Vasco Teixeira

Vasco Teixeira vasco@fisica.uminho.pt

Universidade do Minho

ABINEE TEC 2009 -25ª FIEE e 5ª ElectronicAmericasSão Paulo, 1-5 de Junho de 2009

Aplicações da Nanotecnologia na Indústria –exemplos da indústria eléctrica e electrónica

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Grupo de Revestimentos Funcionais (GRF)Missão

O programa de investigação e desenvolvimento (I&D) do Grupo deRevestimentos Funcionais (GRF) do Centro de Física da Universidade doMinho (CFUM) tem por objectivo a pesquisa fundamental e aplicada nosprocessos de síntese e de caracterização de revestimentos finos obtidos a partirda deposição física de vapores em vácuo (processo PVD) permitindo odesenvolvimento de novos conceitos de materiais na forma de revestimentos,design de multicamadas à escala nanométrica e melhoria do desempenho dosrevestimentos para uma dada aplicação científica ou tecnológica.

Na actividade de I&D do GRF é dada especial ênfase aos aspectos de físicae ciência de materiais que são cruciais para a inter-relação entre a síntese,microestrutura/composição, propriedades físicas e termo-mecânicas emodelação /simulação de revestimentos funcionais multicamada enanoestruturados.

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Escala de dimensões

The Royal Society & The Royal Academy of Engineering (2004), Nanoscience and nanotechnologies.

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GRF- Functional Coatings Group

500 1000 1500 2000 25000

10

20

30

40

50

70ºC

Tran

smitt

ance

(%)

Wavelength (nm)

10ºC

a)

b)

Innovative nanoscale coating architectures for functional decorative and smart surfaces

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The US National Science Foundation predicts that the total global market for nanotechproducts and services will reach $1 trillion by 2015, which represents nearly 10% of thepresent US gross domestic product and will require a workforce of 2 million.The US nanotechnology market is an emerging market, where significantR&D is being done on products in their initial phase.The most prominent fields of nanotechnology are nanobio, nanomaterials, surfaces,electronics, IT and instrumentation.~400 nanotechnology companies in the US.

Global market for nanotech products

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Impacto da Nanotecnologia na economia global

$300B Electronics

$340B Materials

$180B Pharmaceuticals

$100B Chemical Manufacture

$70B Aerospace

$20B Tools

$30B Improved Healthcare

$45B Sustainability

• Market Size Predictions: $1 Trillion over next 10-12 yearsSources: US National Science Foundation

Nano in Electronics-portable electronics-transparent electronics-advanced ligthing

SemiconductorsDisk drivesDisplays, Flexible displaysSensorsSuperCapacitatorsRechargeable Batteries

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Exemplos de indústrias usando Nanotecnologias

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“The principles of physics, as far as I can see,do not speak against the possibility ofmaneuvering atom by atom. It is not an attemptto violate any laws; it is something, in principle,that can be done; but in practice, it has notbeen done because we are too big.” *

* "Os princípios da física, pelo que eu posso perceber,não falam contra a possibilidade de manipulação átomoa átomo. Não seria uma violação da lei; é algo que,teóricamente, pode ser feito mas que, na prática, nuncafoi levado a cabo porque somos grandes de mais"

Richard Feynman, 1959“There’splenty of room at the bottom”

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Definição de Nanotecnologia-Manipulação de objectos à escala nanométrica (atómica /molecular / nanopartículas, etc) para criar novos materiais,dispositivos e processos com características funcionaisdiferentes dos materiais comuns.

-Em geral as dimensões são menores que 100 nanometros

Top DownBottom Up

Abordagens tecnológicas para o nanofabrico:

Base para o topo Topo para a base

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Nanotecnologia• A nanotecnologia é uma área de investigação e desenvolvimento

muito ampla e multidisciplinar que se baseia nos mais diversificadostipos de materiais (polímeros, cerâmicos, metais, semicondutorescompósitos e biomateriais), estruturados à escala nanométrica(nanoestruturados) de modo a formar blocos de construção (buildingblocks) como clusters, nanopartículas, nanotubos e nanofibras, quepor sua vez são formados a partir de átomos ou moléculas.

