FUNDAMENTOS DE ESTADO SÓLIDO E CIÊNCIA DE MATERIAIS

O entendimento da estrutura da matéria em escala macro e nano é fundamental para a caracterização e o desenho de novos materiais e dispositivos. Conceitos básicos do estado sólido serão abordados para introduzir as técnicas avançadas experimentais e teóricas, relacionando propriedades e estruturas. As aplicações da nanotecnologia são amplas e versáteis em várias áreas de pesquisa, tais como em química, física, biologia, medicina, engenharia.

 
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FABRICAÇÃO DE MATERIAIS 2D E NANOMATERIAIS

Desde o seu descobrimento em 2004, o grafeno não parou de suscitar o interesse científico e econômico da comunidade de pesquisa em nanotecnologias devido ao fato de possuir a menor espessura que um material pode ter 1 camada de espessura atômica. Precisamente por ser um material de duas dimensões (2D), o grafeno apresenta propriedades intrínsecas peculiares: maior módulo elástico, altas conduções elétricas, etc. Nos últimos anos, várias publicações revelam que as propriedades eletrônicas do grafeno podem ser moduladas quando este está empilhado em cima de outras camadas atômicas com simetria hexagonal. Essa formação de heteroestruturas por empilhamento de materiais 2D não se limita ao caso do grafeno. Os metais de transição dicalcogênicos (TMDs – Transition Metal Dichalcogenides) são materiais com simetria hexagonal que podem ser esfoliados (MoS2, WS2, MoSe2, etc.) e por consequência podem ser empregados na fabricação de heteroestruturas empilhadas que interagem por forças de Van der Waals. Esse acoplamento intercamadas pode ser visto como um novo grau de liberdade que favorece maior diversidade na engenharia de estruturas de banda em novos dispositivos eletrônicos / optoeletrônicos.

Esse seminário visa mostrar a pesquisa que vem sendo feita em síntese e caracterização de materiais bidimensionais e a confecção de heteroestruturas de Van der Waals.

Nanoscience & Technology for Industrial Applications at IBM Research-Brazil

The experimental investigation and computational analysis of nanometer scale materials and processes is enabling technologies for transforming industrial processes. In this presentation, I will provide an overview of our research activities that leverage nanoscience in the creation of prototype applications for exploration and production of natural resources. Examples include material selections, flow simulations and lab-on-chip experiments for enhanced oil recovery. Furthermore, I will discuss how the integration of 2-dimensional nanomaterials, due to their extreme surface-to-volume ratios and unique optoelectronic properties, are enabling device functionalities with potential applications ranging from advanced manufacturing to integrated measurement and sensing.

FUNDAMENTOS DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA, FEIXE DE IONS FOCALIZADOS E MICROSCÓPIO DE FEIXE DE HÉLIO.

Este curso intensivo proporcionará uma compreensão básica dos instrumentos envolvidos na óptica da microscopia eletrônica de varredura (SEM - scanning electron microscopy), dos seus modos de imagem e da associação com diferentes detectores (ETD, TLD e STEM). Serão apresentados os mais importantes métodos de preparação de amostras e técnicas de calibração sendo abordados os principais domínios de aplicação (ciências dos materiais e ciências da vida). Este curso também abordará os fundamentos do feixe de íons focalizados (FIB - focused ion beam). Seus princípios de operação serão apresentados: conceitos de feixe duplo, imagem de elétrons e íons, preparação de seção transversal e visualização e preparação de amostras para microscopia eletrônica de transmissão. Alguns exemplos de aplicação do microscópio de feixe de hélio serão tratados.

INTRODUÇÃO À MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃO

Serão apresentados os fundamentos da microscopia eletrônica de transmissão (TEM - Transmission electron microscopy) e seus princípios de operação serão apresentados: instrumento TEM, interação de elétrons com matéria, preparação de amostra, modos de imagem, difração, TEM de alta resolução, e conceitos básicos de análise química em microscopia.

STEM, EELS, EFTEM e MONOCROMADOR

Nesta palestra, serão apresentados os conceitos de microscopia eletrônica de varredura por transmissão (STEM – do inglês scanning transmission eléctron microscopy), que se trata de um modo de operação do microscópio eletrônico de transmissão. Serão ainda discutidos alguns processos de espalhamento inelástico do elétron, e a técnica que analisa tais perdas energéticas para gerar a caracterização de elementos e de ligações químicas – eléctron enery-loss spectroscopy (EELS) e sua ramificação energy-filtered transmission electron microscopy (EFTEM). Por fim, serão comentados os princípios do uso de monocromador em análises de EELS e suas aplicações, em especial nas análises de ressonância de plasmon em nanoestruturas metálicas.

