background image

Nanomaterials

 

Contents

 

 1-  Introduction.    -----------------------------------------  4 hr. 

  

     

1-1 Nanotechnology.

  

       1-2 Environmental implications of nanotechnology. 

  

      1-3 Nano engineering . 
 

  

 

2-   Foundamentals of nanomaterials .  ---------------- 6hr.

  

        2-1 One-dimensional nanomaterials. 
        2-2 Two-dimensional nanomaterials . 
        2-3 Three-dimensional nanomaterials . 
        2-4  Matrix-reinforced and layered nanocomposites . 
 

3-  Properties at the nanomaterials . --------------------6hr. 

       3-1   Mechanical properties . 
       3-2   Optical Properties . 
       3-3   Electrical properties . 
       3-4   Magnetic properties . 
 

5- Manufacturing of nanomaterials . --------------------4hr. 

       4-1  Form in place . 
       4-2  Mechanical. 
       4-3  Gas phase synthesis . 
       4-4  Wet chemistry. 

5 - Application of nanomaterials .      --------------------6hr. 

        5-1Fuel cells. 
             5-1-1 Carbon nanotubes - Microbial fuel cell . 
       5-2 Catalysis. 
       5-3  Phosphors for High-Definition TV. 
       5-4  Next-Generation Computer Chips. 
       5-5  Elimination of Pollutants. 
       5-6  Sun-screen lotion. 
       5-7  Sensors.  

 

 

 

 


background image

                                                                 

Lecture   1   

                                                         (nano) 

Nanotechnology

 

 

make  use  of  very  small  objects  or  artefacts. 

Nanomaterials are an increasingly important product of nanotechnologies. 

They  contain  nanoparticles,  smaller  than  100  nanometres  in  at  least  one 

dimension. Nanotechnology is the general term for designing and making 

anything  whose  use  depends  on  specific  structure  at  the  nanoscale  – 

generally taken as being 100 nanometres (100  millionths of a millimetre 

or 100 billionths of a metre) or less. It includes devices or systems made 

by  manipulating  individual  atoms  or  molecules,  as  well  as  materials 

which contain very small structures.

  

Nanotechnologies  involve  designing  and  producing  objects  or  structures 

at a very small scale, on the level of 100 nanometres (100 millionth of a 

millimetre) or less.

 

Nanomaterials

 

are  coming  into  use  in  healthcare,  electronics, 

cosmetics  and  other  areas.  Their  physical  and  chemical  properties  often 

differ  from  those  of  bulk  materials,  so  they  call  for  specialised  risk 

assessment.  This  needs  to  cover  health  risks  to  workers  and  consumers, 

and potential risks to the environment. 

Nanomaterials

 are one of the main products of nanotechnologies – as 

nano-scale particles, tubes, rods, or fibres 

Nanomaterials

  are usually  considered to  be  materials  with at  least one 

external dimension that measures 100 nanometres or less or with internal 

structures  measuring  100  nm  or  less.  They  may  be  in  the  form  of 

particles,  tubes,  rods  or  fibres.  The  nanomaterials  that  have  the  same 


background image

composition as known materials in bulk form may have different physico-

chemical  properties  than  the  same  materials  in  bulk  form,  and  may 

behave  differently  if  they  enter  the  body.  They  may  thus  pose  different 

potential hazards. 

 

This  is  currently  done  on  a  case  by  case  basis,  but  risk  assessment 

methods need to be kept up to date as the use of nanomaterials expands, 

especially as they find their way into consumer products

Aggregated  nanomaterials  also  need  to  be  assessed  in  this  light  as  they 

may exhibit properties that are similar to those of the single nanoparticles, 

especially  when  they  have  an  unusually  large  surface  area  for  a  given 

amount of material. 

Nanoparticles

 

are  normally  defined  as  being  smaller  that  100 

nanometres in at least one dimension.   

         The number of products produced by nanotechnology or containing 

nanomaterials  entering  the  market  is  increasing.  Current  applications 

include healthcare (in targeted drug delivery, regenerative medicine, and 

diagnostics),  electronics,  cosmetics,  textiles, information  technology  and 

environmental protection. For example, nanosilver is appearing in a range 

of products, including washing machines, socks, food packaging, wound 

dressings and food supplements. Food supplements need especially close 

scrutiny.

 

Characteristics of  nanomaterials .

 

     Descriptions  of  nanomaterials  ought  to  include  the  average  particle 

size, allowing for clumping and the size of the individual particles and a 


background image

description  of  the  particle  number  size  distribution  (range  from  the 

smallest to the largest particle present in the preparation).  

Detailed assessments may include the following: 

1. Physical properties: 

 

Their  size,  shape,  specific  surface  area,  and  ratio  of  width  and 

height 

 

Whether they stick together 

 

Size distribution  

 

How smooth or bumpy their surface is 

 

Structure, including crystal structure and any crystal defects  

 

How well they dissolve 

2. Chemical properties:  

 

Molecular structure 

 

Composition, including purity, and known impurities or additives 

 

Whether it is held in a solid, liquid or gas 

 

Surface chemistry  

 

Attraction to water molecules or oils and fats 

    These parameters should be assessed both for the nanomaterials as they 

are made, and for nanomaterials as they are used (e.g. in the formulation 

in  any  subsequent  product).  Measurements  need  to  take  account  of  the 

way  properties  may  change  when  nanomaterials  are  mixed  with  or 

suspended in other substances.  

    It  is  particularly  important  to  measure  how  quickly  nanomaterials 

dissolve in any liquid they are likely to come in contact with. Their small 


background image

size  means  they  dissolve  faster  than  the  comparable  bulk  (large) 

particulate material.  

 

How can exposure to nanomaterials be measured?  

       The  measurement  methods  to  use  depend  on  the  kind  of  exposure. 

The most reliable methods are for particles in the air. Nanoparticles may 

also  be  in  contact  with  solids  and  liquids,  especially  in  consumer 

products.  

        Current  techniques  to  assess  nanoparticle  exposure  are  suitable  for 

personal  or  area-based  monitoring, continuous or discontinuous  use, and 

basic  characterisation  of  samples.  However,  data  on  airborne  exposures 

are scarce, and there have been few if any studies outside the workplace.  

     exposure  estimates  from  food  and  consumer  products  also  remain 

difficult.  Information  on  the  presence  of  manufactured  nanomaterials 

comes  from  manufacturers.  There  is  also  limited  information  about 

product use.  

 

Effects of nanomaterials on the  health 

       There  is  experimental  evidence  of  a  range  of  possible  interactions 

with biological systems and health effects of manufactured nanoparticles. 

In experimental systems in the laboratory they can affect the formation of 


background image

the  fibrous  protein  tangles  which  are  similar  to  those  seen  in  some 

diseases, including brain diseases. Airborne particles might cause effects 

in  the  lungs  but  also  on  the  heart  and  blood  circulation  similar  to  those 

already  known  for  particulate  air  pollution.  There  is  some  evidence  that 

nanoparticles might lead to genetic damage, either directly or by causing 

inflammation.  

        All  these  effects  would  depend  on  nanoparticles’  fate  in  the  body. 

Only  a  minimal  amount  of  nanoparticle  doses  escape  the  lungs  or 

intestine,  but  long-term  exposure  could  still  mean  a  large  number  are 

distributed  round  the  body.  Most  are  held  in  the  liver  or  the  spleen,  but 

some appear to reach all tissues and organs. There may also be entry into 

the brain via the membranes inside the nose.  

Nanotubes  or  rods  with  similar  characteristics  to  asbestos  fibres  pose  a 

risk of the mesothelioma (a form of cancer of the pleura).

 

 

Environment  effects of nanomaterials. 

      Wider  use  of  nanomaterials  will  lead  to  increases  in  environmental 

exposure.  Little is known  about how they  may  then behave in air,  water 

or  soil.  They  may  be  concentrated  in  particular  “hot  spots”,  either  by 

clumping together with minerals or by interaction with organic matter.  

Like  other  pollutants,  they  may  pass  from  organism  to  organism,  and 

perhaps move up food chains. As a result of their diversity, nanomaterials 

may  have  a  wide  range  of  effects.  Some  kill  bacteria  or  viruses. 


background image

Experiments  so  far  have  also  shown  possible  harmful  effects  on 

invertebrates  and  fish,  including  effects  on  behaviour,  reproduction  and 

development. There is less research to date on soil systems and terrestrial 

species,  and it  is not clear  whether laboratory  results relate to what  may 

happen out in the real world.  

Assessment  the risks from nanomaterials. 

       Existing  risk  assessment  methods  are  generally  applicable  to 

nanomaterials  but  specific  aspects  related  to  nanomaterials  need  more 

development.  They  include  methods  for  both  estimating  exposure  and 

identifying hazards. The highest potential risks come from free, insoluble 

nanoparticles either dispersed in a liquid or as dust.  

Risk assessment requires a detailed examination of properties, including: 

 

Particle size 

 

Surface area 

 

Stability 

 

Surface properties 

 

Solubility 

 

Chemical reactivity 

Comparisons  with  well-known  existing  hazards  may  help  inform  risk 

assessment. They include those from airborne fine particles, and asbestos 

fibres.  

The recommended approach to assess the risks from nanomaterials is still 

the four stage risk assessment proposed by the SCENIHR in 2007. Today, 

additional details can be added to this approach in the light of recent work 

on evaluating possible harmful effects of nanomaterials, especially using 


background image

controlled  laboratory  tests  (in  vitro  assays).  These  tests  are  useful  for 

screening and for investigating mechanisms of adverse effects. However, 

tests using  living organisms  (in vivo assays) are also  needed to improve 

knowledge  of  possible  risks  to  people  and  the  environment. 