• Dessa forma, a síntese controlada desses blocos de construção e seusubsequente arranjo para formar materiais e/ou dispositivosnanoestruturados constituem os objectivos principais dananotecnologia.

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• 1905: Einstein publica artigo estimando o diâmetro de uma molécula de açucar como sendo de 1 nanómetro

• 1959: Richard Feynman’s, famosa palestra “There’splenty of room at the bottom”

• 1981: Invenção do Scanning Tunneling Microscope (STM)

• 1985: Invenção Atomic Force Microscopy (AFM)

• 1985: Descoberta dos fulerenos (“buckyball”)

• 1993: Descobertos os nanotubos de carbono (CNT-Carbon NanoTubes)

• 1997: Produção controlada de nanotubos de carbono

• 1997: A primeira empresa considerada de nanotecnologia é criada: Zyvex

Nano - alguns eventos

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Prioridades da comissão europeia no lançamento do 6FP

• Nanofabrico e processamento;

• Nanotecnologia – oportunidades revolucionárias e implicações da sociedade;

• Instrumentação e ferramentas para a nanotecnologia;

• Materiais Nanoestuturados.

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NanotecnologiaDistinguem-se três sectores essenciais:

Nanoelectrónica

Prosseguir o desenvolvimento em microelectrónica, especialmente paracomputadores, mas a escalas significativamente mais pequenas.

Nanobiotecnologia

Combinar a engenharia à nanoescala com a biologia para manipularsistemas vivos ou construir materiais biologicamente inspirados a nível

molecular.

Nanomateriais

Controlar com precisão a morfologia à dimensão nanoescala dassubstâncias ou partículas para produzir materiais nanoestruturados. Aoenvolver todos estes domínios que se sobrepõem, os instrumentos medem emanipulam estruturas ultra pequenas, os microscópios de resoluçãonanoescala. Fonte: Comissão Europeia DGI

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Classes de Materiais NanoestruturadosUma grande classe de materiais, com microestruturas moduladas desde

zero a 3 dimensões na escala de comprimento menor que 100 nm

R.W. Siegel, Nanophase Materials, Encyclopedia of Applied Physics, VCH Publishers 1994

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% de átomos nas fronteiras de grão em materiais nanocristalinos

HRTEM image of a region of nanocrystalline palladium

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Materiais à nanoescala-Novos comportamentos dos materiais à nanoescala não sãonecessáriamente previstos a partir daqueles observados à escalamacroscópica.

-As variações mais importantes são provocadas não pela ordem degrandeza da redução no tamanho, mas pelos novos fenómenosobservados, que são intrínsecos ou tornam-se dominantes à nanoescala.

-Estes fenómenos incluem confinamento devido ao tamanho,predominância de fenómenos de interface (à nanoescala, a relaçãosuperfície/volume é particularmente dominante) e fenómenos quânticos.

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Aplicações da Nanotecnologia

• Materiais– materiais nanoporosos– materiais nanoestruturados– nanocompósitos– catálise– multifuncionais, moduláveis, materiais inteligentes (smart materials)

• Biotecnologia– nanosensores, nanoprovas de actividade/função biológica– máquinas biomoleculares, libertação controlada de farmacos– bioelectrónica, nanomedicina (nanorobots), tecidos/orgâos artificiais – materiais auto-organizados (self-assembling)

• Electrónica, óptica e fotónica– confinamento quântico (pontos quânticos-quantum dots)– Lasers (comunicações de fibra óptica)– electrónica à escala molecular– electrónica transparente e flexível– filmes finos para electrónica e fotónica

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Óxidos metálicos• Exemplos

– Titânio, Zinco, Ferro– Cério, Zircónio

• Propriedades desejáveis– Transparentes– Absorção da radiação UV– Propriedades fotocatalíticas

• Aplicações– Cosméticos– Cremes protectores solares– Protectores transparentes para madeira– Superfícies anti-micróbios, janelas auto-laváveis – Agentes de polimento quimico-mecânicos para bolachas (wafers) de Silício– Revestimentos anti-risco em vidros e plásticos

