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LABNANO/CBPF: Novas oportunidades em Ciência,

Tecnologia e Inovação na Nanoescala no RJ?

Rubem L. Sommer

Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas http://www.cbpf.br

Ministério da Ciência,

Tecnologia e Inovação

Sumário -Nanotecnologia

-Estratégias e Infraestrutura em Nanotecnologia: uma comparação

– Estados Unidos – Europa – Brasil

-LABNANO/CBPF

- Equipamentos

- Micro e Nanofabricação

- Microscopia Eletrônica

- Estrutura de gestão

- Como acessar

- Financiamento

- Atividades educacionais

- Projetos em Andamento

-Perspectivas e Conclusões

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Nanotecnologia

Definição americana (NNI)

"Nanotecnologia é a compreensão e o controle da matéria em dimensões na

faixa 1-100nm, onde fenômenos únicos levam a novas aplicações.

Abragendo Ciência, Engenharia e Tecnologia na nanoescala (1-100nm), a

Nanotecnologia envolve imagear, mensurar, modelar e manipular a matéria

nesta escala de tamanhos."

"...Propriedades físicas, químicas e biológicas não usuais podem surgir em

materiais na nanoescala. Estas propriedades podem diferir muito das

propriedades dos materiais em sua forma massiva ou em quando isolados

em átomos ou moléculas únicos. "

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Nanotecnologia = cruzamento de várias

rotas

NANOTECNOLOGIA(S)

Biologia DNA

Proteínas

Lab On a Chip

Física

Materiais Estruturação de

Superfícies

Ciência

Fundamental

Química Superfícies Polímeros

Catálise Síntese

Infra-estrutura ( Produção)

1. Rotas Químicas (hardware barato, material de consumo pode ser caro e não disponível

no Brasil)

2. Rotas Físicas (fundamental para DISPOSITIVOS: grande variedade de preços. Preço

vai com o nível de vácuo. Infelizmente, o Brasil não tem uma indústria de vácuo forte e

não tempos aço inox para aplicações UHV com preços razoáveis

• Sistema de Sputtering grande + evaporadora por e-beam: US$400k

• ALD : de US$ 150k e sem limite de preço.

• MBE: U$ 500k -

• Laser Ablation: US$ 100k - US$ 300K (pesquisa)

3. Nanofabricação com técnicas litográficas

• AFM (US$ 150k - US$ 600k)

• E-beam (US$ 150k - US$ 2M)

• Advanced Optical Lithography (com distorção das máscaras) (US$ 500k a

muitos US$ M para produção)

• FIB (dual beam: US$ 1M – US$ 2M)

• Laser Writing: US$ 200k – US$1M

• Nanoimprint: US$ 200k -

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Infra-estrutura ( Caracterização química, estrutural, elétrica etc na nano

escala)

1. Microscopias

• HR-TEM (FEG): US$ 1M (naked) - US$ 5M (subangstron full packed)

• HR-SEM (FEG): US$ 400k - US$ 1M

• AFM: US$ 75k – US$ 600k

• STM: US$ 500k a US$ 2M

• XPS e outras técnicas de caracterização de superfícies: US$ 1M -

US$ 2M.

2. Nanomanipuladores: US$ 160k cada

3. Nanocontatos : US$ 100k cada

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Estratégias em Nanotecnologia ao

Redor do Mundo

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Estados Unidos Forte Programa de Pesquisas em todas as áreas do conhecimento antes do aparecimento do

termo “nanotecnologia”.

2000 : National Nanotechnology Innitiative NNI: www.nano.gov

Objetivos da NNI

1. Avançar P&D de alto Nível em Nanotecnologia;

2. Estimular a transferência e uso de novas tecnologias em produtos para o benefício

comercial e do público em geral;

3. Desenvolver e manter recursos educacionais, uma força de trabalho altamente treinada e

infraestrutura e ferramentas adequadas ao avanço da nanotecnologia;

