Nanomateriais à base de Carbono

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Nanomateriais
Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri- UFVJM
Instituto de Ciência, Engenharia e Tecnologia-ICET
Professora: Jakelyne Viana Coelho
Teófilo Otoni
Nanomateriais
Materiais à base de Carbono
O nanômetro é a milionésima parte do milímetro e o estudo do comportamento da
natureza nessa escala, tem trazido vários avanços em diferentes áreas da ciência. 
 O carbono apresenta-se como elemento promissor para a nanotecnologia uma 
vez que é bastante versátil, possuindo a capacidade de formar diferentes 
estruturas, principalmente na escala nanométrica. 
 fulerenos – moléculas de carbono com sessenta átomos,
 nanotubos de carbono,
 nanofitas de carbono ,
 grafenos. 
O grafeno é uma única camada de átomos de carbono arranjados em uma rede
hexagonal que foi descoberta em 2004. Essa descoberta foi realizada pelos
professores Andre Geim e Konstantin Novoselov da Universidade de Manchester, os
quais ganharam o Prêmio Nobel de Física de 2010.
Nanomateriais
-Vários tipos 
-Alta razão comprimento/diâmetro
(100-1000000)
-alta área específica (1500 m2/g)
-Alta resistência mecânica (100 x aço)
-Módulo elástico – (1-2 Tpa) 7 x aço
-Condutividade Térmica (6000 W / mK)
2 x diamante
-Condutividade Elétrica (maior que fio de cobre)
Nanomateriais
Grafeno: uma folha de átomos de carbono na hibridização
sp2, e o nanotubo de carbono é um grafeno enrolado em
forma de cilindro.
• Estes nanomateriais estão tendo um papel chave no
desenvolvimento da nanociência, devido a três aspectos
principais: (1) Suas ligações químicas são mais fortes que
na configuração sp3, fazendo estes materiais mais
resistentes a tensão que o diamante; (2) Seus elétrons pz
são deslocalizados e possuem propriedades anômalas,
sendo responsáveis por propriedades ópticas e de
transporte inovadoras. (3) Sua relativa simplicidade,
formado apenas por um tipo de átomo em uma estrutura
hexagonal periódica, permitindo o acesso acurado de suas
propriedades, tanto experimental quanto teoricamente.
Nanomateriais
 Fibras de carbono (indústria automobilística)
 Fulerenos (carreadores de drogas)
 Nanotubos (quiralidade-
Aplicações ambientais)
Nanomateriais
 Isolante – é um condutor de eletricidade muito
pobre;
 Metal – é um excelente condutor de
eletricidade;
 Semicondutor – possui condutividade entre os
dois extremos acima.
Isolantes, Semicondutores e Metais
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Semicondutores:
 Silício, Germânio (Grupo IV da Tabela Periódica)
 GaAs, GaN, InP, InSb, etc. (Grupo III-V da Tabela
Periódica)
 PbS, CdTe, galena, (Grupo II-VI da Tabela Periódica)
95% dos dispositivos eletrônicos são fabricados com
Silício
 65% dos dispositivos de semicondutores do grupo III-V
são para uso militar.
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Semicondutores:
SÃO USADOS PARA A FABRICAÇÃO DOS SEGUINTES 
DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS E OPTOELETRÔNICOS
 Transistor (amplificadores e interruptores)
 Diodos (Junção do Tipo P-N)
 Circuito integrado
 LEDS (Diodo emissor de Luz- diodo emissor de luz,
(Light Emitting Diode)
 Detetores de infravermelho
Células solares, etc.
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Semicondutores: Campos de aplicação
 Indústria de computadores (memórias,
microprocessadores, etc.)
 Indústria aeroespacial
 Telecomunicações
 Equipamentos de áudio e vídeo
 Relógios
 Na robótica
 Sistemas industriais de medidas e controles
 Sistemas de segurança
 Automóveis
 Equipamentos médicos
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Semicondutores:
A- METAIS
• Os elétrons de valência não estão ligados a
nenhum átomo específico (estão livres).
Há atração entre os elétrons livres (de valência) e os
íons positivos (núcleo mais elétrons de valência).
• Os metais têm elevada condutividade elétrica
devido os elétrons estarem livres para moverem-se
(alta mobilidade).