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• Fulerenos

– “Buckyballs” C60

• Nanotubos

– Parede simples -Single walled (SWNT)

– Multi-parede -Multi walled (MWNT)

• Nanofibras

• Aplicações

– Filmes para minimizar electricidade estática

– Linhas de combustível, drives de hard disks, MEMS

– Filmes ópticos, tribológicos e biocompatíveis (DLC’s)

– Componentes automóveis para pintura electrostática

– Plásticos com retardação ao fogo

– Fontes de emissão efeito campo para monitores LCD

Nanoestruturas baseadas em carbono

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Commercial Applications• L’Oreal are using nanosomes in their “Rivitalift” anti-

wrinkle face cream. The nanosomes (microcapsules madefrom a membrane, like the one surrounding a human cell)encapsulate vitamin E and carry it to the skin. Thevitamin E protects the skin from free radical attacks(believed to cause wrinkles) by forming a protective layeron the skin.

• Nano-Care™ Plain-Front Chinos are amazing trousersthat do not wrinkle and, when a glass of red wine is spiltonto the cream coloured fabric, it just rolls off! Bonded tothe fabric is a durable stain- and wrinkle-resistant Nano-Care by Nano-Tex treatment that ensures creases stay in,but stains and wrinkles stay out.

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• DNA microarraysOptical detection of DNA sequences –on the market

e.g. GeneChip®, AffymetrixInc, USA•Electronic detection of DNA sequences –on the market

e.g. Nanochip® Molecular Biology Workstation, NanogennInc, USATag-It™Cystic Fibrosis Kit, Tm Bioscience Corporation, Canada

• Lab-on-a-chip (LOC)•Microtechnology-based LOCs for enzyme detection –on the markete.g. LabChip®, CaliperLife Sciences, USA

LabCD®, TecanGroup Ltd, Switzerland

• Drug delivery systems (DDS)•Microchip-based DDS using nanoporous membranes –development phaseDebioSTAR™, DebiotechSA, SwitzerlandChipRxInc, USA

• Drug delivery across blood-brain barrierTreatment of brain tumours, Alzheimer’s, and Parkinson’s –development phaseNanoDel Technologies GmbH, Germany

Source:RIVM Report 265001001/2005

Commercial Applications

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Revestimentos nanocompósitos e multicamadaInterfaces e fronteiras de grão são parâmetros chave no design de novosconceitos de revestimentos nanoestruturados. À escala laboratorial é possíveldesenvolver estruturas em filme fino tais como:

- Revestimentos nanocompósitos

- Filmes multicamada

- Filmes nanoestruturados

- Filmes finos nanomodulados

- Filmes nanocristalinos

- Revestimentos nanograduadosAmorphous Si TFT on a SiNx

passivated polyimide foil

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EMI - RFI Shielding

Revestimentos para proteccao electromagnética

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Application: Ink-Jet Printing Heads• Currently one of the largest applications of MST• A typical ink-jet printer uses up several cartridges each year • Today’s ink-jet printers have resolutions of 1200 dots per inch

(dpi) – This resolution converts to a nozzle separation of only about 21

μm, certainly in the microsystem range

Diagram of an ink-jet printing head

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Cross-section of an integrated thermal ink-jetchip. This instantaneous view shows an inkdroplet being ejected from the firing chamber bythe "drive bubble" created by resistive heating.An NMOS (N-channel metal oxidesemiconductor) transistor is associated with eachfiring chamber.

Evolution of ink-jet drop weight versustime. Drop weights below the dotted linecan produce photographic-quality images.Source: Beatty, 1996

Application: Ink-Jet Printing Heads

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Revestimentos para aplicações biomédicas

Endotec, Inc

Bodycote H.I.P. Ltd

CAMCERAM®.