4. Dar suporte ao desenvolvimento responsável da nanotecnologia.

Áreas que compõem a NNI

1. Fenômenos e Processos Fundamentais na Nanoescala

2. Nanomateriais

3. Sistemas e Dispositivos na Nanoescala

4. Pesquisa em Instrumentação, Metrologia e Padrões para Nanotecnologia

5. Nanofabricação

6. Grandes Facilidades de Pesquisa e Aquisição de Instrumentação

7. Ambiente, Saúde e Segurança

8. Aspectos Sociais e Educacionais

8

Infra-estrutura Americana em Nanotecnologia e Nanociências

Abordagem Múltipla: Institutos Nacionais, Nanocenters, Arranjos

Locais, Universidades

NNI Centers Redes de Excelência

Nanoscience Labs: “Most Sofisticated Nanoscience Labs in the World”

Programas para atrair pesquisadores de um conjunto de

disciplinas para facilitar novas descobertas

Centros e Redes fornecem suporte a academia, indústria e

laboratórios governamentais (multidisciplinary research = besides

excellent basic research + new relationships that enhance the transition

from basic research results do DEVICES and APPLICATIONS).

59 Centers (exclusivos em nano)

+ 19 Centers (nano outros temas) = 78 NNI Centers

+ 6 Redes

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Orçamento Federal (USA) para Nanociência e Nanotecnologia

(NNI)

Source: Richard M. Russel NNI meeting 2010 – 2013: US$ 1.8 billion

Verbas para Nanotecnologia e Nanociências (NNI-US):

fração do PIB

Ano PIB (Verbas para a NNI)

2009: US$ 14.33 trillion (NNI: US$ 1.69 billion = 0.012%PIB)

2010: US$ 14.72 trillion (NNI: US$ 1.91 billion = 0.013% PIB)

Brazil (2010): US$ 2.09 trillion (0.013%PIB = US$ 272.2 million: um

sonho?)

2011: (NNI: US$ 1.85 billion)

2012: (NNI: US$ 2.12 billion)

2013: (NNI: US$ 1.80 billion )

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EUROPA

Fortes Programas de Pesquisa em Todas as Áreas do

Conhecimento antes do aparecimento do termo

“nanotecnologia“

Três divisões:

- European Nanotechnology Action Plan

- Nanoelectronics

- Nanomedicine

Areas do Programa Europeu: Pesquisa (public + private)

Inovação Industrial

Infraestruturas

Educação

Aspectos Sociais e Éticos

Riscos ligados a Nanotecnologia

Regulação e Normas

Cooperação Internacional / Diálogo Internacional

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EUROPA

Abordagem Múltipla e Diversificada:

- Institutos Nacionais

- Institutos Europeus

- Facilidades em Rede

- Estímulo a Competitividade e articulação no âmbito da EU

VERBAS PÚBLICAS

Ano: PIB (verbas para NANO)

2009: EURO 11.80 trillion (207 million = 0.018%GDP)

2010: US$ 16.28 trillion

2011: Meta 4% do PIB para P&D (1/2 public funds, EURO 207 million para

nano (sem fotônica e outras áras que têm programas separados).

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BRAZIL

Source: Luxresearch - Nanotech and its Growing Influence in the International Market (NanotecExpo 2006 - SP)

Brasil

Programa de Micro e Nanotecnologias

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Background

– Fundos Setoriais (a partir de 2002)

– Universidades (papel importante do CT-INFRA)

– Redes

– PRONEX

– INCTs

– Laboratórios Estratégicos

– Institutos Federais de Pesquisa

– Mobilidade Acadêmica: PROCAD, PROCAD-NF, CAPES-COFECUP, CAPES-DAAD, CIAM, etc (Programa Ciência sem Fronteiras?)

Brasil - Programa de Micro e Nanotecnologias

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2005-2010

– 7 Laboratórios Estratégicos Nacionais

– LNNANO, LNLS, CETENE, CBPF, LRNano (POA), EMBRAPA (SCarlos)

– 3 Redes Regionais (CETENE, LABNANO/CBPF, LRNano)

- 10 Redes Temáticas

- 15-16 INCTs

2011

- Paralização no Programa (execução de metas mínimas)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45U

S$

mil

lio

n

2004 2005 2006 2007 2008 2009

Fundos para Nanotecnologia no Brasil

2010: US$ 4 million

2011: US$ 3.5 million

2012: US$ 3.0 million

Brasil - Programa de Micro e Nanotecnologias

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2012

- Comitê Interministerial de Nanotecnologia (coordenado pelo MCTI): MCTI, MA, MDIC, MS, ME, MD, MME, etc (Fundo Setorial Nano?)

