Nanotecnologia
Caracterização térmica e elétrica precisa de nanomateriais, nanoestruturas e sistemas de materiais funcionais
A nanotecnologia permite o desenvolvimento específico de materiais e estruturas cujas propriedades podem mudar radicalmente devido às dimensões na escala nanométrica. As nanopartículas, os materiais nanoestruturados e as camadas funcionais à escala nanométrica são hoje utilizados, entre outros, em semicondutores, armazenamento de energia, sensores, materiais termoelétricos e revestimentos modernos.
À medida que as dimensões estruturais diminuem, as superfícies, as interfaces e os mecanismos de transporte à escala nanométrica ganham cada vez mais importância. Por isso, as propriedades térmicas e elétricas podem diferir significativamente das do material em massa correspondente. Por isso, uma caracterização experimental precisa é fundamental para compreender as relações entre estrutura e propriedades e para otimizar os nanomateriais de forma específica para aplicações técnicas.
Com os equipamentos de análise da LINSEIS, é possível estudar as propriedades térmicas, termofísicas e elétricas dos nanomateriais modernos – desde materiais em massa nanoestruturados e nanocompósitos até camadas à escala nanométrica e sistemas de materiais funcionais.
Questões relevantes
- De que forma é que as estruturas à escala nanométrica alteram o transporte de calor?
- Em que é que os materiais nano e os materiais em massa diferem nas suas propriedades?
- Que influência têm as interfaces na condução de calor?
- De que forma a nanoestrutura influencia a condutividade elétrica?
- Que papel desempenham a concentração de portadores de carga e a mobilidade?
- De que forma é que as nanopartículas alteram as propriedades de um material compósito?
- Que estabilidade térmica têm os materiais nanoestruturados?
- Como é que as propriedades térmicas e elétricas variam com a temperatura?
Parâmetros relevantes do material e do processo
| Parâmetros | Significado |
|---|---|
| Condutividade térmica | Caracterização do transporte de calor em materiais nanoestruturados |
| Condutividade térmica | Avaliação da propagação do calor no material |
| Interfaces térmicas | Influência das transições de materiais à escala nanométrica no transporte de calor |
| Anisotropia térmica | Dependência da direção do transporte de calor em materiais estruturados |
| Resistência elétrica | Avaliação das propriedades de transporte elétrico |
| Concentração de portadores de carga | Caracterização de nanomateriais eletrónicos e semicondutores |
| Mobilidade dos suportes de carga | Avaliação do transporte de carga no material |
| Estabilidade térmica | Resistência dos materiais nanoestruturados à exposição a temperaturas elevadas |
Métodos de medição para a nanotecnologia
Termorreflectância no domínio da frequência (FDTR)
Caracterização ótica da transferência de calor em camadas à escala nanométrica, nanoestruturas e sistemas de materiais complexos.
Análise de
- Condutividade térmica
- Difusividade térmica
- Transferência de calor no plano
- Transferência de calor entre planos
- Interfaces térmicas
Aplicações típicas
- Camadas nanoestruturadas
- Materiais semicondutores
- Sistemas multicamadas
- Nanomateriais funcionais
- Micro e nanoeletrónica
Análise de Camadas Finas (TFA)
Caracterização térmica de sistemas de materiais finos e à escala nanométrica com a ajuda de estruturas elétricas de aquecimento e medição.
Análise de
- Condutividade térmica
- Transporte de calor
- Propriedades dependentes da temperatura
- Sistemas de turnos
- Propriedades térmicas dos materiais
Aplicações típicas
- Materiais nanoestruturados
- Filmes finos
- Camadas semicondutoras
- Camadas dielétricas
- Materiais funcionais
Instrumentos de medição recomendados para a nanotecnologia
HCS L36
LSR-3 (LSR L33)
Exemplo prático: Transporte térmico em materiais nanoestruturados
Estabilidade térmica de um nanocompósito encapsulado de ureia e caolinita
Medições TG-DTG com o LINSEIS STA L82 mostram as fases de decomposição características de um nanocompósito de ureia-caulinita encapsulado com goma arábica, destinado a fertilizantes de libertação controlada. A medição distingue entre perda de humidade e de água, a degradação do encapsulamento e a deshidroxilação da caulinita, fornecendo assim informações importantes sobre a estabilidade térmica da formulação. Faz o download do white paper e descobre mais sobre a configuração da medição, os processos de decomposição e a interpretação dos resultados.
