Applicazioni delle Nanostrutture a Base di Carbonio

Applicazioni delle Nanostrutture a
Base di Carbonio
Corso di Materiali Nanostrutturati a Base di
Carbonio
Silvio Bertoni
Indice
Applicazioni del grafene
Introduzione
Elettrodi trasparenti e conduttori flessibili
Celle solari a base di grafene-ossido di grafene
Altre applicazioni del grafene e suoi derivati
Applicazioni dei nanotubi di carbonio (CNT)
Introduzione II
Transistor a base di nanotubi (CNTFET)
Applicazioni dei CNT nel Trasporto di Farmaci e nella
Terapia Anti-Cancro
• Altre applicazioni dei CNT
• Bibliografia
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Applicazioni del Grafene
Introduzione
Elettrodi Trasparenti e Conduttori
Flessibili
Produzione di grafene tramite CVD su Ni e trasferimento su un substrato
K. S. Kim et al 2009 Large-scale pattern growth of graphene films for
stretchable transparent electrodes, Nature Letters, 457, 706-710
Caratterizzazione dei film di grafene prodotti con la tecnica precedente
Processo per la produzione su larga scala di elettrodi flessibili di grafene
S. Bae et al 2010 Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for
transparent electrodes, Nature Nanotechnol. 5, 574–8
• A seconda della metodologia produttiva usata si possono
perciò ottenere elettrodi trasparenti a base di grafene con
diversi valori di resistenza superficiale.
• Ciò ne rende possibile l’uso in molti tipi di dispositivi.
Celle solari a Base di Grafene-Ossido di
Grafene
•
Il tipo di celle solare le cui prestazioni sono finora state migliorate
maggiormente tramite l’utilizzo del grafene e dei suoi derivati sono le celle
solari a base di polimeri (polymer solar cell, PSC).
Polymer solar cell
Schema a bande semplificato del
funzionamento del dispositivo
• In questo tipo di celle come materiali attivi, al posto di una giunzione p-n tra due
semiconduttori, si usano materiali organici donatori e accettori di elettroni.
• Come materiale donatore normalmente è usato il poly(3-hexylthiophene),(P3HT) e
come accettore [6,6]-phenyl-C 61 -butyric acid methyl ester (PCBM).
• In questo tipo di celle le coppie elettrone-lacuna sono legate per formare
eccitoni pertanto sono necessari degli strati con la funzione di facilitare la
separazione di elettroni e lacune e formare contatti selettivi per gli
elettroni al catodo e per le lacune all’anodo.
• Il campo elettrico interno che contribuisce poi a separare i portatori è dato
dalla differenza tra le funzioni di lavoro dei due elettrodi.
• Il primo modo in cui è possibile migliorarne le prestazioni è utilizzare il GO
e l’RGO rispettivamente come electron e hole extraction layers.
• In particolare si funzionalizza il GO con il Cs2CO3 in modo da neutralizzare i
gruppi terminali –COOH del GO e ottenere così un ottimo electron
extraction layer.
P3HT
PCBM
• La celle sia in configurazione normale che inversa hanno entrambe
efficienze molto superiori a quelle delle celle contenenti PEDOT:PSS
(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene-Polystyrene sulfonate) usato per
estrarre le lacune e LiF usato per estrarre gli elettroni.
• Inoltre questa configurazione presenta il vantaggio di utilizzare lo
stesso materiale per la realizzazione di entrambi gli extraction layer,
semplificando la realizzazione della cella.
• Un altra metodologia che permette di migliorare le prestazioni
delle celle polimeriche è utilizzare grafene funzionalizzato con
C60 come materiale accettore e di trasporto per gli elettroni.
• Ciò viene ottenuto tramite un processo di litazione del grafene
con n-BuLi seguita dall’addizione nucleofila del C60.
Altre applicazioni del grafene e suoi
derivati
Oltre a quelle già mostrate vi sono molte altre applicazioni possibili per il
grafene e i suoi derivati:
• Sensori elettrochimici e biologici per rilevare la presenza di gas o
cambiamenti in ambienti biologici.
• Sensori di massa.