Improvements are sought in the determination of exposures, and there is 

an urgent need for long-term exposure studies.  

Full  evaluation  of  the  potential  hazards  of  most  nanomaterials  is  still  to 

come. It will include estimation of exposure in normal use, abuse, waste 

and  recycling  of  products  containing  nanomaterials,  and  detailed 

measurement of physical and chemical properties.  

 

  

  

 

 

 

 

 

 


background image

                                             Lecture   2 

(nano

Classification. 
* Classification is based on the number of dimensions, which are 
not confined to the nanoscale range (<100 nm). 
* (1) zero-dimensional (0-D), 
* (2) one-dimensional (1-D), 
* (3) two-dimensional (2-D), and 
* (4) three-dimensional (3-D). 

 

 
Zero-dimensional nanomaterials 

 
* Materials wherein all the dimensions are measured within the 
nanoscale (no dimensions, or 0-D, are larger than 100 nm). 
* The most common representation of zero-dimensional 
nanomaterials are nanoparticles. 
*Nanoparticles can: 
* Be amorphous or crystalline 
* Be single crystalline or polycrystalline 
* Be composed of single or multi-chemical elements 
* Exhibit various shapes and forms 
* Exist individually or incorporated in a matrix 


background image

* Be metallic, ceramic, or polymeric

 

 
 

Fundamentals of nanmaterials. 

 

 1

- One-dimensional nanomaterials

 

 

One dimension that is outside the nanoscale. 

 

This leads to needle like-shaped nanomaterials. 

1-D materials include nanotubes, nanorods, and 
nanowires.  

 

1-D nanomaterials

 

can be 

 

Amorphous or crystalline 

 

Single crystalline or polycrystalline 

 

Chemically pure or impure 

Standalone materials or embedded in within another medium 

 

Metallic, ceramic, or polymeric

 

2-Two-dimensional nanomaterials 

 Two of the dimensions are not confined to the nanoscale. 
 2-D nanomaterials exhibit plate-like shapes. 
 Two-dimensional nanomaterials include nanofilms, 
nanolayers, and nanocoatings. 
 2-D nanomaterials can be:  
 Amorphous or crystalline 
Made up of various chemical compositions 
 Used as a single layer or as multilayer structures 
 Deposited on a substrate 
 Integrated in a surrounding matrix material 
 Metallic, ceramic, or polymeric

 

3- 

Three-dimensional nanomaterials 

Bulk nanomaterials are materials that are not confined to the 
nanoscale in any dimension. These materials are thus characterized 
by having three arbitrarily dimensions above 100 nm. 
 Materials possess a nanocrystalline structure or involve the 


background image

presence of features at the nanoscale. 
 In terms of nanocrystalline structure, bulk nanomaterials can be 
composed of a multiple arrangement of nanosize crystals, 
most typically in different orientations. 
 With respect to the presence of features at the nanoscale, 3-D 
nanomaterials can contain dispersions of nanoparticles, bundles 
of nanowires, and nanotubes as well as multinanolayers.

 

Three-dimensional space showing the relationships 
among 0-D, 1-D, 2-D, and 3-D nanomaterials.

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
 
 
 
 
 
 

Summary 
of 2-D and 
3-D 
crystalline 
structures

  

  

  

  

  

  


background image

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4- Matrix-reinforced and layered Nanocomposites 

 
 
 

These materials are formed of two or more materials with very 
distinctive properties that act synergistically to create properties 
that cannot be achieved by each single material alone. The matrix of 
the nanocomposite, which can be polymeric, metallic, or ceramic, has 
dimensions larger than the nanoscale, whereas the reinforcing phase is 
commonly at the nanoscale. 
 

 5- Carbon 

*Carbon is a basic element of life 
*Carbon is special because of its ability to bond to many elements in 
many different ways 
* It is the sixth most abundant element in the 
universe 
|* The most known types of carbon materials: 
diamond; graphite; fullerenes; and carbon 
nanotubes

  

 
 
 


background image

Carbon materials     

Diamond and graphite are two graphite are two allotropes of 
 

 

carbon: pure forms of the same element that differ in structure.

 

2s and 2p electrons available for bonding 
 

6-DIAMOND 

- chemical bonding is purely covalent 
- highly symmetrical unit cell 
- extremely hard 
- low electrical conductivity 
- high thermal conductivity (superior) 
- optically transparent 
- used as gemstones and industrial 
grinding, machining and cutting 
 
 

 

 


background image

 
7-GRAPHITE 

• 

Layered structure with strong bonding within the planar layers 

and weak, van der Waals bonding between layers 
• Easy interplanar cleavage, 
applications as a lubricant and for writing (pencils) 
• Good electrical conductor 
• Chemically stable even at high 
temperatures 
• excellent thermal shock 

Applications: 

Commonly used as heating elements (in non- oxidizing atmospheres), 
metallurgical crucibles, casting molds, electrical contacts, brushes and 
resistors, high temperature refractories, welding electrodes, air 
purification systems, etc. 
 
 

 
 
 

-Graphite 

Graphite is a layered compound. In each layer,the carbon atoms are 
arranged in a hexagonal lattice with separation of 0.142 nm, and the 
distance between planes is 0.335 nm.The acoustic and thermal properties 
of graphite arehighly anisotropic, since phonons propagate very 
quickly along the tightly-bound planes, but are 
slower to travel from one plane to another. 


background image

 

 

8-Graphene 

     Graphene is an one-atom-thick planar sheet of sp2-bonded carbon 
atoms that are densely packed in a honeycomb crystal lattice. It can be 
viewed as an atomic-scale chicken wire made of carbon atoms and their 
bonds. 
    The carbon-carbon bond length in graphene is about 0.142 nm. 
Graphene is the basic structural element of some carbon allotropes 
including graphite, carbon nanotubes and fullerenes. 
 
 
 
 
 
 

 


background image

Allotropes of carbon    
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 
Graphene 
The mother of all Graphites 
 

 

 
SCIENCE, June 2010 
* If there's a rock star in the world of materials, it's graphene: single-
atom–thick sheets of carbon prized for its off-the-charts ability to conduct 
electrons and for being all but transparent. 
* Those qualities make graphene a tantalizing alternative for use as a 
transparent conductor, the sort now found in everything from computer 
displays and flat panel TVs to ATM touch screens and solar cells. 
* But the material has been tough to manufacture in anything larger than 
flakes a few centimeters across. 
* Now researchers have managed to create rectangular sheets of graphene 
76 centimeters in the diagonal 
direction and even use them to create a working touchscreen display 
 

9-Quantum effects 

*The overall behavior of bulk crystalline materials changes when the 
dimensions are reduced to the nanoscale. 
* For 0-D nanomaterials, where all the dimensions are at the nanoscale, 
an electron is confined in 3-D space. No electrondelocalization (freedom 
to move) occurs. 
For 1-D nanomaterials, electron confinement occurs in 2-D,19  whereas 
delocalization takes place along the long axis of the 
nanowire/rod/tube. 
* In the case of 2-D nanomaterials, the conduction electrons will 
be confined across the thickness but delocalized in the plane of 
the sheet. 
 


background image

10-Electrons confinement 

*For 0-D nanomaterials the electrons are fully confined. 
* For 3-D nanomaterials the electrons are fully delocalized. 
* In 1-D and 2-D nanomaterials, electron confinement and  delocalization 
coexist. 
* The effect of confinement on the resulting energy states can 20 
be calculated by quantum mechanics, as the “particle in the box” 
problem. An electron is considered to exist inside of an infinitely deep 
potential well (region of negative energies), from which it cannot escape 
and is confined by the dimensions of the nanostructure. 

11-Energies 

where h_ _ h/2_, h is Planck’s constant, m is the mass of the electron, L is 
the width(confinement) of the infinitely deep potential well, and nx, ny, 
and nz are the principal quantum numbers in the three dimensions x, y, 
and z. 
The smaller the dimensions of the nanostructure (smaller L), the wider is 
the separation between the energy levels, leading to a spectrum of 
discreet energies. 

 
 
 

What’s different at the nanoscale? 

Each of the different sized arrangement of gold atoms absorbs and 
reflects light differently based on its energy levels, which are determined 
by size and bonding arrangement. This is true for many materials when 
the particles have a size that is less than 100 nanometers in at least one 
dimension. 
 
 
 


background image

 
 

 

11-1Energy levels in infinite quantum well 

 

 
 

 

11-2The finite potential well 

For the finite potential well, the solution to the Schrodinger equation 
gives a wavefunction with an exponentially decaying penetration into the 
classically forbidden region. Confining a particle to a smaller space 
requires a larger confinement energy. Since the wave function penetration 
effectively "enlarges the box", the finite well energy levels are lower than 
those for the infinite well. The solution for -L/2 < x < L/2 and elsewhere 
must satisfy the equation . 
 


background image

 

 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 
 

11-3Comparison of Infinite and Finite Potential Wells 

 
 
 
 
 
 
 
 

11-4Electron energy density 

The behavior of electrons in solids depends upon the distribution of 
energy among the electrons: 
This distribution determines the probability that a given energy state will 
be occupied, but must be multiplied by the density of states function to 
weight the probability by the number of states available at a given energy. 

