Magnetismo en la nanoscala

Transcripción

1 Magnetismo en la nanoscala Laura González Vivas Coloquio de Fisica Departamento de Fisica, Universidad de los Andes 01/2013

2 Resumen Nanotecnología Nanomateriales Aplicaciones Física de los materiales magnéticos Nanomateriales magnéticos Arreglo de nanohilos magnéticos Nanofabricación Conclusiones Referencias

3 Nanotecnología El prefijo nano proviene del latin nanus (del griego νάνος) que significa enano. En ciencia y tecnología equivale a 10-9 m Esquema de la escala de tamaños junto con las aproximaciones de fabricación que se suelen emplear en cada caso

4 Nanotecnología La nanotecnología se define comúnmente como la síntesis y/o fabricación controlada, la manipulación, el modelado y la caracterización de materiales, dispositivos y sistemas en la nanoescala. La nanotecnología requiere la optimización de las técnicas de fabricación para preparar nanomateriales, y de técnicas de medición que permiten el descubrimiento de nuevos efectos en la nanociencia. (a) El primer transistor desarrollado en 1947 [1]. (b) Logo de IBM logo escrito usando using 35 atomos de Xenon dispuestos en una superficie de Ni por un microscopio de efecto tunel [2]. Representaciones esquemáticas de (c) dippen nanolithography, que ha mejorado las tecnicas de fabricacion y reproduccion de los circuitos electronicos, asi como el modelamiento de biomateriales para la investigacion de celulas biologicas [3] y (d) nanocarro construido con 4 ruedas de fullereno C60 que giran en respuesta a los aumentos de temperatura sobre una superficie de oro [4].

5 Nanotecnología A comienzos de este milenio, muchos productos de consumo que aparecieron en el mercado ya estaban haciendo uso de la nanotecnología: Revestimientos de vidrio resistente a los arañazos, baterias con recargas mas rapidas, pantallas mejoradas para televisores, teléfonos celulares y cámaras digitales, calcetines antibacterianos, cosméticos terapéuticos, y ropa resistente a las manchas, entre otros[5].

6 Nanotecnología Cuando el tamaño de un material se reduce, la relación de superficie a volumen se vuelve cada vez más importante!!! Representación esquemática del incremento del area superficial en materiales nanoescalados [5].

7 Nanotecnología Esta característica de los nanomateriales es muy importante para diversas aplicaciones ya que el aumento de la superficie aumentará la cantidad de material que puede entrar en contacto con los elementos circundantes, esto es, aumentará su reactividad. En las baterías de nanoingeniería, células de combustible y catalizadores, una mayor reactividad a escala nanométrica puede ser potencialmente utilizada para fabricar dispositivos más limpios, más seguros y más eficientes para almacenamiento de energía. Las membranas nanoestructuradas y materiales con grandes áreas superficiales también son candidatos potenciales para el tratamiento de agua, y para la funcionalización de superficies para aplicaciones en la administración de fármacos y técnicas de bioimagen.

8 Nanomateriales Hay tres clases principales de los nanomateriales en función del número (uno, dos o tres) de dimensiones reducidas a la nanoescala. Por ejemplo, una película delgada es un nanomaterial donde sólo uno de sus tres dimensiones se ha reducido a la nanoescala.. Cuando dos dimensiones de un material se reducen a la nanoescala, se tienen los nanotubos, nanohilos, nanobarras o nanofibras. Por último, cuando se reducen tres dimensiones de un material a la nanoescala, se obtiene agrupamientos moleculares, clusters, o nanopartículas. Nanopartículas 0D Nanohilos y Nanotubos 1D Películas delgadas 2D Bulk 3D Ilustraciones de varios tipos de materiales de acuerdo a el tamaño de sus elementos estructurales: 0D (cero-dimensional) nanoparticulas; 1D nanohilos/nanotubos; 2D peliculas delgadas; 3D policristales [6].

9 Nanomateriales Las películas delgadas magnéticas y los bloques de capas magnéticas y no magnéticas se consideran el corazón de muchos dispositivos modernos magnéticos, tales como las válvulas de espín usadas en sensores magnéticos y cabezas lectoras de discos duros. Debido a su alta anisotropía de forma, los nanohilos magnéticos son candidatos potenciales para dispositivos de almacenamiento magnéticos Las nanopartículas magnéticas son muy atractivos para aplicaciones biomédicas, que van desde métodos magnéticos asistidos para la administración de fármacos, a las sofisticadas técnicas para la obtención de imágenes en medicina.

10 Aplicaciones (Izquierda) Representación esquemática de una cabeza lectora de unión magnética túnel en un disco duro. (Derecha) Ilustración de un diseño de elemento de memoria convencional, donde la orientación relativa de las dos capas magnéticas define dos estados diferentes [7].