- SisNANO (estruturação da infra-estrutura e priorização de investimentos. Lab. Estratégicos x Lab. Associados.

- IBNANO (2013-1015) NNI brasileira - lançamento previsto para agosto. Haverá $?

- Possível Criação de dois Labs. de Referência em NANO.

LABNANO/CBPF

1º Nanocenter Brasileiro

- Laboratório Multiusuário de Nanotecnologia e Nanociências

- Open facility (estilo LNLS)

- Facilidade Regional Estratégica para impulsionar a fabricação

e caracterização de nanoestruturas com foco em nanolitografia

por feixe de elétrons e microscopia eletrônica analítica.

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Localização: Sede do CBPF (rua Dr. Xavier Sigaud 150, Urca)

20

Construção

21

Construção

22

LABNANO/CBPF

1º Nanocenter Brasileiro

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LABNANO/CBPF: Nanofabricação

RAITH e_LINE electron beam nanolitography engineering workstation

- Baseada em um MEV-FEG

- 2nm de resolução de imagem e limite teórico de escrita

- Permite escrever qualquer desenho sobre um resist especial com resolução melhor do que

20nm. Sem erros de alinnhamento de campos de escrita quando no modo feixe fixo/amostra

móvel.

- O sistema é baseado em uma mesa interferométrica que move o subtrato (até 4").

- Quando operando no modo feixe fixo/amostra móve, o equipamento pode escrever uma liha de

até 4" com a sua resolução máxima, sem erros de alinhamento de campos de escrita.

-Equipado com um sistema de injeção de gases que permite escrever com W, Pt, etc a partir de

gases precursores organo-metálicos.

Diferencial: Nanofabricação

Litografia por feixe de elétrons

Técnicas de Liografia: visão geral

Stepper

Litografia

Ótica

Produção 100 nm 5-10 M US$

Alinhador de

Máscaras

Pequeno Batch

P&D 500 nm 0,5 M US$

Próxima

Geração EUV, X-ray

SCALPEL Produção

<< 50 nm

(2010) > 10 M US$

Fabricação de

Máscaras Litografia

Feixe de

Elétrons

Produção 50 nm > 5 M US$

Escrita Direta Pequeno batch

P&D < 10 nm 0,1 - 5 M US$

Técnicas de

Ponta STM, AFM,

Dip Pen

P&D

Muito Lentas

< 10 nm << 0,5 US$

Ferramenta Aplicação Menor Dim. Custo

Escrita Direta a

Laser

Produção

Pequeno batch 500 nm 0,3 - 2 M US$

Para

lela

S

érie

substrato

substrato resist

substrato

Spin coating

Exposição

substrato

Revelação

Etching Lift-Off

metal Remover

Remover

Transfer.

do

padrão

Wafer

Após x passos de processo

Tecnologia de Processo

LABNANO/CBPF: Nanofabricação

Sala Limpa para Processos em Litografia

- Classe 1000 (sala) and Classe 100 (capelas), equipadas com spin coater, hot plate, wire bonder, mask

aligner(litografia ótica), plasma etcher (em instalação) etc.

Laboratório de Deposição de Filmes Finos (investimento do CBPF)

- Dá suporte aos projetos de nanofabricação;

- Sala classe 1000 with capelas classe 100.

- Perfilometer.

- AJA Sputtering/e-beam deposition system (LABNANO).

- Desenvolvimentos de sistemas e processos de deposição de filmes.

- Sistema dedicado para depósito de óxidos.

- Facilidades de Ablação a Laser disponíveis.

LABNANO/CBPF: Caracterização de Nanoestruturas

Low Vaccum Scanning Electron Microscope -JEOL JSM-6490LV

- MEV de uso geral (filamento de W)

- Resolução de imagem 3nm e câmera infra-vermelho, detetor para elétrons retroespalhados. -

- Equipado com sistema de análise por dispersão de energia de Raios-X (EDX).

High Resolution Transmission Electron Microscope JEOL 2100F 200kV

- Fonte de elétrons FEG

- Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS-GIF Tridium GATAN)

- 11Mpixel Gatan CCD Orius Camera

- Equipado com sistema de análise por dispersão de energia de Raios-X (EDX).