NANOFABRICAÇÃO

As técnicas de fabricação e inovação relacionadas ao desenvolvimento de materiais e dispositivos têm tido um grande sucesso no aprimoramento de produtos tecnológicos e de alto valor agregado nas últimas décadas. Para lidar com o grande volume de informação gerado e armazenado pela sociedade tem sido necessário desenvolver técnicas e dispositivos capazes de lidar com capacidades cada vez maiores de miniaturização. Para se ter uma ideia, cada um dos 24 discos de armazenagem do primeiro disco rígido de computador, desenvolvido pela IBM na década de 50, tinham uma área de armazenagem de aproximadamente 1.5 m 2 . Este sistema possuía uma capacidade de armazenamento de aproximadamente 2.000 bits/in 2 . Um aumento significativo desta densidade é possível de ser obtido usando técnicas de fabricação que envolvam um miniaturização drástica, na escala do nanometro. A nanofabricação geralmente se refere a um conjunto de tecnologias usadas para fabricar estruturas muito pequenas (em escalas que variam de 1 a 100 nm) que podem ser integradas em sistemas hierárquicos complexos. O uso destas técnicas permite uma vasta gama de novas capacidades para saúde, novos materiais para transporte, novas categorias e capacidades de produtos de consumo, novos processos para a indústria, novos dispositivos e sensores. Hoje em dia, com as técnicas de nanofabricação existentes, é possível produzir discos rígidos com capacidade de 1,34 Tbit/in 2 . O mesmo ocorre na produção de chips e circuitos integrados das CPUs, onde a densidade de componentes segue a famosa lei de Moore. Os métodos convencionais que emergiram da microeletrônica são agora usados ​​para a fabricação de estruturas para circuitos integrados, sistemas microeletromecânicos, micro-ópticos e dispositivos microanalíticos. Abordagens não convencionais ou alternativas mudaram a maneira como padronizamos nanoestruturas e trouxeram ao nosso dia a dia novas técnicas simples e de baixo custo para fabricação em nanoescala. Nesta aula iremos apresentar alguns conceitos básicos de técnicas para nanofabricação, exemplificando as técnicas disponíveis, os atuais estados da arte na área e as visões para os processos do futuro.

CRESCIMENTO EPITAXIAL

Nanoestruturas semicondutores estão presentes em diversos equipamentos do nosso dia-a-dia. Elas fazem com que possamos “ver” melhor, “escutar” melhor e “pensar” melhor. Mas como elas são feitas? A fabricação destas estruturas semicondutores é uma tarefa muito desafiadora e interessante. Estes materiais são crescidos em equipamentos extremamente complexos e de última geração.

Em geral para fabricar novas estruturas funcionais temos que desvendar segredos muito bem guardados da natureza. Só assim conseguimos vencer certas barreiras tecnológicas e avançar para o próximo patamar do conhecimento.

Neste seminário mostrarei como isto é tem sido feito e como pode ser utilizado em diversos dispositivos como células solares e imaginadores térmicos.

 

NANODISPOSITIVOS OPTOELETRÔNICOS - GRUPO III-V

A área de dispositivos optoeletrônicos é subdividida em duas grandes subáreas: detectores e emissores. Fotodetectores de poços quânticos, de pontos quânticos e de super-redes, detectores de cascata quântica, células solares, lasers de cascata quântica são exemplos de avanços tecnológicos desenvolvidos recentemente na área de nanodispositivos optoeletrônicos de materiais do grupo III-V. Este curso apresentará uma introdução à área detalhando o funcionamento de diversos nanodispositivos optoeletrônicos. Ao final, será apresentado o estado da arte na pesquisa de fotodetectores de super-redes. 

NANOMATERIAIS E NANOESTRUTURAS PARA APLICAÇÕES FOTOVOLTAICAS

Nessa aula serão apresentados os conceitos de funcionamento e caraterização das células solares e serão correlacionadas as propriedades dos materiais e a fabricação dos dispositivos à eficiência das células fotovoltaicas. Em seguida serão apresentados estudos e desenvolvimentos de estruturas em escala nanométrica, como pontos quânticos, nanotubos, nanofios e filmes mesoporosos, ferramentas estratégicas para a realização de células solares avançadas, especialmente visando a otimização da relação eficiência/custo.

 

ESPECTROSCOPIA RAMAN

 

Este curso irá apresentar conceitos fundamentais do espalhamento Raman em cristais com aplicações em nanomateriais de carbono. Inicialmente, iremos abordar as propriedades estruturais, eletrônicas e vibracionais de cristais. Em seguida, vamos estudar os aspectos básicos do espalhamento Raman e do espalhamento Raman ressonante. Será abordado os principais aspectos sobre instrumentação na espectroscopia Raman. Por fim, vamos demonstrar algumas aplicações da técnica no estudo de nanotubos de carbono e grafeno.

