Introduo Interdisciplinaridade e novas fronteiras Nanotubos de carbono

- Introdução: Interdisciplinaridade e novas fronteiras - Nanotubos de carbono. - Microscopias de Ponta de Prova: fundamentos e aplicações -AFM -STM -MEMS, NEMS e Nanotribologia.

Nanotubos de carbono: . Introdução. Purificação. Propriedades. Potenciais Aplicações

C-C sp 2 distância interatômica: 1. 42 Å Grafite distância interplanar: 3. 35 Å

Diamante: carbono sp 3 C 60 : Carbono sp 2

- M. Hillert and N. Lange, The structure of graphite filaments, Zeitschr. Kristall 111(1958) 24 Imagens TEM de filamentos de grafite - T. V Hughes and C. R. Chambers, US Patent 405. 480 (1889) fibras de carbono

Carbono amorfo Fibras de carbono produzidas por pirólise de benzeno e ferroceno a 1000 o C. A. Oberlin, M. Endo, T. Koyama, J. Cryst. Growth 32 (1976) 335

Paredes múltiplas (MWNT) Parede simples Single wall (SWNT)

1985: Descoberta dos fullerenos; H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O. Brein, R. E. Smaley, Nature 318 (1985) 162. 1991: Observação dos nanotubos de carbono multi-wall por S. Ijima, Nature 354 (1991) 56.

Nanotubos: Estrutura Folha de grafeno Ch a 1 a 2 Vetor chiral (perpendicular ao eixo do tubo: Ch = n a 1 + m a 2

a 1 = a 3/2 x + a/2 y a 2 = a 3/2 x - a/2 y , com a = 2. 46 Å cos = ângulo entre o vetor chiral e a direção zig-zag

Nanotubos: Estrutura diâmetro do nanotubo: d = a 3 (m 2 + mn + n 2 )1/2 / Com a 1. 42 Å (grafite) < a < 1. 44 Å (C 60) ângulo chiral = 0, = ± 30, (m, n) = (p, 0) zigzag (m, n) = (2 p, -p) ou (p, p) armchair p é um número inteiro

Nanotubos: Estrutura

Imagem de STM de dois nanotubos chirais

Nanotubos: Estrutura

Nanotubos: semicondutores e metálicos Singularidades de Van Hove

Nanotubos paredes múltiplas: abertos ou fechados?

A= pentágono e B = heptágono

Produção de Nanotubos de carbono . Arco catódico. Ablação por laser. Deposição Química na Fase Vapor (CVD). Pirólise. Eletrólise

Arco Catódico. Método Kratschmer-Huffman para produção de C 60 modificado. . Catodo de grafite mais espesso que o anodo, também de grafite. . Redução da temperatura é importante para o crescimento de nanotubos.

Arco Catódico Gás: He Pressão: 400 -700 torr Voltagem DC: 20 -30 V Corrente: 50 -100 A Distância entre anodo e catodo menor que 1 mm

Crescimento dos nanotubos C 2 é responsável pela formação dos MWNT

Catalizadores metálicos: SWNT Misturas de Ni-Y : 90% SWNT com raio médio de 1. 4 nm C. Journet et al. , Nature 388(1997) 756

metal

Ablação por laser . Síntese de Single wall nanotubes (SWNT). . Alto grau de pureza. . Nd/Yag, laser de excímeros e laser de CO 2. Uso de catalisadores metálicos. . Produção em pequenas quantidades.

Ablação por laser Gás: Argônio Temperatura: 800 -1200 o. C

DC-PECVD catalisador: filmes finos de Ni tratados térmicamente

Influência da espessura do filme catalisador

Influência da temperatura

Influência da tensão de polarização

Nanotubos multi-wall alinhados

Mecanismo de crescimento na superfície: C 2 H 2 2 C + H 2

Mecanismos de crescimento Difusão no volume

Mecanismos de crescimento Difusão superficial

Carbono difunde ao longo dos planos (100) do Fe e cristaliza no lado oposto do grão catalisador. HREM

Mecanismos de crescimento Difusão no volume

Microwave- PECVD

Hot Filament -PECVD

Eletrólise

Nanotubos alinhados M. Terrones, Nature 388(1998) 53.

Laser Nd: YAG ( 266 nm) Co/ silica Nanopartículas de Co M. Terrones, Nature 388(1998) 53.

SEM images

imagem TEM Distância entre planos 3. 4 Å

Processos Homogênos: Spray-pirólise

Processos em escala industrial: Hi. PCo : (High pressure carbon oxide) reação na fase gasosa usando Fe(Co)5 para obter SWNT – Carbon Nanotechnologies Inc. (Houston, TX) SWNT- arc MWNT-CVD

Métodos de Purificação . Oxidação na fase líquida. Oxidação na fase vapor. Filtração. Cromatografia Objetivos: remover o catalisador (ácidos) remover o carbono amorfo (oxidação)

Partícula metálica removida Estabilidade dos nanotubos x C 60 Partículas metálicas