- Scanning Transmission Electron capability

- Resolution 0.16nm

- Precession Electron Diffraction System (único na América Latina).

Suporte para Preparação de Amostras para Microscopia Eletrônica

- Cortador por disco diamantado

- Recobridores para MEV (normal e alta resolução)

- Dimple grinder

- Polimento Eletrolítico (Tenupol)

- Ion Milling, etc.

TEM micrographs of highly deformed Zr-alloy

Orientation map Reliability map

Individual nanocrystal out of zone axis diffraction pattern

(PED technique

HR-TEM

Magnetic nanoparticles produced

by bacteria

Serviços Disponibilizados para as Comunidade Acadêmica e de

Inovação no Rio de Janeiro (mediante formação de usuário no caso da

academia)

1. Serviços de Microscopia Eletrônica de Transmissão com EELS, EDX and

PED;

2. Serviços de Microscopia Eletrônica de Varredura com EDX;

3. Serviços de Nanofabricação e Processamento de Filmes Finos usando

litografia ótica, litografia por feixe de elétrons etc;

4. Serviços de preparação de amostras para MET;

5. Serviços de preparação de amostras para MEV;

6. Serviços de consultoria e suporte para o desenvolvimento de dispositivos,

projetos e processos para empresas públicas e privadas;

7. Programa educacional em litografia por feixe de elétrons, litografia ótica, MEV,

MET (níveis básicos e avançados).

Estrutura de Gestão

Comitê Gestor (2005/201/2012) CBPF - Fernando Lázaro Freire Júnior (Coordenador)

UFRJ - José D´Albuquerque e Castro

UFES - Edson Passamani (2011-)

PUC-RJ - Patrícia Lustoza de Sousa

UFF - Roberto Bechara Muniz

IME-RJ - Marcelo Prado

UERJ – José Soares

Comitê Técnico-Científico André L. Pinto – CBPF

Luiz. Sampaio - CBPF

Marcos Farina de Souza - UFRJ

Rubem L. Sommer - CBPF (Coordenador)

Equipe Local (CBPF) André L. Pinto Luiz Sampaio João Paulo Sinnecker Alexandre Mello Tatiana Lisbôa Marcondes – Pesquisadora Visitante Harold Lozano – Pós-Doc Rogélio Ospina – Pós-Doc Cilene Labre – Bolsista DTI Lis Melo – Bolsista DTI

Como Acessar

1. Acessar: http://labnano.cbpf.br ou a partir da página principal do CBPF:

http://www.cbpf.br procurar o link para o LABNANO.

2. Ler as Instruções

3. Preencher Cadastro de Usuário

4. Aguardar Validação (em geral, dentro de 24h)

5. Submeter Projeto (obrigatoriamente deve ser doutor)

6. A viabilidade é avaliada

7. Se não houver operador credenciado pelo LABNANO, antes da execução do

projeto, o proponente deve definir e submeter a um treinamento conforme o

calendário do Laboratório.

8. O projeto é avaliado em mérito por avaliador externo e a lista de prioridades

é estabelecida, se necessário.

9. A partir da aprovação, o proponente pode solicitar hora no equipamento. ou

começar a discussão e encaminhamento do projeto de nanolitografia.

Contacts: http://labnano.cbpf.br (for CBPF: http://www.cbpf.br) e-mail: labnano@cbpf.br

Custos

Academia: Coberto pelo MCTI (até agora)

Empresas: Cobrado via FACC ou parceria.

Próximas Aquisições

1.Dual beam Focused Ion Beam (FIB)) – MEV com sistema de injeção de

gases e nanomanipuladores . (preparação de amostras para MET).

2.Atom Layer Deposition (ALD) system. Solicitado pelo CBPF ao CT-INFRA

2011. Se concedido, será disponibilizado a usuários externos.

3.TBD on demand from the institutions participating on the managing board or

on user demand

Projetos e Usuários em Carteira

1.Nanofabricação: 20 projetos ativos (+ 10 em sondagem ou iniciando)

2.Characterização: 30 projetos ativos (+ 20 em sondagem ou iniciando)

100 (+) usuário cadastrados no sistema de administração de projetos.