11 Aplicaciones Racetrack memory es un nanohilo ferromagnético donde se almacena la información a lo largo del nanohilo, como una secuencia de dominios magnéticos. Aplicando pulsos cortos de corriente de espín polarizada, la información se puede mover a lo largo del nanohilo, logrando la lectura y escritura en las cabezas. Diagrama representativo de un circuito de memoria, Racetrack Memory, que evidencia los principios de funcionamiento de (a) seleccionar, (b) escribir y (c) leer un bit de memoria. Mediante la aplicación de un pulso de corriente positivo (negativo) al nanohilo, las paredes de los dominios magnéticos se mueven a la derecha (a la izquierda) en el diagrama, controlando de esta manera el acceso a los datos almacenados a lo largo del nanohilo [8].

12 Nanoparticulas: aplicaciones El oro en la macroescala tiene la propiedad de reflejar la luz, pero cuando se reduce a la nanoescala puede hacerse que absorba la luz y la convierta en calor. En nanomedicina, el uso de nanosctructuras de oro como máquinas térmicas en miniatura sirve para matar células cancerigenas. La forma y el diámetro de las nanopartículas de oro determina las longitudes de onda de la luz absorbida, así que uno puede ajustar su tamaño y sus formas para controlar la longitud de onda a la que las partículas absorben la energía. Otro ejemplo son las suspensiones coloidales de nanopartículas CdSe. Cambiando sus diámetros las suspensiones exhiben diferentes propiedades ópticas cuando se ilumina con luz ultravioleta o visible. (Izquierda) Ilustración de la influencia del tamaño de las nanopartículas y la forma en las propiedades ópticas de las suspensiones respectivas. Suspensiones coloidales de nanopartículas de CdSe con tamaños cada vez mayores, de izquierda a derecha, expuestos a los rayos ultravioleta (arriba) y la iluminación ambiente (inferior) [10].

13 Física de los materiales magnéticos El ferromagnetismo es una propiedad que aparece sólo en determinados elementos (Fe,Co, Ni, Gd, Dy, Tb, Ho, Er y Tm) basada en un fenómeno cooperativo por el cual los momentos atómicos permanentes se acoplan entre sí como consecuencia de la interacción de canje entre los mismos. Este efecto desaparece a temperaturas superiores a un valor crítico, propio de cada material, denominado temperatura de Curie. La propiedad más importante que distingue a los materiales ferromagnéticos es la de presentar imanación incluso en ausencia de campo exterior. Por otra parte, en presencia de un campo externo aplicado H, los materiales ferromagnéticos presentan un ciclo de histéresis.

14 Física de los materiales magnéticos La geometría de este ciclo es muy importante para numerosas aplicaciones: los materiales de ciclo ancho se conocen como magnéticamente duros y sobre todo se utilizan en almacenamiento de energía o de información; los materiales que presentan un ciclo estrecho, denominados magnéticamente blandos se suelen emplear como sensores o en generadores, transformadores, etc. Curva de histéresis de un material ferromagnético con los parámetros más relevantes.

15 Física de los materiales magnéticos En los materiales ferromagnéticos podemos encontrar dominios magnéticos. En cada dominio los momentos magnéticos están paralelamente alineados mientras que entre dos dominios la dirección de imanación es diferente. La separación entre dos dominios no es abrupta ya que energéticamente no es favorable mantener dos átomos juntos de un material ferromagnético con la imanación antiparalela, sino que la transición está formada por las denominadas paredes de dominios, donde la imanación va girando progresivamente. (a) Esquema de un material separado en dominios magnéticos; en la pared de dominio el cambio de la imanación no es abrupto sino continuo. (b) Estado desimanado de un material ferromagnético a campo cero. A campo distinto de cero, se representan los diferentes mecanismos de inversión de la imanación: (c) desplazamiento de paredes y aumento de los dominios orientados paralelos al campo aplicado y (d) rotación de los dominios hasta orientar su imanación paralela al campo aplicado.

16 Nanomateriales magnéticos Cuando se reduce la dimensión de un material a tamaños de 1 a 100 nm sus dimensiones son comparables a las escalas de longitud critica de los fenómenos físicos, lo que lleva a que nuevas propiedades físicas puedan surgir. Escalas de longitud características en magnetismo [6].

17 Nanomateriales magnéticos La combinación de una elevada área superficial y las propiedades únicas exhibidas por los materiales que son reducidos a la nanoescala, son de gran interés para los científicos e ingenieros que hacen investigación en nanotecnología. Estas nanoestructuras, que presentan diferentes propiedades a los de los materiales convencionales, pueden dar lugar a innovadores principios de funcionamiento de los dispositivos e instrumentos tecnológicos. La investigación en este campo también estimula la comprensión de la física de los fenómenos y procesos nuevos en la nanoescala para el desarrollo de nuevos modelos y herramientas experimentales.

