Applicazioni delle Nanostrutture a Base di Carbonio

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1 Applicazioni delle Nanostrutture a Base di Carbonio Corso di Materiali Nanostrutturati a Base di Carbonio Silvio Bertoni

2 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

3 Applicazioni del Grafene

4 Introduzione

5 Elettrodi Trasparenti e Conduttori Flessibili

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7 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,

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9 Caratterizzazione dei film di grafene prodotti con la tecnica precedente

10 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

11 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.

12 Celle solari a Base di Grafene-Ossido di Grafene

13 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).

14 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 Cs 2 CO 3 in modo da neutralizzare i gruppi terminali COOH del GO e ottenere così un ottimo electron extraction layer.

15 P3HT PCBM

16 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.

17 Un altra metodologia che permette di migliorare le prestazioni delle celle polimeriche è utilizzare grafene funzionalizzato con C 60 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 C 60.

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20 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.

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22 Applicazioni dei Nanotubi di Carbonio (CNT)

23 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.

24 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.

25 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 Essa presenta però serie limitazioni a causa della elevate resistenze di contatto e degli elevati potenziali di gate necessari per il suo funzionamento.

26 Per ovviare a queste problematiche a partire dal 2003 è stata sviluppato un dispositivo più avanzato, il top-gated CNTFET.

27 I CNTFET, a differenza dei MOSFET che sono dispositivi unipolari, hanno un comportamento ambipolare. Per V g =V ds /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.

28 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.

29 Svantaggi dei CNTFET rispetto ai MOSFET: Rapida degradazione dei CNT per reazione con l O 2, 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.

30 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.

31 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.

32 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.

33 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»

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36 Lo stesso tipo di risultati possono essere ottenuti facendo reagire MWCNT con metalloceni ad alta temperatura, in particolare Fe (C 5 H 5 ) 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.

37 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.

38 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.

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40 Bibliografia 1) K. S. Kim et al «Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes», Nature Letters, 457, ) S. Bae et al Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes, Nature Nanotechnol. 5, ) V. Singh et al. 2011, Graphene based materials: Past, present and future, Progress in Materials Science, ) L. Dai, 2013, «Functionalization of Graphene for Efficient Energy Conversion and Storage, Acc. Chem. Res., 46 (1), ) 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, * 6) D. Yu et al. 2011, «Fullerene-Grafted Graphene for Efficient Bulk Heterojunction Polymer Photovoltaic Devices», J. Phys. Chem. Lett, 2, * 7) P. Avouris et al. 2007, «Carbon-based electronics», Nature Nanotechnology, 2, ) R. Sahoo and R. R. Mishra, 2009, «Simulations of Carbon Nanotube Field Effect Transistors», 1 (2), ) L. Lacerda et al. 2007, «Cell-penetrating CNTs for delivery of therapeutics», NanoToday, 2 (6), ) C. J. Gannon et al. 2007, «Carbon Nanotube-enhanced Thermal Destruction of Cancer Cells in a Noninvasive Radiofrequency Field, Cancer, 110,