• Materiali compositi con polimeri, leggeri e dalle elevate proprietà
meccaniche per impieghi aerospaziali.
• Dispositivi optoelettronici.
• Materiali assorbenti e catalitici per la cattura e la fotodegradazione di
inquinanti sia organici che inorganici sia in fase liquida che gassosa.
• Membrane per aumentare la risoluzione del TEM.
Applicazioni dei Nanotubi di
Carbonio (CNT)
Introduzione II
Anche i nanotubi di carbonio, come il grafene, presenta proprietà fisiche,
chimiche e meccaniche molto interessanti.
Come mostrato nella tabella i nanotubi, possono presentare caratteristiche di
conduttori o semiconduttori e ciò è molto importante per le loro applicazioni.
Transistor a Base di Nanotubi (CNTFET)
Funzionamento di un MOSFET
Canale n
•
•
Canale p
Da oltre 40 anni i transistor MOSFET costituiscono la base dei moderni dispositivi elettronici.
Ulteriore miniaturizzazione resa difficile da correnti di perdita e dissipazioni di potenza
sempre più elevate attraverso canali sempre più corti e strati isolanti sempre più sottili.
• Per risolvere questi problemi è stato proposto un nuovo tipo di dispositivo,
il CNTFET (carbon nanotube field-effect transistor).
• Canale costituito da uno o più SWCNT con proprietà di semiconduttori.
• La prima tipologia di CNTFET inventata è stata il back-gated CNTFET,
proposta nel 1998.
Essa presenta però serie limitazioni a causa della elevate resistenze di
contatto e degli elevati potenziali di gate necessari per il suo funzionamento.
• Per ovviare a queste problematiche a partire dal 2003 è stata sviluppato
un dispositivo più avanzato, il top-gated CNTFET.
• I CNTFET, a differenza dei MOSFET che sono dispositivi unipolari, hanno un
comportamento ambipolare.
•
•
Per Vg=Vds/2 elettroni e buche danno lo stesso contributo alla corrente che
raggiunge un minimo.
Per avere un comportamento unipolare come nei MOSFET si possono
cambiare i metalli degli elettrodi in modo da ottenere barriere Schottky più
alte per un tipo di portatore, drogare i contatti attaccando opportune
molecole al nanotubo o utilizzando 2 gate diversi, uno per controllare lo
spessore delle barriere e l’altro per controllare il tipo di conduzione.
Vantaggi dei CNTFET rispetto ai MOSFET:
• Semiconduttore a gap diretta la cui ampiezza è controllata dal diametro e
dalla chiralità del CNT.
• Ottimo accoppiamento tra gate e CNT grazie al suo piccolo spessore,
maggiore velocità di transizione tra stato off e on.
• Miglior controllo della tensione di soglia grazie alla capacità quantica
associata al CNT e minor valore della tensione di soglia stessa.
• Minore scattering dei portatori dovuto ai fononi e a difetti, conduzione
quasi balistica che porta a densità di corrente circa 4 volte maggiori e a
mobilità dei portatori circa doppia.
• Transconduttanza circa 4 volte maggiore.
• Migliore conduzione termica.
• Dimensioni ridotte che ne favoriscono la miniaturizzazione e l’impiego di
un grande numero di essi nei circuiti integrati.
Svantaggi dei CNTFET rispetto ai MOSFET:
• Rapida degradazione dei CNT per reazione con l’O2,
necessario passivarli.
• Bassa affidabilità ad alti campi elettrici e temperature,
necessario utilizzare dispositivi dotati di più canali.
• Elevati costi di produzione e difficile riproducibilità dei
risultati.
Necessari ulteriori studi su questi materiali prima di poter
realizzare dispositivi elettronici di largo uso.
Applicazioni dei CNT nel Trasporto di
Farmaci e nella Terapia Anti-Cancro
• I CNT, per via della grande area superficiale e volume interno rispetto agli
altri tipi di nanoparticelle, alla notevole stabilità chimica e termica e alla
possibilità di funzionalizzare la superficie esterna con molti tipi diversi di
molecole, sono degli ottimi candidati per applicazioni biomediche.
• I CNT, come il grafene, sono però idrofobi e devono essere
opportunamente funzionalizzati per renderli compatibili all’ambiente
acquoso delle cellule.