 

 


background image

                                             Lecture   3 

(nano

 3 - Properties of Nanomaterials 

        Nanomaterials  have  the  structural  features  in  between  of  those  of 

atoms and the bulk materials. While most microstructured materials have 

similar  properties  to  the  corresponding  bulk  materials,  the  properties  of 

materials  with  nanometer  dimensions  are  significantly  different  from 

those of atoms and bulks materials. This is mainly due to the 

nanometer size of the materials which render them:  

(i) large fraction of surface atoms; 

 (ii)high surface energy;  

(iii) spatial confinement;  

(iv) reduced imperfections, 

which do not exist in the corresponding bulk materials. Due to their small 

dimensions,  nanomaterials  have  extremely  large  surface  area  to  volume 

ratio, which makes a large to be the surface or interfacial atoms, resulting 

in  more  “surface”  dependent  material  properties.  Especially  when  the 

sizes  of  nanomaterials  are  comparable  to  length,  the  entire  material  will 

be  affected  by  the  surface  properties  of  nanomaterials.  This  in  turn  may 

enhance  or  modify  the  properties  of  the  bulk  materials.For  example, 

metallic nanoparticles can be used as very active catalysts. Chemical 

sensors  from  nanoparticles  and  nanowires  enhanced  the  sensitivity  and 

sensor selectivity. The nanometer feature sizes of nanomaterials also have 

spatial  confinement  effect  on  the  materials,  which  bring  the  quantum 

effects.The  energy  band  structure  and  charge  carrier  density  in  the 

materials  can  be  modified  quite  differently  from  their  bulk  and  in  turn 

will  modify  the  electronic  and  optical  properties  of  the  materials.  For 


background image

example,  lasers  and  light  emitting  diodes  (LED)  from  both  of  the 

quantum dots and quantum wires are very promising in the future 

optoelections.  High  density  information  storage  using  quantum  dot 

devices is also a fast developing area. Reduced imperfections are also an 

important  factor  in  determination  of  the  properties  of  the  nanomaterials. 

Nanosturctures and Nanomaterials  favors of  a selfpurification process in 

that the impurities and intrinsic material defects will move to near 

the  surface  upon  thermal  annealing.  This  increased  materials  perfection 

affects  the  properties  of  nanomaterials.  For  example,  the  chemical 

stability  for  certain  nanomaterials  may  be  enhanced,  the  mechanical 

properties  of  nanomaterials  will  be  better  than  the  bulk  materials.  The 

superior mechanical properties of carbon nanotubes are well known. Due 

to  their  nanometer  size,  nanomaterials  are  already  known  to  have  many 

novel properties. Many novel applications of the nanomaterials rose from 

these novel properties have also been proposed. characteristics, and other 

variables  including  doping  and  interaction  with  the  surrounding 

environment or other nanostructures. Likewise, shape can have dramatic 

influence on optical properties of metal nanostructures. 

Fig. () xemplifies 

the  difference  in  the  optical  properties  of  metal  and  semiconductor 

nanoparticles.  With  the  CdSe  semiconductor  nanoparticles,  a  simple 

change in size alters the optical properties of the

 

3-1 Mechanical properties 

         “Mechanical  Properties  of  Nanoparticles”  deals  with  bulk  metallic 

and  ceramic  materials,  influence  of  porosity,  influence  of  grain  size, 

superplasticity,  filled  polymer  composites,  particle-filled  polymers, 

polymer-based  nanocomposites  filled  with  platelets,  carbon  nanotube-

based  composites.  The  discussion  of  mechanical  properties  of  

anomaterials is, in to some extent, only of quite basic interest, the reason 

being  that  it  is  problematic  to  produce  macroscopic  bodies  with  a  high 


background image

density and a grain size in the range of less than 100 nm. However, two 

materials, neither of which is produced by pressing and sintering, 

have  attracted  much  greater  interest  as  they  will  undoubtedly  achieve 

industrial importance.  

       These  materials  are  polymers  which  contain  nanoparticles  or 

nanotubes  to  improve  their  mechanical  behaviors,  and  severely  plastic-

deformed metals, which exhibit astonishing properties. However, because 

of  their  larger  grain  size,  the  latter  are  generally  not  accepted  as 

nanomaterials. Experimental studies on the mechanical properties of bulk 

nanomaterials are generally impaired by major experimental problems in 

producing  specimens  with  exactly  defined  grain  sizes  and  porosities. 

Therefore,  model  calculations  Book  title  1.25  and  molecular  dynamic 

studies are of major importance for an understanding of the 

mechanical properties of these materials. 

              Filling polymers  with  nanoparticles or  nanorods  and  nanotubes, 

respectively,  leads  to  significant  improvements  in  their  mechanical 

properties.  Such  improvements  depend  heavily  on  the  type  of  the  filler 

and  the  way  in  which  the  filling  is  conducted.  The  latter  point  is  of 

special importance, as any specific advantages of a nanoparticulate filler 

may  be  lost  if  the  filler  forms  aggregates,  thereby  mimicking  the  large 

particles. Particulatefilled polymer-based nanocomposites exhibit a broad 

range  of  failure  strengths  and  strains.  This  depends  on  the  shape  of  the 

filler,  particles  or  platelets,  and  on  the  degree  of  agglomeration.  In  this 

class of material, polymers filled with silicate platelets exhibit the 

best  mechanical  properties  and  are  of  the  greatest  economic  relevance. 

The  larger  the  particles  of  the  filler  or  agglomerates,  the  poorer  are  the 

properties  obtained. Although,  potentially,  the  best  composites  are those 

filled  with  nanofibers  or  nanotubes,  experience  teaches  that  sometimes 

such composites have the least ductility. On the other hand, by 


background image

using  carbon  nanotubes  it  is  possible  to  produce  composite  fibers  with 

extremely  high  strength  and  strain  at  rupture.  Among  the  most  exciting 

nanocomposites  are  the  polymerceramic  nanocomposites,  where  the 

ceramic phase is platelet-shaped.  

     This  type  of    composite  is  preferred  in  nature,  and  is  found  in  the 

structure of bones, where it consists of crystallized mineral platelets of a 

few  nanometers  thickness  that  are  bound  together  with  collagen  as  the 

matrix. Composites consisting of a polymer matrix and defoliated 

phyllosilicates exhibit excellent mechanical and thermal properties. 

3-2

 

Optical properties 

         One  of  the  most  fascinating  and  useful  aspects  of  nanomaterials  is 

their  optical  properties.Applications  based  on  optical  properties  of 

nanomaterials  include  optical  detector,  laser,sensor,  imaging,  phosphor, 

display, 

solar 

cell, 

photocatalysis, 

photoelectrochemistry 

and 

biomedicine.The  optical  properties  of  nanomaterials  depend  on 

parameters such as feature size,shape, surface 

nanoparticles. When metal 

nanoparticles are enlarged, their optical properties change only slightly as 

observed  for  the  different  samples  of  gold  nanospheres  in  fig. 

().However,  when  an  anisotropy  is  added  to  the  nanoparticle,  such  as 

growth  of  nanorods,the  optical  properties  of  the  nanoparticles  change 

dramatically. 

Fig.3-2 


background image

 

Fig.  4-1  Fluorescence  emission  of  (CdSe)  ZnS  quantum  dots  of  various 

sizes  and  absorption  spectra  of  various  sizes  and  shapes  of  gold 

nanoparticles . 

3-3Electrical properties 

         Electrical  Properties  of  Nanoparticles”  discuss  about  fundamentals 

of  electrical  conductivity  in  nanotubes  and  nanorods,  carbon  nanotubes, 

photoconductivity of nanorods, electrical conductivity of  anocomposites. 

One  interesting  method  which  can  be  used  to  demonstrate  the  steps  in 

conductance  is  the  mechanical thinning  of  a  nanowire  and  measurement 

of the electrical current at a constant applied voltage. The important 

point  here  is  that,  with  decreasing  diameter  of  the  wire,  the  number  of 

electron  wave  modes  contributing  to  the  electrical  conductivity  is 

becoming increasingly smaller by well-defined quantized steps. 

In  electrically  conducting  carbon  nanotubes,  only  one  electron  wave 

mode  is  observed  which  transport  the  electrical  current.  As  the  lengths 

and  orientations  of  the  carbon  nanotubes  are  different,  they  touch  the 

surface  of  the  mercury  at  different  times,which  provides  two  sets  of 

information:  

(i)  the  influence  of  carbon  nanotube  length  on  1.24  Introduction  to   

Nanomaterials the resistance; and  

(ii) the resistances of the different nanotubes. As the nanotubes have 

different  lengths,  then  with  increasing  protrusion  of  the  fiber  bundle  an 

increasing  number  of  carbon  nanotubes  will  touch  the  surface  of  the 

mercury droplet and contribute to the electrical current transport. 

 


background image

Fig. 4-2 Electrical behavior of naotubes. 

 

3 – 4 Magnetic properties 

               Bulk gold and Pt are non-magnetic, but at the nano size they are 

magnetic. Surface atoms are not only different to bulk atoms, but they can 

also  be  modified  by  interaction  with  other  chemical  species,  that  is,  by 

capping  the  nanoparticles.  This  phenomenon  opens  the  possibility  to 

modify the physical properties of the nanoparticles by capping them with 

appropriate  molecules.  Actually,  it  should  be  possible  that  non-

ferromagnetic  bulk  materials  exhibit  ferromagnetic-like  behavior  when 

prepared in nano range. One can obtain magnetic nanoparticles of Pd, Pt 

and  the  surprising  case  of  Au  (that  is  diamagnetic  in  bulk)  from  non-

magnetic bulk materials. In the case of Pt and Pd, the ferromagnetism 

arises from the structural changes associated with size effects 

Fig. 4-3 Magnetic properties of nanostrucutred materials. 

