og om dannelsen av legeringen er endoterm. Overflater med lav atomtetthet fasiliterer også en segregering.
• Høy reaktivitet ettersom overflate - volum raten er stor.

Å lage f.eks. nanopartikler, nanopulver osv...

Man lager ofte nanopartikler ved utfelling. Utfelling kan skje på to måter: Nukleering, eller spinodal dekompnering. For nukleasjon må man ovekomme en energibarriere, satt av forholdet mellom skapt overflateenergi og reduksjon i indre energi. Spinodal dekomponering har ikke en slik barriere, og faseutskilling skjer homogent gjennom hele løsningen.

Man ønsker ofte: Å kunne kontrollere størrelsen på partiklene, og ha minst mulig spredning i størrelse. Da må dette til:

• Kontrollere nukleering. Helst rask nukleering, slik at partiklene begynner å vokse på samme tidspunkt.
  • F.eks Bruk av forløpere og kjemiske reaksjoner slik at nukleering skjer gjennom hele løsningen. Man ønsker minst mulig konsentrasjonsgradient.
• Kontrollere vekst. Å kunne stoppe veksten når partiklene er store nok.
  • En energibarriere for videre vekst må til, f.eks ved kompleksering.
• Kontrollere aggregering, flokkulering, kalesens og ostwald ripening osv.
  • Elektrostatisk / sterisk repulsjon.

Nanopulver ved gassfasesyntese

Man fordamper et metall, og ved avkjøling vil dampen nukleere til nanopartikler og danne nanopulver. Man ønsker spesifikt overflateareal nærmest mulig det teoretiske (minst mulig aggregering og koagulering). Stor overmetning (altså stort damptrykk i borhold til mettet damptrykk) fasiliterer en mindre kritisk størreslse for vekst, altså raskere vekst og mindre partikler om man klarer å stoppe veksten. For å holde partiklene dispergert kan man senke temperaturen, eller dispergere partiklene kontinuerlig ved gasstrøm.

• Teknikker: Plasmafordamning, laserpyrolyse, direkte fordamning.

Man kan også lage nanopulver av legeringer, men da ender man ofte opp med litt annerledes komposisjon i pulveret iom. at metallene i legeringen har forskjellig damptrykk.

Superkritiske væsker

Superkritiske væsker (SV) er definert som et mellomstadie mellom væske og gassfasen. Over en kritisk temperatur (og ved et kritisk trykk) endres mange av væskens egenskaper, som viskositet, Diffusjonskonstant og tetthet raskt. Tettheten av henger av trykk og temperatur. Større trykk gir større tetthet. Større tetthet gir også større løselighet. I en SV finner vi også varmeledningsfenomenet "piston-effekten".

Dette med at store endringer i tetthet, løselighet og diffusjon kan skje raskt utnyttes i industrien. Bruksområder: Syntese, ekstraksjon og å gjøre et materiale renere (purification).

Syntese: Man kan lage nanoskalamaterialer med smal størreslesdistribusjon. Eksempel: Utfelling. Løse et stoff i SV. Ved å senke trykket minker løsligheten drastisk. Stor overmetning, og utfelling av nanopartikler. Viktig å huske at ved stor overmetning er kritisk størrelse for nukleering mindre, og vi kan få mindre partikler. Man kan også skape tynnfilmer på denne måten.

Magnetisme i nanomaterialer

Motivasjon: Om man kan bruke magnetiske nanopartikler i datalagring øker lagringstettheten drastisk.

I magnetiske nanopartikler under en kritisk størrelse finnes det kun et magnetisk domene (kun 1 retning for magnetiske moment). Dette kan man utnytte i datalagring ved å lese av retningen, eller skrive ved å snu retningen til momentet. Når temperaturen øker, vil den termiske energien føre til at de magnetiske dipolene svinger. Dette skjer som regel allerede langt under romtemperatur. Termisk stabilitet er avgjørende for å kunne bruke NP'ene som datalagringsenheter.

Andre utfordringer er å kunne arrangere nanopartiklene i et strikt mønster på en flate, og selve lesingen og skrivingen.

Eksterne linker

• NTNUs fagbeskrivelse
• Timeplan Høst09