Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Mecânica Quântica e...

Escola de Física3-5 Setembro 2007

Mecânica Quântica e Nanotecnologia

Mecânica Quântica e Mecânica Quântica e

NanotecnologiaNanotecnologia



Resumo• MECÂNICA QUÂNTICA

• Luz• Matéria• Relações de Incerteza• Efeito Túnel• Spin do Electrão

• NANOTECNOLOGIA• Introdução

• Nanoescala• Nanociência• Nanotecnolgia

• APLICAÇÕES (NANO)TECNOLÓGICAS• Discos de Gravação Magnética• Sensores Magnetoresistivos

• Cabeças de Leitura• Válvulas de spin• Junções de Efeito Túnel

• BioSensores



Efeito Túnel

Física ClássicaFísica Clássica

Física QuânticaFísica Quântica



Efeito Túnel

Partícula

Barreira

Partícula não consegue atravessar a barreira

Onda pode ser reflectida na parede…ou parte transmitida através da barreira

Fís

ica

Clá

ssic

a F

ísic

a Q

uân

tica



Mecânica Quântica

Efeito túnel é de natureza ondulatóriaondulatória

Quando um electrão (ondaonda) embate na

barreira, a onda não acaba abruptamente

Diminui rapidamente

(modo exponencial)

A onda não passaParte da onda atravessa a barreira;

podem aparecer electrões do outro lado

Efeito Túnel

Dualidade ONDA-PARTÍCULA dos electrões

Barreira larga Barreira fina (~nm)

Existe uma PROBABILIDADE de o electrão atravessar a

barreira de potencial



Carga em movimento

Spin do Electrão

Electrões tem um movimento de rotação em torno do seu eixo

Spin do electrãoSpin do electrão

É apenas um conceito quântico sem analogia clássica!

Corrente no sentido do movimento

Origina um campo magnético (dipolo)



Magnetização

Nee--

S



INTRODUÇÃO ÀNANOTECNOLOGIA



O Futuro em 1959…

No dia 29 de Dezembro de 1959

Richard P. Feynman

“ There’s Plenty of Room at the Bottom”

“The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the

possibility of maneuvering things atom by atom. It is not an attempt to

violate any laws; it is something, in principle, that can be done”.

“Why cannot we write the entire volumes of the

Encyclopedia Britannica on the head of a pin?”

"At the atomic level, we have new kinds of forces and new kinds of

possibilities, new kinds of effects. The problems of manufacture

and reproduction of materials will be quite different.”

Em 1989, Don Eigler escreveu logótipo da empresa com 35 átomos de xénon

Manipulou átomo a átomo como previsto por Feynman !



O que é NANO…

Nano

Deriva do grego, significa anão

1 nm = 10-9 m

Objectos à nanoescala têm, pelo menos, uma dimensão de tamanho nanométrico

Quão pequena é esta nanoescala ?



NanoescalaNanoescala

Video



Nanociência

Dimensões físicas são críticas

Abaixo dos 100 nm de tamanho os nano-objectos podem exibir comportamentos exóticos

Propriedades físicas e químicas diferentes das macroscópicas

Dependentes do tamanho

Confere-lhes grande potencial para aplicações



Nanociência

Silver and Gold particles have different colors depending on size and shape.© Northwestern University



Nanociência

O alcance das interacções entre eles pode exceder a sua dimensão

Escala nanométrica Não se aplicam as leis Clássicas da Física

Domínio da Mecânica Quântica

Originando novos fenómenos físicos

Filmes Finos

Dão origem novas e surpreendentes aplicações tecnológicas

Para além das propriedades dos próprios nano-objectos serem alteradas:



Nanotecnologia

Nanotecnologia

Física

Química

Biologia Engenharia

Medicina



Nanotecnologia

Multidisciplinar

Nanocompositos

Nanocristais

Nanopartículas

Materiais Nanoestruturados

Nanotubos

Nanocápsulas

Nanoengrenagens

Materiais Nanoporosos



APLICAÇÕES (NANO)TECNOLÓGICAS



Discos de Gravação Magnética



Cabeça de leitura e gravação magnetica

Sensor activo de leitura e gravação

Discos de Gravação Magnética



Cabeças de Leitura

Sensores MAGNETORESISTIVOS

Variação da resistência eléctrica com o campo magnético externo

SpinSpin

Dispositivos Magnetoresistivos: Válvulas de Spin e Junções de Efeito Túnel

Comportamento surge das propriedades quânticas dos electrões



Válvulas de Spin - O que são!

Empilhamento de camadas de material muito finas (ordem de dezenas nanómetros)

Camada Magnética Fixa

(2 nm)

Camada de Fixação

(7 nm)

Espaçador Não Magnético (2 nm)

Camada de Adaptação (2 nm)

Camada Magnética Livre(5 nm)

Camada de protecção (2 nm)

Substratoee--

?Corrente no plano dos filmes finos!



Válvulas de Spin – como funcionam!