 

 

      However,  gold  nanoparticles  become  ferromagnetic  when  they  are 

capped  withappropriate  molecules:  the  charge  localized  at  the  particle 

surface gives rise toferromagnetic-like behavior.  Surface and the core of 


background image

Au  nanoparticles  with  2  nm  in  diameter  show  ferromagnetic  and 

paramagnetic character, respectively. The large spin-orbit coupling of 

these  noble  metals  can  yield  to  a  large  anisotropy  and  therefore  exhibit 

high  ordering  temperatures.  More  surprisingly,  permanent  magnetism 

was observed up to room temperature for thiol-capped Au nanoparticles. 

For nanoparticles with sizes below 2 nm the localized carriers are in the 

5d  band.  Bulk  Au  has  an  extremely  low  density  of  states  and  becomes 

diamagnetic, as is also the case for bare Au nanoparticles.  

       This observation suggested that modification of the d band structure 

by chemical bonding can induce ferromagnetic like character in metallic 

clusters. 

 

 

ELECTRONIC AND OPTICAL PROPERTIES OF 

NANOMATERIALS 

7.1 Introduction 

 

 


background image

Figure 7-1: Size quantization effect. Electronic state transition from bulk 

metal/semiconductor to small cluster. 

Nanocrystalline particles represent a state of matter in the transition 

region between bulk solid and single molecule. As a consequence, their 

physical and chemical properties gradually change from solid state to 

molecular behaviour with decreasing particle size. The reasons for this 

behaviour can be summarised as two basic phenomena. 

    First, as we have already discussed, owing to their small dimensions, 

the surface-to-volume ratio increases, and the number of surface atoms 

may be similar to or higher than those located in the crystalline lattice 

core, and the surface properties are no longer negligible. When no other 

molecules are adsorbed onto the nanocrystallites, the surface atoms are 

highly unsaturated and their electronic contribution to the behaviour of 

the particles is totally different from that of the inner atoms. These effects 

may be even more marked when the surface atoms are ligated. This leads 

to different mechanical and electronic transport properties, 

which account for the catalytic properties of the nanocrystalline particles. 

The second phenomenon, which only occurs in metal and semiconductor 

nanoparticles, is totally an electronic effect. The band structure gradually 

evolves with increasing particle size, i. e., molecular orbital convert into 

delocalised band states. Figure above, shows the size quantization effect 

responsible for the transition between a bulk metal or semiconductor, and 

cluster species. In a metal, the quasicontinuous 

density of states in the valence and the conduction bands splits into 

discrete electronic levels, the spacing between these levels and the band 

gap increasing with decreasing particle size. 

               In the case of semiconductors, the phenomenon is slightly 

different, since a band gap already exists in the bulk state. However, this 

band gap also increases when the particle size is decreased and the energy 


background image

bands gradually convert into discrete molecular electronic levels. If the 

particle size is less than the De Broglie wavelength of the electrons, the 

charge carriers may be treated quantum mechanically as "particles in a 

box", where the size of the box is given by the dimensions of the 

crystallites. In semiconductors, the quantization effect that 

enhances the optical gap is routinely observed for clusters ranging from 1 

nm to almost 10 nm. Metal particles consisting of 50 to 100 atoms with a 

diameter between 1 and 2 nm start to loose their metallic behaviour and 

tend to become semiconductors. Particles that show this size quantization 

effect are sometimes called Q-particles or quantum dots that we will 

discuss later in this chapter.Certain particle sizes, determined by the so-

called magic numbers, are more frequently observed than others. This is 

not only due to the thermodynamic stability of certain structures but is 

also related to the kinetics of particle growth. In semiconductor 

nanoparticles such as CdS, the growth of the initially formed smallest 

particles with an agglomeration number occurs by combination of the 

particles. Thus, particles so formed would have the agglomeration 

number of 2k, 3and so on.lxx Metals have a cubic or hexagonal close-

packed structure consisting of one central atom, which is surrounded in 

the first shell by 12 atoms, in the second shell by 42 atoms, or in principle 

by 10n2+2 atoms in the nth shell For example, one of the 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Lecture   3 

(nano

Mechanical  properties  of  nanocrystalline  metals  and 
alloys 
  

           In  this  section,  we  review  the  principal  mechanical  properties  of 

nanocrystalline metals: yield stress, ductility, strain hardening, strain-rate 

sensitivity  and  dynamic  response,  creep  and  fatigue.  At  the  outset,  it 

should be emphasized that porosity is of utmost importance and can mask 

and/or distort properties. The early ‘‘bottom-up’’ synthesis methods often 

resulted in porosity and incomplete bonding among the grains. 

Processing  flaws  like  porosity  are  known  to  be  detrimental  to  the 

properties  of  nanocrystalline  materials.  Fig.  11

 

shows  the  Young_s 

modulus as a function of porosity for nanocrystalline Pd and Cu as shown 

by  Weertman  et  al.This  decrease  in  Young_s  modulus  with  porosity  is 

well known and is indeed expressed in many mechanics simulations. 

One of the equations is Wachtman and MacKenzie  

E ¼ E0ً1 _ f1p   f2p2 ق

where  p  is  the  porosity  and  f1  and  f2  are  equal  to  1.9  and  0.9, 

respectively.  For  relatively  low  porosity,  p2  can  be  neglected  and  we 

have, approximately E E0 ¼ 1 _ 1:9p. The yield  

stress and tensile ductility are simultaneously affected. 

Fig. 12 

shows as 

an illustration,

 


background image

 

Fig. 11. Young_s modulus as a function of porosity for nanocrystalline 

Pd and Cu.

 

 

Fig. 12. Compressive yield strength of Cu and Pd as a function of 

consolidation density.  


background image

a plot of the yield stress as a function of density for Cu and Pd. The 

decrease in strength isobvious. The existing pores provide initiation sites 

for failure. 

3-1- Yield strength 

Grain size is known to have a significant effect on the mechanical 

behavior of materials,in particular, on the yield stress. The dependence of 

yield stress on grain size in metals iswell established in the conventional 

polycrystalline range (micrometer and larger sized grains). Yield stress, 

ry, for materials with grain size d, is found to follow the Hall–Petch 

relation: 

ry ¼ r0   kd_1=2 ً3 ق

where r0 is the friction stress and k is a constant. This is indeed an 

approximation, and a more general formulation is to use a power 

expression with exponent _n, where 0.3 6 n 6 0.7. 

The mechanical properties of FCC metals with nano-range grain sizes 

have been estimated from uniaxial tension/compression tests and micro- 

or nano-indentation. Often micro-size tensile samples are used to avoid 

the influence of imperfections e.g., voids 

that might adversely influence the mechanical response of the material. 

The compressive yield stresses of nanocrystalline Cu and Pd samples 

synthesized by IGC are summarized in Table 2, and the plot is given in 

Fig. 12. Weertman and coworkers observed that nanocrystalline Cu and 

Pd samples were remarkably stronger than their coarse-grained 

counterpart and this was a strong function of density. Their strain to 

failure was also higher. Suryanarayana et al. reported compressive yield 

strength of _500 MPa from their strongest nano Cu sample. Table 2 gives 

the values of the Vickers hardness, Hv divided by 3, which approximates 

to the yield strength if the work-hardening is not large. Unlike the case of 


background image

tensile yield strength, the compressive values of ry scale well with Hv/3. 

Weertman et al. observed a large increase in hardness. 

Table 2 Compressive yield strength of nanocrystalline Cu and Pd 
synthesized by inert gas condensation method . 

  

for the nanocrystalline Cu and Pd samples made by IGC as compared to 

the annealed coarse-grained samples. It was difficult to separate the 

magnitude of the strengthening effect of the small grain size from the 

weakening effect due to the bulk sample defects which are inherent to the 

IGC synthesis method (mainly pores). 

3-2 Ductility 

In the conventional grain size regime, usually a reduction in grain size 

leads to an increase in ductility. Thus one should expect a ductility 

increase as the grain size is reduced to nanoscale. However, the ductility 

is small for most grain sizes <25 nm for metals that in the conventional 

grain size have tensile ductilities of 40–60% elongation . 

identified three major sources of limited ductility in nanocrystalline 

materials, namely: 

(1) artifacts from processing (2) tensile instability; (3) crack nucleation or 

shear instability. It is difficult to process nanostructured materials free 

from the artifacts that mask the inherent mechanical properties. As a 


background image

result, molecular dynamics simulation has been considered to be a 

valuable tool in aiding our understanding of their deformation 

mechanism . This is treated in greater detail in Section 9. The results of 

the atomistic simulations have allowed several investigators to suggest 

different plastic deformation mechanisms as a function of grain size . 

There seems to be agreement in the existence of three regimes: (a) grain 

size d > 1 lm regime in which unit dislocations and work hardening 

control plasticity; (b) smallest grain size d < 10 nm regime, where limited 

intragranular dislocation activity occurs and grain-boundary shear is 

believed to be the mechanism of deformation. The intermediate grain size 

regime (10 nm–1 lm) is less well understood. These mechanisms are 

thought to affect ductility significantly. 