Por que é que a caracterização dos nanomateriais é fundamental
Na escala nanométrica, as propriedades dos materiais podem diferir significativamente das dos materiais macroscópicos. A elevada relação superfície/volume, as numerosas interfaces e os mecanismos de transporte alterados fazem com que os parâmetros clássicos do material em massa muitas vezes não sejam suficientes para descrever o comportamento real do material.
Uma caracterização térmica e elétrica específica cria a base de dados necessária para compreender estes efeitos e aproveitá-los no desenvolvimento de novos materiais.
A combinação de métodos de análise modernos permite:
- Caracterização da transferência de calor em nanomateriais
- Determinação da condutividade térmica e da condutividade de temperatura
- Estudo dos efeitos de interface à escala nanométrica
- Análise das propriedades térmicas anisotrópicas
- Determinação das propriedades de transporte elétrico
- Caracterização da concentração e da mobilidade dos portadores de carga
- Análise das propriedades termoelétricas
- Avaliação da estabilidade térmica
- Comparação entre materiais nano e materiais em massa
- Estudo da influência das nanoestruturas e das nanopartículas
- Desenvolvimento e otimização de nanomateriais funcionais
Aplicações – Novas tecnologias
Perguntas frequentes – Nanotecnologia
Porque é que os nanomateriais têm propriedades diferentes das dos materiais em massa?
À medida que o tamanho da estrutura diminui, a relação entre superfície e volume aumenta significativamente. Ao mesmo tempo, as interfaces e os mecanismos de transporte dependentes do tamanho ganham importância. Por isso, as propriedades térmicas e elétricas podem diferir consideravelmente das do material em massa correspondente.
Que nanomateriais podem ser analisados com os sistemas LINSEIS?
Dependendo do método de medição, é possível caracterizar, entre outros, nanopartículas e nanopós, materiais a granel nanoestruturados, nanocompósitos, materiais semicondutores, bem como camadas funcionais à escala nanométrica e sistemas multicamadas.
Porque é que a condutividade térmica dos nanomateriais é particularmente interessante?
As estruturas à escala nanométrica podem influenciar de forma seletiva a transferência de calor. Isto é interessante, por exemplo, para materiais termoelétricos, nos quais uma baixa condutividade térmica pode ser vantajosa, ou para aplicações eletrónicas, nas quais o calor tem de ser dissipado da forma mais eficiente possível.
Que papel desempenham as interfaces nos nanomateriais?
Devido às suas pequenas dimensões estruturais, os nanomateriais podem apresentar uma densidade muito elevada de interfaces. Estas influenciam o transporte de calor e de carga elétrica, podendo assim determinar de forma significativa as propriedades macroscópicas de todo o material.
Que propriedades elétricas dos nanomateriais podem ser estudadas?
Com métodos de medição adequados, é possível determinar, por exemplo, a resistência elétrica, o coeficiente de Hall, a concentração de portadores de carga, a mobilidade e o coeficiente de Seebeck. Estes parâmetros são especialmente relevantes para semicondutores, materiais termoelétricos e outros nanomateriais funcionais.
Que métodos de medição são adequados para a caracterização térmica de nanomateriais?
O método adequado depende muito da forma do material. Para camadas e interfaces à escala nanométrica, são adequados métodos especializados de camada fina, como o FDTR e o 3-Omega. Os materiais em massa nanoestruturados e consolidados podem, por exemplo, ser analisados com o LFA, enquanto o STA fornece informações sobre a estabilidade térmica e os processos de reação.