Espaçador Condutor Não Magnético

Camada Magnética Livre

Campo Magnético Externo

Campo Magnético

Resistência

FIXA

SENSOR DE CAMPO MAGNÉTICO COM SENSOR DE CAMPO MAGNÉTICO COM DOIS ESTADOS DISTINGUÍVEISDOIS ESTADOS DISTINGUÍVEIS

1 E 01 E 0

Contacto Eléctrico

Movimento dos electrões

Contacto Eléctrico

Geometria CIP



FIX

A

LIV

RE

r , r

R , R

rrr

R

2

RRR

R

2

rRr

rR

RrRTOTAL

111

↑ e ↓ canais de condução em paralelo

Electrões com spin




FIX

A

LIV

RE

FIX

A

LIV

RE

r , R

R , r

2

rRR

2

rRR

↑ e ↓ canais de condução em paralelo

42

1

2

11

RrrRrR

RTOTAL

rRPARALELO 4

rRR LOANTIPARALE

Rparalelo < Ranti-paralelo

Efeito Magnetoresitência GiganteEfeito Magnetoresitência Gigante~10%~10%

Causada por uma dispersão dos electrões dependente do spin

paralelo

paraleloloantiparale

R

RRGMR

Mesmo estruturas macroscópicas exibem magnetoresistência

Efeito Gigante surge apenas em nanoestruturas




Leitura Magnética com Válvulas de Spin

Leitura de Bits magnéticos com uma válvula de spin

Bits Magnéticos Gravados Longitudinalmente

FIX

A

LIV

RE



Leitura Magnética com Válvulas de Spin

FIX

A

LIV

RE

FIX

A

LIV

RE

FIX

A

LIV

RE

FIX

A

LIV

RE

FIX

A

LIV

RE

Não sente campo

Sinal

Tempo0 00

1

0

1



Problemas…

Bits magnéticos cada vez mais pequenos!

Necessária uma maior sensibilidadesensibilidade na leitura

Junções de Efeito Túnel



Junções de Efeito Túnel - o que são!

Empilhamento de camadas de material muito finas (ordem de dezenas nanómetros)


(2 nm)

Camada de Fixação

(7 nm)

Camada Isoladora (~ 1 nm)

Camada de Adaptação (2nm)

Camada Magnética Livre(5nm)

Camada de protecção (2 nm)

Substrato

Semelhantes às válvulas de spin mas com uma camada isoladora no lugar

do espaçador condutor!

Isolador

Eléctrodo

de C

ima

Eléctrodo

de B

aixo



Junções de Efeito Túnel vs Válvulas de Spin

CAMADA FIXA

CAMADA LIVRE

ELECTRODO ELECTRODO

ESPAÇADOR CONDUTOR

Corrente

Corrente no plano do sensor: geometria CIP

Corrente perpendicular ao plano do sensor: geometria CPP

CAMADA FIXA

CAMADA LIVRE

ELECTRODO

ELECTRODO

ISOLADOR

Corrente



Junções de Efeito Túnel – como funcionam!

CAMADA FIXA

CAMADA LIVRE

Corrente

ELECTRODO

ELECTRODO

ISOLADOR

Camada isoladora muito fina

Electrões (onda-partícula) podem atravessá-la

Magnetoresistência por Efeito Túnel

A barreira é atravessada por electrões com determinado spin



Junções de Efeito Túnel – como funcionam!

Como nas Válvulas de Spin, efeito dependente do spin do electrão

Campo Magnético

SENSOR DE CAMPO MAGNÉTICO COM DOIS ESTADOS DISTINGUÍVEIS

1 E 0

ResistênciaCamada LivreCamada Fixa

No entanto… TMR ~ 100-400% ~20 vezes superior às Válvulas de Spin

Maior SENSIBILIDADE adequada a bits cada vez mais pequenos, ou seja sinais mais fracos!



Mais Longe…

Bits mais pequenos

Maior densidade de gravação de dados

Em cada vez menor espaço

Perdem a capacidade de manter a orientação da magnetização

Limite SUPERPARAMAGNÉTICO SUPERPARAMAGNÉTICO

Próximo do limite de gravação longitudinal

Para bits muito pequenos (~10 nm)

Energia necessária para alterar a direcção do momento magnético é da mesma ordem da energia térmica à temperatura ambiente

ambienteBtermica TkE2

1

Ou seja, perdem a informação armazenada



Mais Longe…

Solução ?

Gravação perpendicular!

Bits mais próximos (mais profundos!) logo maior capacidade de armazenar dados

Limite SUPERPARAMAGNÉTICO SUPERPARAMAGNÉTICO



Outras Aplicações - BioSensores MR

Válvula de Spin

CAMADA FIXA

CAMADA LIVRE

ELECTRODO ELECTRODO

ESPAÇADOR

Marcador magnéticoMarcador Magnético

Molécula a detectar

Funcionalização do sensor

Como ligar a molécula ao sensor ?

Através de biomoléculas complementares Chave-fechadura

Funcionalização

Superfície de Sensor Funcionalizado

Molécula a detectar



Outras Aplicações - BioSensores MR

CAMADA FIXA

CAMADA LIVRE

ELECTRODO ELECTRODO

ESPAÇADOR

Campo criado pelos marcadores magnéticos

Altera a magnetização da camada livre

Alteração do estado da Válvula de Spin

A resistência do sensor varia quando as moléculas com nanopartículas magnéticas ficam aprisionadas



ObrigadaVideo

12um

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