Fig. 13(a) shows data on normalized yield strength (strength/strength of 

conventional polycrystalline) versus percentage elongation in tension for 

metals with grain sizes in the nanocrystalline range. There is a clear 

decrease in ductility as strength is increased. By comparison, ultrafine 

grained materials (100–500 nm), Fig. 13(b), exhibit increased yield 

strength along with good ductility in comparison to nanograined 

materials. varied the microstructure of nanostructured/ultrafine grain size 

of Zn by changing the milling times. A very dramatic modulated cyclic 

variation of hardness was observed as a function of milling time at liquid 

nitrogen temperature. The sample cryomilled for 4 h exhibited an 

optimum combination of strength and ductility. The grain size 

distribution in this sample contained 30% volume fraction of grains larger 

than 50 nm along with the smaller nano-scale grains. This optimum 

microstructure, which exhibits  

 

 

 


background image

 

 

 

 

 

 

Fig. 13. (a) Compilation of yield stress versus % elongation showing the 

reduced ductility of nanocrystalline metals 

[96]

. (b) Compilation of yield 

strength versus % elongation of various ultrafine grained metals 

 

 


background image

more strain hardening than samples milled for either shorter or longer 

time, combined the strengthening from the reduced grain size along with 

the strain hardening provided by dislocation activity in the larger grains. 

This strain hardening, in turn, provided ductility. Thus, a bimodal grain 

size distribution is a possible means to increase ductility. 

Nonequilibrium grain boundaries have also been proposed as a 

mechanism to enhance ductility. It has been argued that such boundaries 

provide a large number of excess dislocations for slip and can even 

enable grains to slide or rotate at room temperature, leading to a 

significant increase in the strain hardening exponent. Another way of 

increasing ductility is to decrease the strain rate in order for the specimen 

to sustain more plastic strain prior to necking. 

 

Fig. 13. (a) Compilation of yield stress versus % elongation showing the 

reduced ductility of nanocrystalline metals. (b) Compilation of yield 

strength versus % elongation of various ultrafine grained metals. 

Fig. 14

(a) shows the expected ductility of metals as a function of a 

normalized strength (strength in the conventional grain size domain). As 

expected, as the strength increases, the ductility decreases. This defines 

the grey region. However, there are five data points above this boundary. 

They all apply to copper. Three factors contribute to and in fact determine 

ductility: the work hardening, the strain rate sensitivity and thermal 

softening. The increased ductility that is exhibited in some cases comes, 

basically, from the inhibition of shear localization. The strain rate 

sensitivity, m, can be expressed as: 

m ¼ 

31=2kT 

V ry 

ً4 ق


background image

where V is the activation volume for plastic deformation (which is 

directly related to the physical mechanism of deformation), T is the 

temperature, and ry is the yield/flow stress. The higher strain-rate 

sensitivity ًm ¼ o ln r=o ln _e or 1 

ry 

or 

o ln _e قis indicative of a smaller activation volume, as pointed out by Lu 

et al.  

 

 

Fig. 14. (a) Increased ductility in the nanocrystalline regime as indicated 

by experimental points in right-hand side of diagram; (b) reduction of 

ductility as grain size is reduced for ball milled Zn tested at a constant 

strain rate of 10_4–10_3 s_1 at room temperature  


background image

 

 

 

 

This, in turn, is connected to a change in the nanostructure (presence of 

twins). Thus, ductility, strain rate sensitivity, and deformation 

mechanisms are connected and it is possible, through the manipulation of 

the nanostructure to increase ductility. were able to increase ductility of 

their nanocrystalline metals by increasing significantly the density of 

growth (annealing) twins. (b) shows the mechanical response of 

nanocrystalline zinc samples with different grain sizes. There is a 

significant drop in ductility as the grain size goes down from 238 nm to 

23 nm. Zhang et al. suggested that the reduction of elongation with the 

reduction of grain size could be an inherent property of nanocrystalline 

materials given that there is no porosity and bonding was complete during 

synthesis. Earlier results have shown that the mechanical properties of 

nanocrystalline materials can be misinterpreted because of the lack of 

attention to the details of the internal structure. As mentioned earlier, 

contaminates and porosity are found to be extremely detrimental to 

ductility 

  

 

 

 

 

 

 

 


background image

                                             Lecture   4 

(nano

   4 Methods for creating nanostructures 

         There are many different ways of creating nanostructures: of course, 

macromolecules  or  nanoparticles  or  buckyballs  or  nanotubes  and  so  on 

can be synthesized artificially for certain specific materials. They can also 

be  arranged  by  methods  based  on  equilibrium  or  near-equilibrium 

thermodynamics such as methods of self-organization and self-assembly 

(sometimes  also  called  bio-mimetic  processes).  Using  these  methods, 

synthesized  materials  can  be  arranged  into  useful  shapes  so  that  finally 

the material can be applied to a certain application. 

4-1 Mechanical grinding 

           Mechanical attrition is a typical example of ‘top down’ method of 

synthesis of nanomaterials, where the material is prepared not by cluster 

assembly  but  by  the  structural  decomposition  of  coarser-grained 

structures as the result of severe plastic deformation.  This has become a 

popular  method  to  make  nanocrystalline  materials  because  of  its 

simplicity, the relatively inexpensive equipment needed, and the 

applicability  to  essentially  the  synthesis  of  all  classes  of  materials.  The 

major  advantage  often  quoted  is  the  possibility  for  easily  scaling  up  to 

tonnage  quantities  of  material  for  various  applications.  Similarly,  the 

serious problems that are usually cited are; 

1. contamination from milling media and/or atmosphere, and 

2.  to  consolidate  the  powder  product  without  coarsening  the 

nanocrystalline  microstructure.  In  fact,  the  contamination  problem  is 

often given as a reason to dismiss the method, at least for some materials. 

Here  we  will  review  the  mechanisms  presently  believed  responsible  for 


background image

formation  of  nanocrystalline  structures  by  mechanical  attrition  of  single 

phase  powders,  mechanical  alloying  of  dissimilar  powders,  and 

mechanical 

crystallisation  of  amorphous  materials.  The  two  important  problems  of 

contamination  and  Mechanical  milling  is  typically  achieved  using  high 

energy shaker, planetary ball, or tumbler mills. The energy transferred to 

the  powder  from  refractory  or  steel  balls  depends  on  the  rotational 

(vibrational)  speed,  size  and  number  of  the  balls,  ratio  of  the  ball  to 

powder  mass,  the  time  of  milling  and  the  milling  atmosphere

Nanoparticles are produced by the shear action during grinding. 

Milling  in  cryogenic  liquids  can  greatly  increase  the  brittleness  of  the 

powders  influencing  the  fracture  process.  As  with  any  process  that 

produces  fine  particles,  an  adequate  step  to  prevent  oxidation  is 

necessary.  Hence  this  process  is  very  restrictive  for  the  production  of 

non-oxide materials since then it requires that the milling take place in 

an  inert  atmosphere  and  that  the  powder  particles  be  handled  in  an 

appropriate  vacuum  system  or  glove  box.  This  method  of  synthesis  is 

suitable  for  producing  amorphous  or  nanocrystalline  alloy  particles, 

elemental  or  compound  powders.  If  the  mechanical  milling  imparts 

sufficient energy to the constituent powders a homogeneous alloy can be 

formed.  Based  on  the  energy  of  the  milling  process  and thermodynamic 

properties of the constituents the alloy can be rendered amorphous by this 

processing. 


background image

 

 

 

Fig. 6. Schematic representation of the principle of mechanical milling 
 

4-2 Wet Chemical Synthesis of Nanomaterials 

         In  principle  we  can  classify  the  wet  chemical  synthesis  of 

nanomaterials into two broad groups: 

1. The top down method: where single crystals are etched in an aqueous 

solution  for  producing  nanomaterials,  For  example,  the  synthesis  of 

porous silicon by electrochemical etching. 

2. The bottom up method: consisting of sol-gel method, precipitation etc. 

where  materials  containing  the  desired  precursors  are  mixed  in  a 

controlled fashion to form a colloidal solution. 

4-2- 1 Sol-gel process 

         The  sol-gel  process,  involves  the  evolution  of  inorganic  networks 

through the  formation  of  a colloidal  suspension (sol) and gelation of the 

sol to form a network in a continuous liquid phase (gel). The precursors 


background image

for  synthesizing  these  colloids  consist  usually  of  a  metal  or  metalloid 

element surrounded by various reactive ligands. The starting material 

is  processed  to  form  a  dispersible  oxide  and  forms  a  sol in contact  with 

water or dilute acid. Removal of the liquid from the sol yields the gel, and 

the  sol/gel  transition  controls  the  particle  size  and  shape.  Calcination  of 

the gel produces the oxide. 

     Sol-gel  processing  refers  to  the  hydrolysis  and  condensation  of 

alkoxide-based  precursors  such  as  Si(OEt)  4  (tetraethyl  orthosilicate,  or 

TEOS).  The  reactions  involved  in  the  sol-gel  chemistry  based  on  the 

hydrolysis and condensation of metal alkoxides 

M(OR)can be described as follows: 

MOR + H2O → MOH + ROH (hydrolysis) 

MOH + ROM → M-O-M + ROH (condensation) 

Sol-gel  method  of  synthesizing  nanomaterials  is  very  popular  amongst 

chemists and is widely employed to prepare oxide materials. The sol-gel 

process can be characterized by a series of distinct steps. 

 

Fig.  7.  Schematic  representation  of  sol-gel  process  of  synthesis  of 

nanomaterials. 


background image

1.  Formation  of  different  stable  solutions  of  the  alkoxide  or  solvated 

metal precursor. 

2. Gelation resulting from the formation of an oxide- or alcohol- bridged 

network  (the  gel)  by  a  polycondensation  reaction  that  results  in  a 

dramatic increase in the viscocity of the solution.  

