Introdução Introdução

à Nanociência e à Nanotecnologiaà Nanociência e à Nanotecnologia

Fernando Lázaro Freire Jr.

Departamento de FísicaPUC-Rio

National Nanotechnology InitiativeNational Nanotechnology Initiative

Nanotecnologia e Nanociência: uma Revolução?Nanotecnologia e Nanociência: uma Revolução?

Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 4869Appl. Phys. Lett. 84 (2004) 4869

. filamentos de 20 mm de comprimento de feixes de . filamentos de 20 mm de comprimento de feixes de nanotubos alinhados de parede simples e filmes de nanotubos alinhados de parede simples e filmes de nanotubos de parede dupla crescidos por CVD. nanotubos de parede dupla crescidos por CVD.

. colados aos eletrodos por uma cola de prata . colados aos eletrodos por uma cola de prata

. lâmpada: pressão de 10. lâmpada: pressão de 10-7 -7 torrtorr

. T < 950. T < 950o o C: espectro de radiação de corpo negro C: espectro de radiação de corpo negro

. T > 950. T > 950o o C: espectro de corpo negro + C: espectro de corpo negro + eletroluminescenteeletroluminescente

. 5000 x (7V, 2.3 A). 5000 x (7V, 2.3 A)

. 360 horas sem evaporação de carbono amorfo (SWNT). 360 horas sem evaporação de carbono amorfo (SWNT)

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; but in

practice, it has not been done because we are too big.

Richard Feynman, 1959

““There´s Plenty of Room at the Bottom”There´s Plenty of Room at the Bottom”

Eng. Sci. 23 (1960) 22

Coral QuânticoCoral Quântico

Surface state electrons on Cu(111) were confined to closed structures defined by barriers built from Fe adatoms. The barriers were

assembled by individually positioning Fe adatoms using the tip of a low temperature scanning tunneling microscope (STM).A circular corral of radius 7.1 nm was constructed in this way out of 48 Fe

adatoms.

Ferramentas:Ferramentas:

- preparação de amostras: - preparação de amostras: - MBE (Molecular Beam Epitaxy)- MBE (Molecular Beam Epitaxy)- - self-assembly self-assembly

- caracterização:- caracterização:- SPM (- SPM (scanning probe microscopyscanning probe microscopy))- HREM (- HREM (high resolution electron high resolution electron

microscopymicroscopy)) - litografia:- litografia:

- por feixe de elétrons- por feixe de elétrons- - nano-imprintnano-imprint- AFM (atomic force microscopy)- AFM (atomic force microscopy)

Nanotubo obtida por STMobtida por STM

Trabalhos indexados sobre nanotubos

- Introdução: Introdução: Interdisciplinaridade e novas fronteirasInterdisciplinaridade e novas fronteiras

- Nanotubos de carbono.- Nanotubos de carbono.

- Microscopias de Ponta de Prova: fundamentos e - Microscopias de Ponta de Prova: fundamentos e aplicaçõesaplicações

-AFM-AFM

-STM-STM

-MEMS, NEMS e Nanotribologia.MEMS, NEMS e Nanotribologia.

Referências:Referências:

-Springer Handbook of Nanotechnology, B. Bhushan, editor, Springer Handbook of Nanotechnology, B. Bhushan, editor, Springer Verlag, 2004.Springer Verlag, 2004.

-Carbon Nanotubes: Synthesis, Structure, Properties and Carbon Nanotubes: Synthesis, Structure, Properties and Applications, M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Ph. Avouris, Applications, M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Ph. Avouris, editors,editors,Springer Verlag, 2002.Springer Verlag, 2002.

-Scanning Probe Microscopy, E. Meyer, H.J. Hug, R. Scanning Probe Microscopy, E. Meyer, H.J. Hug, R. Bennewitz,Bennewitz,Springer Verlag, 2004.Springer Verlag, 2004.

Duas abordagens diferentes:

Top-down : redução das dimensões dos dispositivos miniaturização

Abordagem “física”

Bottom-up : montar estruturas a partir de moléculas replicando a Natureza

Abordagem “química”

155 nm155 nm

1.5 1.5 mm

Imagens de DNA obtidas por Microscopia de Força Imagens de DNA obtidas por Microscopia de Força AtômicaAtômica

Ligações H:Ligações H:

A-TA-Tee

G-CG-C

nucleotídeosnucleotídeos

basesbases

DNA:Cadeia com 100 nucleotídeos = 4Cadeia com 100 nucleotídeos = 4100 100 combinações diferentescombinações diferentes

Proteínas: Proteínas: Amino ácidoAmino ácido

PolipeptídeosPolipeptídeos

Síntese químicaSíntese química

C-N bondsC-N bonds

M.R. Ghadiri et al., Nature 366 (93) 324M.R. Ghadiri et al., Nature 366 (93) 324

NanodispositivosNanodispositivos

Infinion: dispositivos eletrônicos totalmente Infinion: dispositivos eletrônicos totalmente àà base de base de nanotubosnanotubos

Nanomotores ?Nanomotores ?

MEMS (Micro Electro-Mechanics Systems)MEMS (Micro Electro-Mechanics Systems)

A small gear built up at the Laboratorio A small gear built up at the Laboratorio Nacional de Luz SincrotonNacional de Luz Sincroton

Mercado de microfabricação Mercado de microfabricação

CAD SEMCAD SEM

Microtransformador

Microcapacitor

Dispositivos à base de silício

International Technology Roadmap for Semiconductors.Semiconductor Industry Association, 1999, http://www.semichips.org

material foto-material foto-sensívelsensível

Remoção do Remoção do photoresistphotoresist

Remoção do óxidoRemoção do óxido

exposição do photoresistexposição do photoresist

““soft bake”soft bake”

Remoção do Remoção do photoresist photoresist

irradiadoirradiado

máscaramáscara

““hard bake”hard bake”

Remoção de camadas (Remoção de camadas (etching)etching) : :

- Úmido (químico): ácidos e reagentes , mais seletivoÚmido (químico): ácidos e reagentes , mais seletivo

- Seco (plasma): - Seco (plasma): - ion millingion milling

- - high pressure plasma etchinghigh pressure plasma etching

- - Reactive plasma etchingReactive plasma etching

mais anisotrópicomais anisotrópico

Cola de substratos de SiCola de substratos de Si

Cola direta: superfícies sãotratadas com HF são Cola direta: superfícies sãotratadas com HF são

passivadas por radicais hidroxil passivadas por radicais hidroxil atração van der atração van der

Waals entre as duas superfícies Waals entre as duas superfícies ligações ligações

hidrogênio hidrogênio tratamento térmico a 1200 tratamento térmico a 1200ooC C

Ligação anódica: Ligação anódica:

Lei de MooreLei de Moore

High-K dielectrics

HREM MEIS

NRP

AlAl22OO33

Revestimentos protetores para discos rigidosRevestimentos protetores para discos rigidos

Discos rígidos magnéticos: road mapDiscos rígidos magnéticos: road map

http://www.almaden.ibm.com/st/projects/lubricants/

AFM

CNX films 50nm thick: RBS = 2.43 0.34 g/cm3