Alguns usos de nanopartículas magnéticas

em sensoresLeandro 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)

Workshop Física e Inovação na América

Latina

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)

Sumário•Nanociência - nanotecnologia e nanopartículas

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

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 U$S 30 bilhões para 2008

Pintura magnética

NP naturais de ferro no fígado, detetadas por MRI

RAM magnética, protótipo IBM

Métodos de fabricação

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

NP de Co, produzido por sputtering

Moinho NEV MA8

NP de Fe, método coloidal

Nanopartículas magnéticas

• Fabricadas por métodos coloidais : coprecipitação

• Magnetita – Fe3O4:

– Half metal => filtro de spin =>

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

Imagens TEM tomadas no LME-LNLS

Ácido tartárico

Ácido poliaspártico

Caracterização Estrutural

•XRD•HR-TEM

Através das imagens de TEM obtivemos as distribuições de tamanhos

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 180

10

20

30

40

50

60

Data: Data4_CountModel: LogNormalEquation: y = y0 + A/(sqrt(2*PI)*w*x)*exp(-(ln(x/xc))^2/(2*w^2))Weighting: y No weighting Chi^2/DoF = 22.5709R^2 = 0.95385 y0 3.30802 ±1.87217xc 7.46829 ±0.12482w 0.21171 ±0.01899A 212.38316 ±14.73539

Co

un

ts

Diameter distribution [nm]

Count

Ácido tartárico ago 06

(JEOL ARP 3100 microscope operated at 300 KV)

2 4 6 8 10 12 14 16 180

10

20

30

40 Poliaspartic acid

Model: LogNormaly0 -0.45481 ±1.35667xc 9.05021 ±0.12713w 0.26851 ±0.01675A 260.07038 ±12.20385

Gaussian : Mean 9,38Std. Dev. 2,36C

ou

nts

Diameter [nm]

2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

10

20

30

40

50

60

Model: LogNormaly0 0.70564 ±1.62956xc 8.36378 ±0.16387w 0.24955 ±0.02205A 238.64837 ±16.21627

Gaussian Xc = 8.71 Std Dev = 2.37 nm

Co

un

ts

Size distribution [nm]

Carboxildextran

Ácido tartárico

Caracterização Estrutural

d = 8.4 nm = 0.2 d = 9.1 nm

= 0.3

d = 7.5 nm = 0.2

CarboxildextranÁcido poliaspártico

Magnetoresistência de Tunelamento em sistemas multicamadas : geometria básica

Eletrodos ferromagnéticos, onde é aplicado uma voltagem

configuração P

M M

e-

Camada isolante

configuração AP

M M

e-

Razão MR = 100.max

max

R

RR mín

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

Barreiras de Tunelamento

• Sistemas multicamadas

• Espaçador:– Mg-O

– Al-Ox

• Produzidas por técnicas de deposição

Razão MR a RT

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

Sistemas baseados em magnetita

• Para NP recobertas com poliestireno, Wang et al acharam um efeito MR de 22.6 % @ 14 T (RT)

• Nanofios de MgO/Fe3O4:

– 1.2 % @ 1.8T (RT)

Wan

g et

al,

PR

B 7

3 (2

006)

134

412

Zhang et al, NanoLetters 4 (2004) 2151

TMR – nossos resultados

0 5000 10000 15000 20000

2.0x107

4.0x107

6.0x107

R [

]

H [G]

I ac tart

1.6x107

1.7x107

1.8x107

1.9x107

2.0x107

II

Ácido poliaspárticoprimeira: ~620%segunda: ~52 %

0 5000 10000 15000 20000

0

1x107

2x107

3x107

4x107

5x107

6x107

R [

]

H [G]

I

1.2x107

1.3x107

1.4x107

1.5x107

1.6x107

1.7x107

1.8x107

1.9x107

2.0x107

II

Ácido tartáricoprimeira: ~170 %

segunda: ~18%

Carboxildextranprimeira: ~35 %segunda: ~56%

0 5000 10000 15000 20000

1,4x108

1,6x108

1,8x108

2,0x108

2,2x108

2,4x108

2,6x108

2,8x108

R []

H [G ]

I

7,0x107

8,0x107

9,0x107

1,0x108

1,1x108

1,2x108

Carboxildextran

II

São os valores mais altos registrados até agora em sistemas baseados em NP de magnetita

H [Oe]

H [Oe]

H [Oe]

Medido com um eletrômetro Keitlhey 6517A (cortesia Prof. Dr. M. Knobel)

Alta sensibilidade ao campo magnético

TMR – nossos resultados

Comportamento T-1\2

0.062 0.063 0.064 0.065

20.5

21.0

21.5

22.0

ln

T-1/2 [K-1/2]

Tartaric acid1:2

Característico de tunelamento termicamente ativado, em sistemas granulares

Um sensor de temperaturas baseado na magnetoimpedância gigante

• Magnetoimpedância Gigante:

–Impedância : Z =R+iX

–Baseado no efeito pele:: profundidade, : resistividade elétrica, : permeabilidade magnética

–Variação percentual:

f

)(

)()(

max

max

HZ

HZHZ

Z

Z

A presença de NP incrementa o efeito GMIM. Knobel, M. Vázquez, L. Kraus, "Giant Magnetoimpedance" em Handbook of Magnetic Materials (K. H. J. Buschow, ed.) (Elsevier

Science, Amsterdam, 2003)

• 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

Imagem de TEM de uma amostra Fe73,5-xCrxSi13,5B9CuNb3 com x = 7. (LME-LNLS, Campinas)

Um sensor de temperatura baseado na GMI

[5]

C. G

ómez

-Pol

o et

al;

IE

EE

Tra

ns. M

agn.

39

(5):

301

9-30

24 (

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

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

A viabilidade…

• A nanociência-nanotecnologia constitui uma área de pesquisa e desenvolvimento multidisciplinar

• Os investimentos em P&D 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?

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

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