 

MICROSCOPIA DE FORÇA ATÔMICA

A microscopia de força atômica vai muito além de simples imagens em 3-D. Diversas propriedades dos materiais em nanoescala podem ser medidas e descobertas utilizando o AFM. Nesta aula serão apresentados os conceitos básicos de funcionamento do AFM, desde pontas utilizadas, calibração e controle, até seus modos de operação e aplicações com foco na ciência de materiais.

 

NANO-ESPECTROSCOPIA ÓPTICA - TERS

A microscopia óptica de campo próximo aplicada ao espalhamento Raman é conhecida pela sigla TERS, do inglês tip-enhanced Raman spectroscopy. Esta recente técnica é capaz de quebrar o limite de difração para a resolução óptica, gerando imagens com informações químicas e estruturais com resolução espacial abaixo de 10 nm, mesmo utilizando luz do espectro visível.  Este curso tem como objetivo a apresentação da instrumentação, potenciais e aplicações de TERS, assim como dos conceitos básicos necessários para seu entendimento, como: propriedades ópticas dos materiais, ressonâncias de plasmon, limite de resolução óptica, espectroscopia óptica.

 
 

INTRODUÇÃO A TÉCNICA DE ESPALHAMENTO DE RAIO-X

EM BAIXOS ÂNGULOS (SAXS)

Esse mini-curso tem por objetivo mostrar a potencialidade da técnica de SAXS para investigação estrutural de nanomateriais e sistemas biológicos nanoestruturados. Após uma apresentação dos conceitos físicos envolvendo espalhamento de raio-X pela matéria, o principio da técnica e a montagem experimental serão abordados, enfatizando os cuidados que devem ser tomados para realizar um bom experimento. Em seguida serão apresentados os perfis de curvas de SAXS relacionados a vários tipos de sistemas naoestruturados diferentes e os principais modelos estruturais teóricos que permitem, a partir do ajuste das curvas experimentais, determinar os parâmetros estruturais de um nanosistema. Serão dados exemplos de vários tipos relacionados a linhas de pesquisa atuais envolvendo materiais nanoestruturados.  

FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES DA TÉCNICA“ESPECTROSCOPIA DE FOTOELÉTRONS EXCITADOS POR RAIOS-X(XPS)”

Os fundamentos da técnica de espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X serão apresentados assim como a instrumentação envolvida para a coleção dos espectros. Será abordado também o processamento dos dados experimentais através do software CasaXPS mostrando como é feito o ajuste das curvas, remoção de background, definição de função matemática para o ajuste, bem como a determinação dos fatores de sensibilidade. Exemplos de caso mostrando como é feita a identificação e quantificação de elementos químicos, determinação das ligações químicas, estados de oxidação e caráter metálico serão apresentados.

FUNDAMENTOS E APLICAÇÕES DAS TÉCNICAS DE DIFRAÇÃO E FLUORESCÊNCIA DE RAIOS-X 

Serão apresentados os conceitos básicos de cristalografia, bem como aplicações da técnica de difração de raios-X no estudo de propriedades estruturais e microestruturais de materiais. O curso inclui os seguintes tópicos: fundamentos de difração, rede recíproca, equação de Bragg, equação de Laue, difração por cristais, intensidade de reflexões, operações de simetria, simetria de grupos espaciais, instrumentação, geometrias de difração, análise de fase quantitativa, perfis de pico, fontes de alargamento de picos, tamanho de cristalino e tensão na rede. Em sua segunda parte serão apresentados no curso os princípios fundamentais de análise química pela técnica de fluorescência de raios-X onde será apresentado: interação de raios-X com a matéria, radiação característica de raios-X, regras de seleção, espectro de emissão de tubos de raios-X, fluorescência de raios-X por dispersão de comprimento de onda, analisadores de cristais, detectores, abordagem básica para análise quantitativa, calibração, métodos e modelos para análise quantitativa, correção para efeitos matriciais.

COMPARAÇÕES ENTRE AS TÉCNICAS

Correlacionar técnicas, mais do que somar resultados, significa multiplicá-los num processo sinérgico. Técnicas de análise correlacionadas abrem novos horizontes para o pesquisador, no sentido de enriquecer com dados novos e mais profundos no estudo de materiais. Neste curso iremos apresentar comparações entre as diferentes técnicas de caracterização para alguns materiais específicos incluindo nanopartículas e grafeno.