CAM Implants bv

Ostim®, OsartisGmbH, Germany (HA) VITOSS®, OrthovitaInc, USA (TCP)OsSatura™, IsoTisInternational, Switzerland (HA +TCP), InframatInc, USA,Spire Biomedical Inc, USA, AlCove Surface GmbH, Germany, Debiotech SA, Switzerland, Artificial Cell Technologies, Inc. (USA)

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Exemplos Nano na indústria electrónica

-High resolution displays for laptops and PDAs

-Pager-sized power supply that adds 15 hours to cell phone talk time

-Advanced industrial inventory tracking through nano barcodes and RFID tags

-Ultra-dense, low-power, lower-cost memory chips for microelectronics

-Flexible photovoltaics, high capacity rechargeable batteries, and miniature satellites

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Outras aplicações de nano-filmes

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Filmes finos de DLC em hard drives

Slider ( Al2O3-TiC)

Read / Write Head

Lubricant layer (2 nm)

Magnetic layer (100 nm) Substrate

Ion Beam Deposited DLC overcoat (<10 nm)

Flying Height (~ 25 nm )

direction of rotation

Sputtered carbon (~20 nm)

Slider railsRead/Writehead

Schematic of Air Bearing Surfaceon to which < 10 nm of DLC is deposited.

Head and Disc Interface

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Aplicações

Microtransformador

Microcondensador (microcapacitor)

Imagem CAD Imagem SEM

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Nanowires Applications

5 nm Si nanowire FET

Nanolaser from 100 nm CdSe nanowire

http://www.photonics.com/spectra/tech/XQ/ASP/techid.1525/QX/read.htm

Cui et al, Nanoletters, Vol. 3, 149 – 152 (2003).

•Field effect transistors•Thermoelectric materials•Light emitting diodes•Detectors•Sensors•Nanolasers•Superlattice nanowires in applications requiring superlattices

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Carbon Nanotubes – Potential Applications

Source:G. Dusburg, Infineon Technologies, Munchen Germany

Vasco TeixeiraSource:G. Dusburg, Infineon Technologies, Munchen Germany

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• Filmes nanoestruturados e nanomateriais em embalagens podem prevenira entrada/crescimento de agentes patogénicos e outros microorganismos,assegurando assim maior segurança.

• Nanosensores embebidos em embalagens de alimentos permitirãodeterminar alterações de pH, temperatura, a presença de oxigénio, micróbiosou se o conteúdo de um dado nutriente do alimento está dentro dosparâmetros normais.

• Por adição de determinadas nanopartículas /ou aplicação de filmes finosnanocompósitos no material da embalagem, em garrafas, e pacotes/latas dealimentos pode-se melhorar a resistência à luz e ao fogo, melhorando odesempenho mecânico e térmico e controlando a absorção de gases.

Nanotecnologia e segurança alimentar

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• RFID or Radio Frequency IDentification is sometimes known as ‘radio bar codes’. Usually, it takes the form of a small label. The information on this label can be ‘read’ electronically even when it is hidden within packaging.

• RFID works in almost any orientation so scanning is much easier than with the traditional barcode.

• RFID labels tend to be a silicon chip and a metal • or printed ink antenna in a plastic label.

Smart labels in packaging

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Materiais Termocromáticoscomo o óxido de vanádio entreoutros, são usados emdispositivos onde a mudança depropriedades ópticas/cor(reversível) é activada pormudanças de temperatura.

Nanomateriais activos

500 1000 1500 2000 25000

10

20

30

40

50

70ºC

Tran

smitt

ance

(%)

Wavelength (nm)

10ºC

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Smart nanocoatings – Self-cleaning and anti-dirt surfaces

θ << 90° hydrophilic surface

θ= 120° hydrophobic surface (e.g. Teflon)sliding drops, no roll off

θ 180° ultra-hydrophobic surfaceroll off angle 0°

(flat) hydrophobic surface90° <= intrinsic contact angle θi <=120°

hydrophobic surface combined with specific surface nano-roughness

contact angle θ 180°

-Rolling water dropsact as “mini-wipers“-no adhering water drops => no evaporation residues, “spots”-self-cleaning

Ultra-hydrophobic surfaces: “Self-cleaning effect”

Water droplets at surfaces: contact angle

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Carl M. Lampert, Materials Today, March 2004 p.28-35Electrochromic materials change their optical properties persistently andreversibly under the action of voltage pulses. By sandwiching theelectrochromic material and an ion rich transparent solid between a layer of atransparent conductor, a very small potential can induce an electric field thatcauses ions to cross to the electrochromic layer and change its colour state.

