Presentaci

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Workshop Física e Inovação na América Latina
Alguns usos de nanopartículas magnéticas em
sensores Leandro M. Socolovsky Grupo de Nanodots
Magnéticos, Instituto de Física, Universidade
Federal de Goiás, Campus Samambaia, Goiânia (GO),
Brasil Laboratorio de Sólidos Amorfos, Depto de
Física, Facultad de Ingeniería, Universidad de
Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina
(proximamente)
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Realização dos experimentos - Colaboradores

• Grupo de Nanodots Magnéticos (UFG)
• Prof. Dr. Andris F. Bakuzis (diretor)
• Juracy L. dos Santos Junior, Emilio Cintra,
  Marcus Carrião (alunos)
• Grupo de Investigación de Propiedades Físicas y
  Aplicaciones de Materiales (Universidad Pública
  de Navarra, Espanha)
• Dra. Cristina Gómez-Polo (diretora)
• José Ignacio Pérez de Landazabal (investigador)

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Sumário

• Nanociência - nanotecnologia e nanopartículas
  magnéticas
• Propriedades relevantes (TMR e GMI)
• TMR em NP recobertas com camada orgânica
• GMI em finemet
• Conexões
• Conclusões

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Nanociência - Nanotecnologia

• Tamanho típico de estruturas em um material é da
  ordem dos nanômetros, propriedades físicas e
  químicas novas aparecem
• Existe como área própria há uma década
• É considerada a nova revolução tecnológica
• Aplicações nas áreas de terapias médicas,
  remediação ambiental, metalurgia,
  eletrodomésticos, eletrônica, spintrónica,
  alimentos, entre muitos outros
• Espera-se um mercado potencial de US 30 bilhões
  para 2008

Pintura magnética
NP naturais de ferro no fígado, detetadas por MRI
RAM magnética, protótipo IBM
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Métodos de fabricação
NP de Co, produzido por sputtering

• Em geral, fora do equilíbrio termodinâmico
• melt spinning
• molecular beam epitaxy
• sputtering
• Litografia holográfica
• Moagem mecânica
• Métodos químicos.

NP de Fe, método coloidal
Moinho NEV MA8
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Nanopartículas magnéticas

• Fabricadas por métodos coloidais coprecipitação
• Magnetita Fe3O4
• Half metal gt filtro de spin gt Spintrônica
• Recobertas com camada orgânica
• Camada homogênea
• Diferentes distâncias entre NP com diferentes
  camadas
• Distribuição estreita de tamanhos

• Nanopartículas de Fe3O4 recobertas com
  carboxildextran, ácido poliaspártico, ácido
  tartárico

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Caracterização Estrutural

• XRD
• HR-TEM

Ácido poliaspártico
Ácido tartárico
Imagens TEM tomadas no LME-LNLS
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Caracterização Estrutural

• Através das imagens de TEM obtivemos as
  distribuições de tamanhos

Ácido tartárico
d 7.5 nm ? 0.2
d 8.4 nm ? 0.2
Carboxildextran
d 9.1 nm ? 0.3
Ácido poliaspártico
(JEOL ARP 3100 microscope operated at 300 KV)
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Magnetoresistência de Tunelamento em sistemas
multicamadas geometria básica
configuração P
configuração AP
e-
e-
M
M
M
M
Camada isolante
Eletrodos ferromagnéticos, onde é aplicado uma
voltagem
Razão MR
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Magnetoresistencia de Tunelamento

• Tunelamento dependente de spin (SDT)
• Diferencias na DOS no nível de Fermi
• Dois canais
• No processo, o spin é conservado
• Elétrons de uma sub-banda tunelam à outra banda
  com a mesma orientação

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Barreiras de Tunelamento

• Sistemas multicamadas
• Espaçador
• Mg-O
• Al-Ox
• Produzidas por técnicas de deposição

Razão MR a RT
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TMR em sistemas granulares