• I nanotubi tendono spontaneamente a entrare nelle cellule per diffusione
attraverso le membrane lipidiche.
• Questo processo è indipendente dall’energia ed è valido per molti tipi
diversi di cellule, rendendo i CNT degli ottimi vettori molecolari.
Tra le possibili applicazioni in campo biomedico dei CNT possiamo ricordare:
• Funzionalizzazione con proteine o oligodeossinucleotidi per aumentare la
risposta immunitaria in funzione di vaccini.
• Trasporto più efficiente di pDNA o siRNA per inserire o silenziare geni
(terapia genica).
• Trasporto di molecole fluorescenti, farmaci o siRNA per diagnostica e
terapia di carcinomi.
• Una particolare applicazione dei CNT funzionalizzati è il loro
utilizzo per indurre morte per via termica nelle cellule tumorali.
• A questo scopo i SWCNT (single-walled carbon nanotube) sono
funzionalizzati con il Kentera (polimero a base di PPE) e immersi
in un campo a radiofrequenza di 13,56 MHz per 2 minuti.
Immagini tratte da J. Kunzelman at al. «Compatibilization of carbon
nanotubes with thermoplastic matrices»
• Lo stesso tipo di risultati possono essere ottenuti facendo
reagire MWCNT con metalloceni ad alta temperatura, in
particolare Fe (C5H5)2.
• In seguito alla pirolisi nanoparticelle di ferro restano
intrappolate all’interno del nanotubo e sottoposte a un
campo magnetico esterno in AC cedono calore.
• I risultati ottenuti dimostrano la fattibilità di
questo approccio.
• Potenza rilasciata per grammo molto più alta
degli altri nanomateriali testati.
• Necessario funzionalizzare i SWCNT e i
MWCNT con anticorpi o proteine in grado di
massimizzarne l’assorbimento selettivo da
parte delle cellule tumorali.
• Necessari ulteriori studi per stabilire rischi di
accumulo e di eventuale tossicità cronica nei
tessuti biologici.
Altre applicazioni dei CNT
Anche nel caso dei CNT oltre a quelle già mostrate vi sono molte
altre applicazioni possibili:
• Realizzazione di sensori funzionalizzando i CNT con enzimi,
antigeni/anticorpi o acidi nucleici.
• Realizzazione di membrane semipermeabili per
purificazione/desalinizzazione delle acque o per la
separazione di gas.
• Nanorobotica.
• Punte per AFM.
• Strati per aumentare la risoluzione del TEM.
Bibliografia
1) K. S. Kim et al. 2009 «Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable
transparent electrodes», Nature Letters, 457, 706-710.
2) S. Bae et al. 2010 “Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent
electrodes”, Nature Nanotechnol. 5, 574–8
3) V. Singh et al. 2011, “Graphene based materials: Past, present and future, Progress in
Materials Science”, 56 1178–1271.
4) L. Dai, 2013, «Functionalization of Graphene for Efficient Energy Conversion and Storage”,
Acc. Chem. Res., 46 (1), 31–42.
5) J. Liu et al. 2012, «Hole and Electron Extraction Layers Based on Graphene Oxide
Derivatives for High-Performance Bulk Heterojunction Solar Cells», Adv. Mater. 24, 2228–
2233. *
6) D. Yu et al. 2011, «Fullerene-Grafted Graphene for Efficient Bulk Heterojunction Polymer
Photovoltaic Devices», J. Phys. Chem. Lett, 2, 1113–1118. *
7) P. Avouris et al. 2007, «Carbon-based electronics», Nature Nanotechnology, 2, 605-615.
8) R. Sahoo and R. R. Mishra, 2009, «Simulations of Carbon Nanotube Field Effect
Transistors», 1 (2), 117–125.
9) L. Lacerda et al. 2007, «Cell-penetrating CNTs for delivery of therapeutics», NanoToday, 2
(6), 38-43.
10) C. J. Gannon et al. 2007, «Carbon Nanotube-enhanced Thermal Destruction of Cancer Cells
in a Noninvasive Radiofrequency Field”, Cancer, 110, 2654–65.