3x3 OM

bleach

colour

WOxexM ←→++ −+

Smart multilayered nanocoatings – smart windows

Courtesy: C. Granqvist, ChromoGenics

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Solar Photovoltaic Market

6 separate market places:

Building integratedGrid connected solar farmsConsumer productsRemote industrialRemote communitiesSpatial applications

-different design requirementsand market dynamics

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Generation Photovoltaics

First generation- based on crystalline siliconCommercial sales of these started in the 70’s

Second generation- thin film semiconductors, silicon and non-silicon. Commercial sales of these started in the mid 80’s

Third generation PV•plastic solar cells (organic PV)•nano-technology cells •multiple junction thin polycrystalline films.

The first third generation products are just beginning to enter the market place.

Fourth generation PV will derive from biology.

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Colectores de elevada eficiênciaUso de Superfícies Selectivas

• Os colectores solares térmicos são usados geralmente em:

• i) produção de água quente (uso doméstico/industrial)

• ii) aquecimento em piscinas

• iii) aquecimento de espaços

• iv) secagem (ex. produtos de agricultura)

• v) arrefecimento radiativo

• Um colector solar térmico ultra-eficiente deve absorver a radiação solarincidente, convertê-la em energia térmica, e transferir o calor gerado paraum meio (fluido) com o mínimo de perdas em cada etapa.

Cortesia AoSol, Lda

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PROPRIEDADES DA RADIAÇÃO - SUPERFICIE SELECTIVA

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Imagem em detalhe da superfície deMo-Al2O3

Imagem de AFM de um filme fino graduado de Mo-Al2O3

α = 92 %ε = 5 %Parâmetros solares

C. Nunes, V. Teixeira, M. Collares-Pereira, A. Monteiro, E. Roman, Vacuum, 2002

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Solar absorption variation with pulsing frequency for samples with and without pigment

“Novel nanocomposite coatings with dispersed organic nanoparticles for solar absorbers”, C. Nunes, A. J. Martins, M. J. Brites, M. Lopes Prates, V. Teixeira, M. J. Carvalho, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.8, 1–5 2008

Filmes nanocompósitos graduados com nanopartículas dispersas

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ConclusõesNanopartículas e nanomateriais terão um papel importante no futuroem aplicações estruturais (cerâmicos, metais, filmes finos,catalisadores, nanocompósitos), em produtos cosméticos, embiotecnologia (biosensores, embalagens alimentares, nanocápsulas,materiais biocompatíveis, quantum dots, compósitos), nas tecnologiasda informação (nanotubos, nanoelectrónica, materiaisoptoelectrónicos), nas aplicações de sensores e micro-sistemasfuncionais (MEMS, SPM, lab-on-a-chip, micro-reactores), e emaplicações de energia (células solares, janelas inteligentes para controleenergético, células de combustível) e ambiente (em aplicações depurificação de ar, nanofiltração e membranas avançadas).

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Futuro• A indústria eléctrica e electrónica brasileira deve continuar a apostar

na inovação tecnológica e investir em projectos de microtecnologias enanotecnologia para se tornar mais competitiva no mercado global.

• O Brasil tem produzido muito conhecimento em nanomateriais atravésde projectos de investigação aplicados (parcerias universidade-indústria) com financiamento pelos organismos estatais.

• Futuramente deve ser produzida mais propriedade intelectual eaumento de incentivos às empresas brasileiras para dominarem ananotecnologia e incorporarrem-na em novos produtos industriais.

• Nas próximas décadas, os efeitos sociais da nanotecnologia na sociedade,particularmente nas áreas da saúde, transporte e meio ambiente, com grandeimpacto económico, serão no mínimo tão significantes , quanto a influênciacombinada da microeletrónica, sistemas de imagens médicas, processosassistidos por computador e polímeros desenvolvidos pelo homem no séculopassado