Contacts: http://labnano.cbpf.br (for CBPF: http://www.cbpf.br) e-mail: labnano@cbpf.br

CBPF LABNANO

Usuários operadores - 2011

• MEV – 30 usuários (CBPF, UFRJ, IME, UERJ, EB, UFRJ)

• Nanolito

– 15 usuários (CBPF, UFF, USP, UFRGS, UFSC, UFRJ, UFPE, UFRN, UNICAMP, CTI, UFMG)

• MET

– 11 usuários (CBPF, UFRJ, IME, PUC-Rio)

• Deposição de Filmes Finos

– 16 usuários (CBPF, UFRJ, PUC, INMETRO, UFRGS, UFRN, UFSC, UFF)

Alguns Projetos em

Andamento

- Fabricação de Transistores FINFETS

Mariana Pojar e Antônio Seabra

(Poli/USP)

- Nanofios semicondutores para

nanossensoriamento ultrassensível

Daniel Baptista (IF/UFRGS)

- Comprimento de difusão de spin

Clodoaldo Araújo e André Pasa (UFSC)

- Preparação de nanoestruturas

magnéticas por eletrodeposição

Vitória Barthem (IF/UFRJ)

- Nanoestruturas para plasmônica

Anderson Monteiro e Cid de Araújo

(UFPE)

- Nanoestruturas magnéticas

Márcio Assolin (UFRN)

- Fabricação de padrôes magnéticos para

investigar mecanismos de relaxação por

2 magnons

Antônio Azevedo (UFPE)

- Estudos via imageamento magneto-

óptico em filmes finos supercondutores

decorados com redes de antidots

Wilson Ortiz (UFSCar)

- Produção e caracterização de

dispositivos baseados em

semicondutores magnéticos diluídos

Marcelo Santana e Elis Sinnecker (UFRJ)

Nanocontatos elétricos em nanofios semicondutores Daniel Lorsheitter Baptista - UFRGS

nanofio de ZnO

Nanodispositivo para STT Daniel Lorsheitter Baptista - UFRGS

matriz com 16 pontos de medida

parte da tese de doutorado de Rafael Otoniel

PMMA

CBPF LABNANO

Rede de contatos

CBPF LABNANO

I

V

Contact pads para nanofios

L. Sampaio - CBPF

CBPF LABNANO

Transporte em Nanofios (resultado)

L. Sampaio - CBPF

CBPF LABNANO

Transporte eletrônico em nanodisco magnético com vórtices

L. Sampaio - CBPF

Geração de RF por corrente DC em nanopilares

R. L. Sommer – CBPF

Origem: Transferência de Torque de Spin

Geração de RF por corrente DC em nanopilares

R. L. Sommer – CBPF

Origem: Transferência de Torque de Spin

Relação de dispersão (broadband FMR) de válvulas de spin

usando guias de onda microfabricadas

R. L. Sommer – CBPF

VNA-FMR

Analisador Vetorial de Rede

Guia de onda coplanar Contato direto por Microsondas

Amostra depositada diretamente sobre o condutor central da guia de onda

Maior sensibilidade

Relação de dispersão (broadband FMR) de válvulas de spin

usando guias de onda microfabricadas

R. L. Sommer – CBPF

Campo DC evoluindo de -300 Oe → 300 Oe

Filme contínuo conf. Válvula de Spin sobre

Si(100)

Curva de dispersão assimétrica

- Acoplamento NiFe/IrMn

Curva de Dispersão simétrica

- Camada isolada de NiFe

Boa relação sinal ruído

Guia de onda coplanar

Alta sensibilidade

Perspectivas e Conclusões

O RJ conta com uma nova facilidade para nanofabricação (integrada

com microfabricação);

Facilidade Aberta (submissão de projetos, treinamento de usuários,

etc)

O LABNANO permite ao RJ dar um passo adiante incorporando

materiais nanoestruturados em dispositivos. Ex caracterização de 1

nanotubo.

Espera-se incorporar técnicas complementares que visem dotar o

LABNANO de uma suite completa de equipamentos para micro e

nanofabricação, formando usuário e gerando novas demandas

qualificadas no RJ e Brasil.

Contatos

CBPF

http://www.cbpf.br

LABNANO/CBPF

http://labnano.cbpf.br

e-mail: labnano@cbpf.br

Rubem Luís Sommer

e-mail: sommer@cbpf.br

Muito Obrigado!