3.  Aging  of  the  gel  (Syneresis),  during  which  the  polycondensation 

reactions continue until the gel transforms into a solid mass, accompanied 

by  contraction  of  the  gel  network  and  expulsion  of  solvent  from  gel 

pores.  Ostwald  ripening  (also  referred  to  as  coarsening,  is  the 

phenomenon by which smaller particles are consumed by larger particles 

during  the  growth  process)  and  phase  transformations  may  occur 

concurrently with syneresis. The aging process of gels can exceed 7 days 

and is critical to the prevention of cracks in gels that have been 

cast. 

4.  Drying  of  the  gel,  when  water  and  other  volatile  liquids  are  removed 

from  the  gel  network.  This  process  is  complicated  due  to  fundamental 

changes  in  the  structure  of  the  gel.  The  drying  process  has  itself  been 

broken into four distinct steps: 

 (i)  the  constant  rate  period,  (ii)  the  critical  point,  (iii)  the  falling  rate 

period,  (iv)  the  second  falling  rate  period.  If  isolated  by  thermal 

evaporation,  the  resulting  monolith  is  termed  a  xerogel.  If  the  solvent 

(such  as  water)  is  extracted  under  supercritical  or  near  super  critical 

conditions, the product is an aerogel

5. Dehydration, during which surface- bound M-OH groups are removed, 

there by stabilizing the gel against rehydration. This is normally achieved 

by calcining the monolith at temperatures up to 8000C. 

6.  Densification  and  decomposition  of  the  gels  at  high  temperatures 

(T>8000C).  The  pores  of  the  gel  network  are  collapsed,  and  remaining 


background image

organic species are volatilized. The typical steps that are involved in sol-

gel processing are shown in the schematic diagram below. 

The  interest  in  this  synthesis  method  arises  due  to  the  possibility  of 

synthesizing nonmetallic inorganic  materials like  glasses, glass ceramics 

or  ceramic  materials  at  very  low  temperatures  compared  to  the  high 

temperature process required by melting glass or firing ceramics. 

The major difficulties to overcome in developing a successful bottom-up 

approach is controlling the growth of the particles and then stopping the 

newly  formed  particles  from  agglomerating.  Other  technical  issues  are 

ensuring the reactions are complete so that no unwanted reactant is left on 

the product and completely removing any growth aids that may have been 

used in the process. Also production rates of nano powders are very low 

by  this  process.  The  main  advantage  is  one  can  get  monosized  nano 

particles by any bottom up approach. 

4-3 Gas Phase synthesis of nanomaterials 

        The  gas-phase  synthesis  methods  are  of  increasing  interest  because 

they allow elegant way to control process parameters in order to be able 

to  produce  size,  shape  and  chemical  composition  controlled 

nanostructures. Before we discuss a few selected pathways for gas-phase 

formation of nanomaterials, some general aspects of gas-phase synthesis 

needs    to  be  discussed.  In  conventional  chemical  vapour  deposition 

(CVD)  synthesis,  gaseous  products  either  are  allowed  to  react 

homogeneously or heterogeneously depending on a particular application. 

1.  In  homogeneous  CVD,  particles  form  in  the  gas  phase  and  diffuse 

towards  a  cold  surface  due  to  thermophoretic  forces,  and  can  either  be 

scrapped  of  from  the  cold  surface  to  give  nano-powders,  or  deposited 

onto a substrate to yield what is called ‘particulate films’

2.  In  heterogeneous  CVD,  the  solid  is  formed  on  the  substrate  surface, 

which catalyses the reaction and a dense film is formed. 


background image

In order to form nanomaterials several modified CVD methods have been 

developed. Gas phase processes have inherent advantages, some of which 

are noted here: 

� An excellent control of size, shape, crystallinity and chemical 

composition 

� Highly pure materials can be obtained 

� Multicomonent systems are relatively easy to form 

� Easy control of the reaction mechanisms 

         Most  of  the  synthesis  routes  are  based  on  the  production  of  small 

clusters  that  can  aggregate  to  form  nano  particles  (condensation). 

Condensation occurs only when the vapour is supersaturated and in these 

processes  homogeneous  nucleation  in  the  gas  phase  is  utilised  to  form 

particles. This can be achieved both by physical and chemical methods. 

4-3-1 Furnace 

          The  simplest  fashion  to  produce  nanoparticles  is  by  heating  the 

desired  material  in  a  heatresistant  crucible  containing  the  desired 

material.  This  method  is  appropriate  only  for  materials  that  have  a  high 

vapour pressure at the heated temperatures that can be as high as 2000°C. 

Energy  is  normally  introduced  into  the  precursor  by  arc  heating, 

electronbeam heating or Joule heating. The atoms are evaporated into an 

atmosphere,  which  is  either  inert  (e.g.  He)  or  reactive  (so  as  to  form  a 

compound).  To  carry  out  reactive  synthesis,  materials  with  very  low 

vapour pressure have to be fed into the furnace in the form of a suitable 

precursor  such  as  organometallics,  which  decompose  in  the  furnace  to 

produce a  condensable  material.  The hot atoms of the evaporated matter 

lose  energy  by  collision  with  the  atoms  of  the  cold  gas  and  undergo 

condensation  into  small  clusters  via  homogeneous  nucleation.  In  case  a 

compound  is  being  synthesized,  these  precursors  react  in  the  gas  phase 

and form a compound with the material that is separately injected in the 


background image

reaction chamber. The clusters would continue to grow if they remain in 

the  supersaturated  region.  To  control  their  size,  they  need  to  be  rapidly 

removed  from  the  supersaturated  environment  by  a  carrier  gas.  The 

cluster size and its distribution are controlled by only three parameters: 

1) the rate of evaporation (energy input), 

2) the rate of condensation (energy removal), and 

3) the rate of gas flow (cluster removal). 

 

Fig. 8. Schematic representation of gas phase process of synthesis of 

single phase nanomaterials from a heated crucible.  

  

     Because of its inherent simplicity, it is possible to scale up this process 

from laboratory (mg/day) to industrial scales (tons/day). 

4-3-2 Flame assisted ultrasonic spray pyrolysis 

        In  this  process,  precusrsors  are  nebulized  and  then  unwanted 

components  are  burnt  in  a  flame  to  get  the  required  material,  eg.  ZrO2 

has  been  obtained  by  this  method  from  a  precursor  of  Zr(CH3  CH2 

CH2O)4. Flame hydrolysis that is a variant of this process is 


background image

used  for  the  manufacture  of  fused  silica.  In  the  process,  silicon 

tetrachloride  is  heated  in  an  oxy-hydrogen  flame  to  give  a  highly 

dispersed  silica.  The  resulting  white  amorphous  powder  consists  of 

spherical particles with sizes in the range 7-40 nm. The combustion 

flame synthesis, in which the burning of a gas mixture, e.g. acetylene and 

oxygen  or  hydrogen  and  oxygen,  supplies  the  energy  to  initiate  the 

pyrolysis  of  precursor  compounds,  is  widely  used  for  the  industrial 

production  of  powders  in  large  quantities,  such  as  carbon  black,  fumed 

silica and titanium dioxide. However, since the gas pressure 

during  the  reaction  is  high,  highly  agglomerated  powders  are  produced 

which  is  disadvantageous  for  subsequent  processing.  The  basic  idea  of 

low pressure combustion flame synthesis is to extend the pressure  range 

to the pressures  used  in  gas  phase  synthesis  and  thus  to  reduce or  avoid 

the  agglomeration.  Low  pressure  flames  have  been  extensively  used  by 

aerosol scientists to study particle formation in the flame. 

 

Fig. 9. Flame assisted ultrasonic spray pyrolysis. 

 

       A  key  for  the  formation  of  nanoparticles  with  narrow  size 

distributions  is  the  exact  control  of  the  flame  in  order  to  obtain  a  flat 

flame  front.  Under  these  conditions  the  thermal  history,  i.e.  time  and 

temperature, of each particle formed is identical and narrow 


background image

distributions  result.  However,  due  to  the  oxidative  atmosphere  in  the 

flame,  this synthesis process  is  limited  to  the  formation  of oxides  in  the 

reactor zone. 

4-3-3 Gas Condensation Processing (GPC) 

           In this technique, a metallic or inorganic material, e.g. a suboxide, 

is vaporised using thermal evaporation sources such as crucibles, electron 

beam evaporation devices or sputtering sources in an atmosphere of 1-50 

mbar  He  (or  another  inert  gas  like  Ar,  Ne,  Kr).  Cluster  form  in  the 

vicinity of the source by homogenous nucleation in the gas phase 

and grow by coalescence and incorporation of atoms from the gas phase. 

Fig.  10.  Schematic  representation  of  typical  set-up  for  gas  condensation 

synthesis  of  nanomaterials  followed  by  consolidation  in  a  mechanical 

press or collection in an appropriate solvent media. 

     The cluster or particle size depends critically on the residence time of 

the  particles  in  the  growth  system  and  can  be  influenced  by  the  gas 

pressure, the kind of inert gas, i.e. He, Ar or Kr, and on the evaporation 

rate/vapour  pressure  of  the  evaporating  material.  With  increasing  gas 

pressure, vapour pressure and mass of the inert gas used the average 

particle  size  of  the  nanoparticles  increases.  Lognormal  size  distributions 

have been found experimentally and have been explained theoretically by 

the growth mechanisms of the particles. Even in more complex processes 

such as the low pressure combustion flame synthesis where a number of 

chemical reactions are involved the size distributions are determined to be 

lognormal.  Originally,  a  rotating  cylindrical  device  cooled  with  liquid 

nitrogen was employed for the particle collection: the nanoparticles in the 

size  range  from  2-50  nm  are  extracted  from  the  gas  flow  by 

thermophoretic forces and deposited loosely on the surface of the 

collection  device  as  a  powder  of  low  density  and  no  agglomeration. 

