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)
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
NP naturais de
ferro no fígado,
tecnológica
detetadas por MRI
• 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
RAM
magnética,
protótipo IBM
Métodos de fabricação
• Em geral, fora do equilíbrio
termodinâmico
–
–
–
–
–
–
NP de Co,
produzido por
sputtering
melt spinning
molecular beam epitaxy
sputtering
Litografia holográfica
Moagem mecânica
Métodos químicos.
NP de Fe, método coloidal
Moinho NEV MA8
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
Caracterização Estrutural
•XRD
•HR-TEM
Ácido poliaspártico
Ácido tartárico
Imagens TEM tomadas no LME-LNLS
Caracterização Estrutural
Através das imagens de
tartárico
ago 06
TEM obtivemos as Ácido
Ácido
tartárico
distribuições de
tamanhos
Count
Data: Data4_Count
Model: LogNormal
Equation:
y = y0 + A/(sqrt(2*PI)*w*x)*exp(-(ln(x/xc))^2/(2*w^2))
Weighting:
y
No weighting
60
50
Chi^2/DoF
= 22.5709
R^2
= 0.95385
Counts
40
d = 7.5 nm
 = 0.2
y0
xc
w
A
3.30802
7.46829
0.21171
212.38316
±1.87217
±0.12482
±0.01899
±14.73539
30
20
10
0
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Diameter distribution [nm]
d = 8.4 nm
 = 0.2
Carboxildextran
Carboxildextran
60
d = 9.1 nm
 = 0.3
40
Model: LogNormal
y0
-0.45481
xc
9.05021
w
0.26851
A
260.07038
30
Model: LogNormal
y0
0.70564
xc
8.36378
w
0.24955
A
238.64837
30
Counts
Counts
Poliaspartic acid
Ácido
poliaspártico
40
50
±1.62956
±0.16387
±0.02205
±16.21627
Gaussian : Mean
Std. Dev.
2,36
20
±1.35667
±0.12713
±0.01675
±12.20385
9,38
20
Gaussian Xc = 8.71 Std Dev = 2.37 nm
10
10
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Size distribution [nm]
(JEOL ARP 3100 microscope operated at 300 KV)
2
4
6
8
10
Diameter [nm]
12
14
16
18
Magnetoresistência de Tunelamento em sistemas
multicamadas : geometria básica
configuração AP
configuração P
e-
eM
M
M
Camada isolante
Eletrodos ferromagnéticos, onde é aplicado uma
voltagem
Razão MR =
Rmax  Rmín
. 100
Rmax
M
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 subbanda 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
• 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)
Zhang et al, NanoLetters 4 (2004) 2151
Wang et al, PRB 73 (2006) 134412
Sistemas baseados em magnetita
Ácido tartárico
TMR – nossos resultados
primeira: ~170 %
I ac tart
segunda:
~18%
II
7
6.0x10
7
2.0x10
7
1.9x10
7
4.0x10
7
R []
São os valores mais altos registrados até
agora em sistemas baseados em NP de
magnetita
1.8x10
7
1.7x10
6x10
I
2.0x10
7
II
1.9x10
7
1.8x10
7
1.7x10
7
1.6x10
7
1.5x10
7
1.4x10
7
1.3x10
7
1.2x10
7
7
2.0x10
7
5x10
7
4x10
7
7
1.6x10
R []
0
3x10
2x10
1x10
7
7
7
0
0
5000
10000
15000
5000
2 ,8x10
20000
15000
20000
H [G]
H [Oe]
Carboxildextran
primeira: ~35 %
segunda: ~56%
10000
Carboxildextran
I
8
2 ,6x10
8
2 ,4x10
8
2 ,2x10
8
2 ,0x10
8
1 ,8x10
8
1 ,6x10
8
1 ,4x10
8
1 ,2x10
8
1 ,1x10
8
1 ,0x10
8
9 ,0x10
7
8 ,0x10
7
7 ,0x10
7
II
H [G]
Ácido poliaspártico
primeira: ~620%
segunda: ~52 %
R []
H [Oe]
0
50 00
1 00 00
H [G ]
Medido com um eletrômetro Keitlhey 6517A (cortesia Prof. Dr. M. Knobel)
H [Oe]
1 50 00
2 00 00
TMR – nossos resultados
Alta sensibilidade
ao campo
magnético
22.0
ln 
21.5
Comportamento T-1\2
21.0
20.5
Tartaric acid1:2
0.062
0.063
T
-1/2
0.064
-1/2
[K
]
0.065
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
Z Z ( H )  Z ( H max )

Z
Z ( H max )
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)
Um sensor de temperatura
baseado na GMI
[5] C. Gómez-Polo et al; IEEE Trans. Magn. 39 (5): 3019-3024 (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
“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-xCrxSi13,5B9CuNb3 com x = 7. (LME-LNLS, Campinas)
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