18 Nanomateriales magnéticos Representaciones esquemáticas de diferentes efectos mangéticos que ocurren en nanomateriales magnéticos [10].

19 Arreglo de nanohilos magnéticos Los nanohilos y los nanotubos son candidatos potenciales para aplicaciones como dispositivos de almacenamiento magnético, sensores, chips y dispositivos biomédicos (como portadores de drogas, asistidos magnéticamente). Su alta relación de aspecto y sus grandes áreas de superficie aumentan potencialmente sus anisotropías de forma y superficie, proporcionando el descubrimiento y la manipulación de propiedades físicas únicas que impulsan nuevas aplicaciones. La alta relación de aspecto que exhiben los nanohilos da como resultado valores de alta remanencia y coercitividad a lo largo de su eje. Por lo tanto, se convierten en materiales prometedores para dispositivos de almacenamiento magnético, de tal forma que arreglos ordenados de nanohilos puedan ser vistos como matrices de bits (0,1), donde ts 1 y los que apuntan hacia abajo serian bits 0.

20 Arreglo de nanohilos magnéticos Imágenes de microscopia de fuerza atomica de un arreglo ordenado hexagonal de nanohilos de Ni. of an hexagonal ordered array of Ni NWs (d ~ 180 nm) dentro de un sustrato nanoporoso de alúmina. El contraste blanco (negro) corresponde a nanohilos con la imanación orientada de manera opuesta (igual) a la dirección del campo de la punta. En (b) y (c) el campo magnético es de 350 y 700 Oe, respectivamente, aplicado a lo largo de los nanohilos. El incremento del numero de puntos negros desde las imágenes (a) a la (c) evidencia la reversión de la imanación de nanohilos individuales mediante la aplicación de un campo magnético externo [9].

21 Nanofabricación Las técnicas top down (de arriba abajo) son las más empleadas actualmente en la industria. Se basan en la manipulación física de los materiales en volumen y superficie y engloban técnicas como la litografía por haz de iones, electrones, rayos x, etc. Alternativamente los procesos bottom- up (de abajo hacia arriba) se basan esencialmente en el ensamblaje y la auto organización de elementos estructurales elementales mediante procesos químicos. Actualmente hay procesos que combinan ambas estrategias [11].

22 Nanofabricación: membranas de alúmina [12]

23 Membranas de alúmina TOP-DOWN BOTTOM- UP alternativa Mascara de patrones Micro and nanoelectronica photoelectronica sensores, grabación magnetica 400 nm Adv. Mat. 13, (2001) 1 m Elementos indispensables para dispositivos a nanoescala: 500 nm nanohilos, nanopilares, 400 nm nanodots, nanoholes y nanotubos

24 Ejemplo de nanoestructuras usando membranas de alúmina: nanohilos [13]

25 Conclusiones Los materiales cuando son confinados en escalas nanométricas presentan propiedades nuevas y diferentes que cuando están en la macroescala o en el estado bulk. La nanotecnología surge como resultado de un trabajo interdisciplinar, por los que sus aplicaciones pueden verse en distintas áreas de conocimiento y tecnologia.

26 Referencias Mariana de Jesus Paiva P., Tesis doctoral, Universidad de Porto e Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, 2012 Laura González Vivas, Tesis doctoral, Universidad Autónoma de Madrid, 2012 [1] J. Ramsden, Essentials of nanotechnology, Jeremy Ramsden & Ventus Publishing ApS, bookboon.com, [2] W. Chen, Reviews in nanoscience and nanotechnology, vol. 1, no. 1, pp. 1 2, [3] E. W. Muller and T. T Tsong, Elsevier,New York, [4] D. M. Eigler and E. K. Schwiezer, Nature, vol. 344, pp , 1990 [5] R. D. Piner, J. Zhu, F. Xu, S. Hong, and C. A. Mirkin, Science,vol. 283, no. 5402, pp , [6] Y. Shirai, A. J. Osgood, Y. Zhao, Y. Yao, L. Saudan, H. Yang, C. Yu-Hung, L. B. Alemany, T. Sasaki, J.-F. Morin, J. M. Guerrero, K. F. Kelly, and J. M. Tour, 2011 [7] ] J. Am. Chem. Soc., vol. 128, no. 14, pp , [8] M. Fuechsle, J. A. Miwa, S. Mahapatra, H. Ryu, S. Lee, O. Warschkow, L. C. L. Hollenberg, G. Klimeck, and M. Y. Simmons, Nature Nanotechnology, vol. 7, pp , [9] May 28th, [10] National Research Council, The Physics of materials: How science improves our lives, The National Academies Press, Washington, DC, [11] May 29th, 2012.