Subsequenly,  the  nanoparticles  are  removed  from  the  surface  of  the 


background image

cylinder by means of a scraper in the form of a metallic plate. In addition 

to this cold finger device several techniques known from aerosol science 

have now been implemented for the use in gas condensation 

systems  such  as  corona  discharge,  etc.  These  methods  allow  for  the 

continuous  operation  of  the  collection  device  and  are  better  suited  for 

larger scale synthesis of nanopowders. 

However,  these  methods  can  only  be  used  in  a  system  designed  for  gas 

flow,  i.e.  a  dynamic  vacuum  is  generated  by  means  of  both  continuous 

pumping and gas inlet via mass flow controller. A major advantage over 

convectional gas flow is the improved control of the particle sizes. It has 

been found that the particle size distributions in gas flow systems, which 

are also lognormal, are shifted towards smaller average values with 

an  appreciable  reduction  of  the  standard  deviation  of  the  distribution. 

Depending  on  the  flow  rate  of  the  He-gas,  particle  sizes  are  reduced  by 

80% and standard deviations by 18%. 

       The  synthesis  of  nanocrystalline  pure  metals  is  relatively 

straightforward as long as evaporation can be done from refractory metal 

crucibles  (W,  Ta  or  Mo).  If  metals  with  high  melting  points  or  metals 

which  react  with  the  crucibles,  are  to  be  prepared,sputtering,  i.e.  for  W 

and Zr, or laser or electron beam evaporation has to be used. 

Synthesis  of  alloys  or  intermetallic  compounds  by  thermal  evaporation 

can only be done in the exceptional cases that the vapour pressures of the 

elements are similar. As an alternative, sputtering from an alloy or mixed 

target  can  be  employed.  Composite  materials  such  as  Cu/Bi  or  W/Ga 

have  been  synthesised  by  simultaneous  evaporation  from  two  separate 

crucibles onto a rotating collection device. It has been found that 

excellent intermixing on the scale of the particle size can be obtained. 

However,  control  of  the  composition  of  the  elements  has  been  difficult 

and reproducibility is poor. Nanocrystalline oxide powders are formed by 


background image

controlled postoxidation of primary nanoparticles of a pure metal (e.g. Ti 

to  TiO2)  or  a  suboxide  (e.g.  ZrO  to  ZrO2).  Although  the  gas  

condensation method including the variations have been widely employed 

to prepared a variety of metallic and ceramic materials, quantities 

have so far been limited to a laboratory scale. The quantities of metals are 

below 1 g/day, while quantities of oxides can be as high as 20 g/day for 

simple  oxides such as CeO2 or  ZrO2.  These  quantities are sufficient  for 

materials testing but not for industrial production. However, it should be 

mentioned that the scale-up of the gas condensation method for industrial 

production  of  nanocrystalline  oxides  by  a  company  called  nanophase 

technologies has been successful. 

4-3-4 Chemical Vapour Condensation (CVC) 

             As shown schematically in Figure, the evaporative source used in 

GPC  is  replaced  by  a  hot  wall  reactor  in  the  Chemical  Vapour 

Condensation  or  the  CVC  process.  Depending  on  the  processing 

parameters nucleation of nanoparticles is observed during chemical 

vapour  deposition  (CVC)  of  thin  films  and  poses  a  major  problem  in 

obtaining good film qualities. The original idea of the novel CVC process 

which is schematically shown below where, it was intended to adjust the 

parameter  field  during  the  synthesis  in  order  to  suppress  film  formation 

and  enhance  homogeneous  nucleation  of  particles  in  the  gas  flow.  It  is 

readily  found  that  the  residence  time  of  the  precursor  in  the  reactor 

determines if films or particles are formed. In a certain range of residence 

time both particle and formation can be obtained. 

Adjusting the residence time of the precursor molecules by changing the 

gas  flow  rate,  the  pressure  difference  between  the  precursor  delivery 

system  and  the  main  chamber  occurs.  Then  the  temperature  of  the  hot 

wall  reactor  results  in  the  fertile  production  of  nanosized  particles  of 

metals and ceramics instead of thin films as in CVD processing. In 


background image

the  simplest  form  a  metal  organic  precursor  is  introduced  into  the  hot 

zone  of  the  reactor  using  mass  flow  controller.  Besides  the  increased 

quantities  in  this  continuous  processcompared  to  GPC  has  been 

demonstrated  that  a  wider  range  of  ceramics  including    nitrides  and 

carbides can be synthesised.  Additionally,  more  complex  oxides such as 

BaTiO3  or  composite  structures  can  be  formed  as  well.  Appropriate 

precursor  compounds  can  be  readily  found  in  the  CVD  literature.  The 

extension  to  production  of  nanoparticles  requires  the  determination  of  a 

modified parameter field in order to promote particle formation instead of 

film formation. In addition to the formation of single phase nanoparticles 

by CVC of a single precursor the reactor allows the synthesis of   

    1.  mixtures  of  nanoparticles  of  two  phases  or  doped  nanoparticles  by 

supplying two precursors at the front end of the reactor, and 

    2.  coated  nanoparticles,  i.e.,  n-ZrO2  coated  with  n-Al2O3  or  vice 

versa, by supplying a second precursor at a second stage of the reactor. In 

this  case  nanoparticles  which  have  been  formed  by  homogeneous 

nucleation  are  coated  by  heterogeneous  nucleation  in  a  second  stage  of 

the reactor. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

 
 

Fig. 11. A schematic of a typical CVC reactor. 
 
        Because  CVC  processing  is  continuous,  the  production  capabilities 

are  much larger than in GPC processing. Quantities in excess of 20 g/hr 

have  been  readily  produced  with  a  small  scale  laboratory  reactor.  A 

further  expansion  can  be  envisaged  by  simply  enlarging  the  diameter  of 

the hot wall reactor and the mass flow through the reactor. 

 

4-4 Sputtered Plasma Processing: 
 
           In  this  method  is  yet  again  a  variation  of  the  gas-condensation 

method  excepting  the  fact  that  the  source  material  is  a  sputtering  target 

and  this  target  is  sputtered  using  rare  gases  and  the  constituents  are 

allowed to agglomerate to produce nanomaterial. Both dc (direct 

current)  and  rf  (radio-frequency)  sputtering  has  been  used  to  synthesize 

nanoparticles. 

          Again reactive sputtering or multitarget sputtering has been used to 

make alloys and/or oxides, carbides, nitrides of materials. This method is 

specifically  suitable  for  the  preparation  of  ultrapure  and  non-

agglomerated nanoparticles of metal. 

 


background image

 
5-6 Microwave Plasma Processing 
 
 
             This  technique  is  similar  to  the  previously  discussed  CVC 

method  but  employs  plasma  instead  of  high  temperature  for 

decomposition  of  the  metal  organic  precursors.  The  method  uses 

microwave plasma in a 50 mm diameter reaction vessel made of quartz 

placed in a cavity connected to a microwave generator. A precursor such 

as  a  chloride  compound  is  introduced  into  the  front  end  of  the  reactor. 

Generally,  the  microwave  cavity  is  designed  as  a  single  mode  cavity 

using the TE10 mode in a WR975 waveguide with a frequency of 0.915 

GHz. The major advantage of the plasma assisted pyrolysis in contrast to 

the thermal activation is the low temperature reaction which reduces the 

tendency  for  agglomeration  of  the  primary  particles.  This  is  also  true  in 

the case  of  plasma-CVD processes. Additionally,  it has been shown that 

by  introducing  another  precursor  into  a  second  reaction  zone  of  the 

tubular  reactor,  e.g.  by  splitting  the  microwave guide  tubes, the  primary 

particles  can  be  coated  with  a  second  phase.  For  example,  it  has  been 

demonstrated that ZrOnanoparticles can be coated by Al2O3. In 

this  case  the  inner  ZrO2  core  is  crystalline,  while  the  Al2O3  coating  is 

amorphous. The reaction sequence can be reversed with the result that an 

amorphous  Al2O3  core  is  coated  with  crystalline  ZrO2.  While  the 

formation of the primary particles occurs by homogeneous nucleation, it 

can be easily estimated using gas reaction kinetics that the coating on the 

primary  particles  grows  heterogeneously  and  that  homogeneous 

nucleation of nanoparticles originating  from  the  second  compound has a 

very low probability. A schematic representation of the particle growth in 

plasma’s is given below: 

 


background image

5-7 Particle precipitation aided CVD: 

 

 

 

 

 

Fig. 12. Schematic representation of (1) nanoparticle, and (2) particulate 
film formation . 
 
           In another variation of this process, colloidal clusters of  materials 

are used to prepare nanoparticles. The CVD reaction conditions are so set 

that  particles  form  by  condensation  in  the  gas  phase  and  collect  onto  a 

substrate,  which  is  kept  under  a  different  condition  that  allows 

heterogeneous  nucleation.  By  this  method  both  nanoparticles  and 

particulate  films  can  be  prepared.  An  example  of  this  method  has  been 


background image

used  to  form  nanomaterials  eg.  SnO2,  by  a  method  called  pyrosol 

deposition  process,  where  clusters  of  tin  hydroxide  are  transformed  into 

small aerosol droplets, following which they are reacted onto a 

heated glass substrate. 