•
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B- SEMICONDUTORES
Todos os semicondutores têm ligação covalente, com
4 elétrons de valência. Os semicondutores
compostos (grupos III-V e II-VI) têm 4 elétrons de
valência em média.
RESISTIVIDADE VERSUS TEMPERATURA PARA
UM SEMICONDUTOR
O aumento da temperatura fornece energia que
liberta transportadores de cargas adicionais.
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É o espaço entre as bandas de energia
• É o que distingue um semicondutor de um condutor ou 
isolante.
GAP DE ENERGIA (BANDA PROIBIDA)
• Num semicondutor, os elétrons podem ser excitados 
para a banda de condução por energia elétrica, 
térmica ou óptica (fotocondução)
•  Quando um elétron é excitado para a banda de
condução deixa um buraco ou uma vacância na banda de
valência que contribui também para a corrente.
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Estrutura de bandas de energia
isolante semicondutor condutor
Banda 
proibida
Banda de
Valência
Elétrons
livres
Lacunas
Banda de
condução
Banda de
Valência
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Semicondutor intrínseco
Um semicondutor intrínseco
é um semicondutor no estado 
puro. À temperatura de zero 
graus absolutos (-273ºC) 
comporta-se como um isolante, 
mas à temperatura ambiente 
(20ºC) já se torna um condutor 
porque o calor fornece a 
energia térmica necessária 
para que alguns dos eletrons 
de valência deixem a ligação 
covalente (deixando no seu 
lugar uma lacuna) passando a 
existir alguns eletrons livres no 
semicondutor.
Nanomateriais
Semicondutor extrínseco
Há diversas formas de se provocar o aparecimento de pares
elétron-buraco livres no interior de um cristal semicondutor. Um
deles é através da energia térmica (ou calor). Outra maneira,
consiste em fazer com que um feixe de luz incida sobre o
material semicondutor.
Na prática, contudo, necessitamos de um cristal semicondutor
em que o número de eletrons livres seja bem superior ao
número de lacunas, ou de um cristal onde o número de lacunas
seja bem superior ao número de eletrons livres. Dopagem, por
meio de técnicas especiais, uma determinada quantidade de
outros tipos de átomos, aos quais chamamos de impurezas.
Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro
(intrínseco) este passa a denominar-se por semicondutor
extrínseco.
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Semicondutor extrínseco
 Dopagem - A adição de certos átomos estranhos aos
átomos de silício ou germânio, chamados de átomos
de impurezas, pode alterar a estrutura de camadas
(bandas) de energia de forma suficiente mudar as
propriedades elétricas dos materiais intrínsecos.
 Material extrínseco - Um material semicondutor que
tenha sido submetido a um processo de dopagem por
impurezas e chamado de material extrínseco.
 Esses materiais são chamados de: tipo N e tipo P.
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Semicondutor extrínseco
 Um método de dopagem consiste
na utilização de elementos
contendo 5 elétrons na camada de
valência (penta-valente), como o
antimônio, arsênio e fósforo.
 O quinto elétron, porém, fica
desassociado de qualquer ligação.
Esse elétron pode tornar-se livre
mais facilmente que qualquer outro,
podendo nessas condições vagar
pelo cristal.
 O material tipo N resultante, e
eletricamente neutro.
MATERIAL DOPADO -TIPO N
Electrão livre 
do Arsénio
Nanomateriais
Semicondutor extrínseco
MATERIAL DOPADO -TIPO P
 O material tipo P é formado pela
dopagem do semicondutor intrínseco
por átomos trivalentes como o boro,
gálio e índio.
 Há agora um número insuficiente de
elétrons para completar as ligações
covalentes. A falta dessa ligação é
chamada de lacuna ou (buraco).
 Como uma lacuna pode ser
preenchida por um elétron, as
impurezas trivalentes acrescentadas
ao silício ou germânio intrínseco, são
chamados de átomos aceitadores ou
receptores.
 O material tipo P resultante é
eletricamente neutro.Nanomateriais
• Impurezas pentavalentes: antimônio, arsênico, fósforo à
produzem semicondutores do tipo-n, por contribuirem com
elétrons extras (impurezas doadoras).
• Impurezas trivalentes: bóro, alumínio, gálio à produzem
semicondutores do tipo-p, por produzirem lacunas ou
deficiência de elétrons (impurezas aceitadoras).
• N P