• A condução elétrica é feita por tunelamento entre
  as NP
• A camada orgânica é o espaçador isolante
• O processo de transporte depende da distância
  NP-NP, assim como do tamanho delas

• e-

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Sistemas baseados em magnetita

• Para NP recobertas com poliestireno, Wang et al
  acharam um efeito MR de 22.6 _at_ 14 T (RT)
• Nanofios de MgO/Fe3O4
• 1.2 _at_ 1.8T (RT)

Wang et al, PRB 73 (2006) 134412
Zhang et al, NanoLetters 4 (2004) 2151
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TMR nossos resultados
Ácido tartárico primeira 170 segunda 18
São os valores mais altos registrados até agora
em sistemas baseados em NP de magnetita
Carboxildextran primeira 35 segunda 56
H Oe
H Oe
Ácido poliaspártico primeira 620 segunda 52

H Oe
Medido com um eletrômetro Keitlhey 6517A
(cortesia Prof. Dr. M. Knobel)
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TMR nossos resultados
Alta sensibilidade ao campo magnético
Comportamento T-1\2
Característico de tunelamento termicamente
ativado, em sistemas granulares
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Um sensor de temperaturas baseado na
magnetoimpedância gigante

• Magnetoimpedância Gigante
• Impedância Z RiX
• Baseado no efeito pele
• ? profundidade,
• ? resistividade elétrica,
• ? permeabilidade magnética
• Variação percentual

A presença de NP incrementa o efeito GMI M.
Knobel, M. Vázquez, L. Kraus, "Giant
Magnetoimpedance" em Handbook of Magnetic
Materials (K. H. J. Buschow, ed.) (Elsevier
Science, Amsterdam, 2003)
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Um sensor de temperatura baseado na GMI

• Amostras de um finemet, Fe73,5-xCrxSi13,5B9CuNb3
• Pequenas variações no conteúdo de Cr modificam a
  TC
• Nas vizinhanças de TC o efeito GMI é máximo
• È possível fabricar um termômetro altamente
  sensível

5 C. Gómez-Polo et al IEEE Trans. Magn. 39
(5) 3019-3024 (2003)
Temperature detection method based on the
magnetoimpedance effect in soft magnetic
nanocrystalline alloys, C. Gómez-Polo, L. M.
Socolovsky, M. Knobel and M. Vázquez EMSA Sensor
Letters Vol. 5 (2007) 1-4
Imagem de TEM de uma amostra Fe73,5-xCrxSi13,5B9C
uNb3 com x 7. (LME-LNLS, Campinas)
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Conclusão parcial do trabalho de pesquisa

• O efeito TMR em NP recobertas com camada orgânica
  e a sensibilidade ao campo magnético são muito
  elevados
• É possível sintonizar a TC em sistemas tipo
  finemet, para maximizar o efeito GMI a uma
  temperatura de referência

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A viabilidade

• A nanociência-nanotecnologia constitui uma área
  de pesquisa e desenvolvimento multidisciplinar
• Os investimentos em PD nos países da América
  Latina são uma fração mínima se comparada aos dos
  países centrais
• Em muitos casos trata-se de áreas existentes,
  onde grandes empresas são fortes jogadores (P.E.
  a eletrônica
• É possível fazer alguma coisa?

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Existem janelas de oportunidade

• Uma delas é a dos sensores relativamente
  baratos de produzir
• Possibilidade de criar empresas spin-off
• Geração de recursos humanos associada
• Atenção às necessidades específicas do país e da
  região

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Conclusões

• Sistemas baseados em nanopartículas magnéticas
  oferecem possibilidades de fabricação de sensores
• A área é uma janela de oportunidade
• Os laboratórios têm que focar na formação de
  recursos humanos, e estabelecer parcerias
  interdisciplinárias com outras áreas de pesquisa,
  e com os possíveis usuários da tecnologia, P.E.
  ministérios, organizações sociais, ONG

Agradecimentos LME staff, M. Knobel, P.P
Sartoratto, N. Buske, LNLS, CNPq