 

5-8 Laser ablation 

Laser  ablation  has  been  extensively  used  for  the  preparation  of 

nanoparticles and particulate films. In this process a laser beam is used as 

the  primary  excitation  source  of  ablation  for  generating  clusters  directly 

from  a  solid  sample  in  a  wide  variety  of  applications.  The  small 

dimensions of the particles and the possibility to form thick films 

make  this  method  quite  an  efficient  tool  for  the  production  of  ceramic 

particles  and  coatings  and  also  an  ablation  source  for  analytical 

applications  such  as  the  coupling  to  induced  coupled  plasma  emission 

spectrometry, ICP, the formation of the nanoparticles has been explained 

following a liquefaction process which generates an aerosol, followed 

by the cooling/solidification of the droplets which results in the formation 

of fog. The general dynamics of both the aerosol and the fog favours the 

aggregation  process  and  micrometer-sized  fractal-like  particles  are 

formed. The laser spark atomizer can be used  

to  produce  highly  mesoporous  thick  films  and  the  porosity  can  be 

modified  by  the  carrier  gas  flow  rate.  ZrO2  and  SnO2  nanoparticulate 

thick  films  were  also  synthesized  successfully  using  this  process  with 

quite  identical  microstructure.  Synthesis  of  other  materials  such  as 

lithium manganate, silicon and carbon has also been carried out by this 

technique.  

 

 

 


background image

                                             Lecture   5 

(nano

 Application of nanomaterials 

            Nanomaterials  having  wide  range  of  applications  in  the  field  of 

electronics, fuel cells, batteries, agriculture, food industry, and medicines, 

etc... It is evident that nanomaterials split their conventional counterparts 

because  of  their  superior  chemical,  physical,  and  mechanical  properties 

and of their exceptional formability.  

5-1 Fuel cells. 

         A  fuel  cell  is  an  electrochemical  energy  conversion  device  that 

converts  the  chemical  energy  from  fuel  (on  the  anode  side)  and  oxidant 

(on the cathode side) directly into electricity. The heart of fuel cell is the 

electrodes.  The performance  of a  fuel  cell electrode can be optimized in 

two ways; by improving the physical structure and by using 

more  active  electro  catalyst.  A  good  structure of  electrode  must  provide 

ample  surface  area,  provide  maximum  contact  of  catalyst,  reactant  gas 

and  electrolyte,  facilitate  gas  transport  and  provide  good  electronic 

conductance.  In  this  fashion  the  structure  should  be  able  to  minimize 

losses. 

5-1-1 Carbon nanotubes - Microbial fuel cell . 

  


background image

 

Fig. 6-1 Schematic representation of microbial fuel cell 

            Microbial  fuel  cell  is  a  device  in  which  bacteria  consume  water-

soluble waste such as sugar, starch and alcohols and produces electricity 

plus  clean  water.  This  technology  will  make  it  possible  to  generate 

electricity while treating domestic or industrial wastewater. 

Microbial  fuel  cell  can  turn  different  carbohydrates  and  complex 

substrates present in wastewaters into a source of electricity. The efficient 

electron  transfer  between  the  microorganism  and  the  anode  of  the 

microbial fuel cell plays a major role in the performance of the fuel cell. 

The organic molecules present in the wastewater posses a certain amount 

of chemical energy, which is released when converting them to simpler 

molecules like CO2. The microbial fuel cell is thus a device that converts 

the chemical energy present in water-soluble waste into electrical energy 

by  the  catalytic  reaction  of  microorganisms.Carbon  nanotubes  (CNTs) 

have  chemical  stability,  good  mechanical  properties  and  high  surface 

area, making them ideal for the design of sensors and provide very high 

surface area due to its structural network. Since carbon nanotubes are also 

suitable.supports for cell growth, electrodes of microbial fuel cells can be 

built  using  of  CNT.Due  to  three-dimensional  architectures  and  enlarged 

electrode surface area for the entry of growth medium, bacteria can grow 

and  proliferate  and  get  immobilized.  Multi  walled  CNT  scaffolds  could 

offer  self-supported  structure  with  large  surface  area  through 

whichhydrogen producing bacteria (e.g., E. coli) can eventually grow and 

proliferate.  Also  CNTs  and  MWCNTs  have  been  reported  to  be 

biocompatible for different eukaryotic cells. The efficient proliferation of 

hydrogen  producing bacteria  throughout  an  electron  conducting  scaffold 

of CNT can form the basis for the potential application as electrodes in 

 

MFCs leading to efficient performance.

 


background image

5-2 Catalysis. 

Higher  surface  area  available  with  the  nanomaterial  counterparts,  nano-

catalysts tend to have exceptional surface activity. For example, reaction 

rate at nano-aluminum can go sohigh, that it is utilized as a solid-fuel in 

rocket propulsion, whereas the bulk aluminum is widely used in utensils. 

Nano-aluminum becomes highly reactive and supplies the required thrust 

to send off pay loads in space. Similarly, catalysts assisting or retarding 

the reaction rates are dependent on the surface activity, and can very well 

be utilized in manipulating the rate-controlling step. 

5 -3  Phosphors for High-Definition TV

     The  resolution  of  a  television,  or  a  monitor,  depends  greatly  on  the 

size  of  the  pixel.  These  pixels  are  essentially  made  of  materials  called 

"phosphors," which glow whenstruck by  a stream of electrons inside the 

cathode ray tube (CRT). The resolution improves with a reduction in the 

size  of  the  pixel,  or  the  phosphors.  Nanocrystalline  zinc  selenide,  zinc 

sulfide, cadmium sulfide, and lead telluride synthesized by the sol-gel 

techniques  are  candidates  for  improving  the  resolution  of  monitors.  The 

use of  nanophosphors  is  envisioned to  reduce  the cost of these displays 

so as to render highdefinition televisions (HDTVs) and personal 

  

computers affordable to be purchase.

  

5 -4  Next-Generation Computer Chips. 

          The 

microelectronics 

industry 

has 

been 

emphasizing 

miniaturization,  whereby  the  circuits,  such  as  transistors,  resistors,  and 

capacitors,  are  reduced  in  size.  By  achieving  a  significant  reduction  in 

their  size,  the  microprocessors,  which  contain  these  components,can  run 

much  faster,  thereby  enabling  computations  at  far  greater  speeds. 

However,  there  are  several  technological  impediments  to  these 


background image

advancements,  including  lack  of  the  ultrafine  precursors  to  manufacture 

these  components;  poor  dissipation  of  tremendous  amount  of  heat 

generated by these microprocessors due to faster speeds; short mean time 

to  failures  (poor  reliability),  etc.  Nanomaterials  help  the  industry  break 

these barriers down by providing the  manufacturers with nanocrystalline 

starting  materials,  ultra-high  purity  materials,  materials  with  better 

thermal  conductivity,  and  longer-lasting,  durable  interconnections 

(connections between various components in the microprocessors). 

Example: Nanowires for junctionless transistors 

Transistors  are  made  so  tiny  to  reduce  the  size  of  sub  assemblies  of 

electronic  systems  and  make  smaller  and  smaller  devices,  but  it  is 

difficult to create high-quality junctions. 

          In particular, it is very difficult to change the doping concentration 

of  a material over distances shorter than about 10  nm.  Researchers  have 

succeeded  in  making  the  junctionless  transistor  having  nearly  ideal 

electrical properties. It could potentially operate faster and use less power 

than any conventional transistor on the market today. 

The  device  consists  of  a  silicon  nanowire  in  which  current  flow  is 

perfectly controlled by a silicon gate that is separated from the nanowire 

by a thin insulating layer. The entire silicon nanowire is heavily n-doped, 

making  it  an  excellent  conductor.  However,  the  gate  is  p-doped  and  its 

presence has the effect of depleting the number of electrons in the 

region  of  the  nanowire  under  the  gate.  The  device  also  has  near-ideal 

electrical  properties  and  behaves  like  the  most  perfect  of  transistors 

without  suffering  from  current  leakage  like  conventional  devices  and 

operates faster and using less energy. 


background image

 

Fig.6-2  Silicon nanowires in junctionless transistors. 

 

5-5 Elimination of Pollutants. 

     Nanomaterials  possess  extremely  large  grain  boundaries  relative  to 

their  grain  size.  Hence,  they  are  very  active  in  terms  of  their  chemical, 

physical,  and  mechanical  properties.  Due  to  their  enhanced  chemical 

activity, nanomaterials can be used as catalysts to react with such noxious 

and  toxic  gases  as  carbon  monoxide  and  nitrogen  oxide  in  automobile 

catalytic converters and power generation equipment to prevent 

environmental pollution arising from burning gasoline and coal. 

 5-6 Sun-screen lotion. 

         Prolonged  UV  exposure  causes  skin-burns  and  cancer.  Sun-screen 

lotions  containing  nano-TiO2  provide  enhanced  sun  protection  factor 

(SPF)  while  eliminating  stickiness.  The  added  advantage  of  nano  skin 

blocks  (ZnO  and  TiO2)  arises  as  they  protect  the  skin  by  sitting  onto  it 

rather than penetrating into the skin. Thus they block UV radiation 

effectively  for  prolonged  duration.  Additionally,  they  are  transparent, 

thus retain natural skin color while working better than conventional skin-

lotions. 

 

 


background image

5-7  Sensors. 

         Sensors rely on the highly active surface to initiate a response with 

minute  change  in  the  concentration  of  the  species  to  be  detected. 

Engineered  monolayers  (few  Angstroms  thick) on  the sensor surface  are 

exposed to the environment and the peculiar functionality 

(such  as  change  in  potential  as  the  CO/anthrax  level  is  detected)  is 

utilized in sensing.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: ضرغام العزاوي
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 185 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل