Conceptos básicos de Mecánica Cuántica. Aplicaciones a partículas confinadas en pozos de potencial. Comportamiento en sistemas infinitos con potenciales periódicos. Alteraciones por reducción a la nanoescala del tamaño del sistema.
Bibliografía:
-"Fisica Moderna: Mecánica Cuántica, Relatividad y Estructura de la Materia", Vol. 2C, Tipler y Mosca, Ed. Reverte, 2005.
-"Quantum Mechanics for Scientists and Engineers", David Miller, Cambridge University Press, 2008.
Introducción a la estructura electrónica de los materiales. Visualización y comprensión de los conceptos básicos fundamentales mediante modelos simples. Se priorizará el concepto físico por encima del rigor matemático.
Bibliografía:
- C.Poole and F. Owens, Introduction to Nanotechnology, John Wiley, 2003.
- A. P. Sutton, Electronic structure of materials, Oxford Univ. Press, 1993
- C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, John Wiley, 1996.
Módulo 3 – Nanopartículas metálicas y nanohilos moleculares (D. Schiffrin)
Nanopartículas metálicas. Síntesis. Técnicas de análisis. Aplicaciones electroquímicas. Aspectos fundamentales de plasmones ópticos. Incorporación dentro de hilos moleculares orgánicos. Amplificación de la conductancia. Aplicaciones.
Bibliografía:
- J.M. Abad, M. Gass, A. Bleloch and D.J. Schiffrin, Direct electron transfer to a metalloenzyme redox center coordinated to a monolayer protected cluster, J. Am. Chem. Soc. 131, 10229-10236 (2009)
- M. Bayati, J.M. Abad, C.A. Bridges, M.J. Rosseinsky, and D.J. Schiffrin, Size control and electrocatalytic properties of chemically synthesized platinum nanoparticles grown on functionalised HOPG, J. Electroanal. Chem. 623, 19-28 (2008)
- I.E. Sendroiu, D.J. Schiffrin and J.M. Pastor, Nanoparticle organization by a Co(II) coordination chemistry directed recognition reaction, J. Phys. Chem.C 112, 10100-10107 (2008)
- I.E. Sendroiu, S.F.L. Mertens and D.J. Schiffrin, Plasmon interactions between gold nanoparticles in aqueous solution with controlled spatial separation, PCCP 8, 1430 – 1436 ( 2006)
- W. Haiss, R.J. Nichols, H. van Zalinge, S.J. Higgins, D. Bethell, and D.J. Schiffrin, Measurement of Single Molecule Conductivity using the Spontaneous Formation of Molecular Wires, PCCP 17, 4330 (2004).
- M. Brust, M. Walker, D. Bethell, D.J. Schiffrin and R. Whyman, Synthesis of Thiol Derivatised Gold Nanoparticles in a Two-Phase Liquid/Liquid System, J. Chem. Soc., Chem. Comm. 801-802 (1994)
Módulo 4 – Propiedades magnéticas (A. Butera)
- Anisotropía en materiales magnéticos: (a) Magnetocristalina, forma y tensiones magnéticamente inducidas. (b) Sistemas con dos o más formas de anisotropía. Forma de las curvas M vs. H en casos simples.
- Anisotropía magnética en films: (a) Efectos de la superficie en films únicos y bicapas magnéticas. (b) Efectos magnetoelásticos. Régimen coherente e incoherente
- Dominios Magnéticos: (a) Modelos para la estimación del tamaño del domino y de su pared. (b) Paredes de dominio en films. Tipo Bloch, Néel y Cross Tie. (c) Dominios en films nanoestructurados. Dependencia de la configuración de dominios con el tamaño lateral y el espesor. Tamaño del core en un dominio tipo vórtice.
- Magnetismo en films y multicapas: Exchange anisotropy. Anisotropía unidireccional. Exchange Bias. Sistemas en los que se observa exchange bias. Modelo fenomenológico. Cálculo del campo de intercambio. Dependencia del campo de intercambio con el espesor de las capas FM y AFM. Superficies compensadas vs. No compensadas. Anisotropía positiva. Efectos de la temperatura. (b) Exchange Spring Magnets. Características. Dependencia de las propiedades magnéticas con el espesor de las capas. Modelo para explicar los lazos de histéresis. (c) Multicapas. Acople a través de un espaciador. Acople bilineal y bicuadrático. Acople oscilatorio tipo RKKY. Medición del campo de acople y del período de oscilación. Espaciadores magnéticamente ordenados. Influencia de la rugosidad de las superficies. Efecto “orange peel”. Frustración.
Bibliografía general:
- Getzlaff: Fundamentals of Magnetism. (2008)
- Stöhr, Siegmann: Magnetism, from fundamentals to nanoscale dynamics (2006)
- Chikazumi: Physics of magnetism.
- Cullity: Introduction to magnetic materials (2009)
Magnetismo en films:
- Ultrathin Magnetic Structures vol. I-IV
Exchange Anisotropy:
- Exchange Bias: Nogués et al., Phys. Rep. 422, 65-117 (2005)
Nogués and Schuller, J. Magn. & Magn. Materials 192, 203-232 (1999)
- Exchange anisotropy: Berkovitz, Takano, J. Magn. & Magn. Materials 200, 552 (1999)
Meiklejohn, J. Appl. Phys. 33, 1328 (1962)
- Exchange Spring Magnets: Fullerton et al, J. Magn. & Magn. Materials 200, 392 (1999)
Módulo 5 – Nanostructuras híbridas (I. Schuller)
Susceptibilidad de nanoestructuras magnéticas en contacto con materiales disímiles. Ejemplos de interés: superredes magnético/no-magnético, bicapas influenciadas por intercambio (exchange bias), magnetos orgánicos disímiles y matrices magnéticas nanoestructuradasen contacto con superconductores. Correlación entre propiedades físicas y configuración atómica. Aplicaciones: conexión entre exchange bias y estructura atómica en bicapas ferro-antiferromagnéticas nanoestructuradas, efecto de desorden estructural en el anclado superconductor colectivo, efecto de rugosidad en la magnetoresistencia gigante de superredes metálicas, y efectos de propiedades estructurales en el transporte eléctrico de películas orgánicas delgadas.
Bibliografía:
1. Quantitative X-ray Diffraction from Superlattices, Eric E. Fullerton, Ivan K. Schuller, and Y.
Bruynseraede, Mat. Res. Soc. Bull. XVII, 33 (1992),
2. Persistent Photoinduced Superconductivity, A. Hoffmann, J. Hasen, D. Lederman, T. Endo, Y. Bruynseraede and Ivan K. Schuller, Jour. All. Comp. 251, 87 (1997).
3. Magnetic Superlattices and Multilayers, Ivan K. Schuller, S. Kim, and C. Leighton, Jour. Mag. Mag. Mat. 200, 571 (1999).
4. Research Frontiers in Magnetic Materials at Soft-X-ray Synchrotron Radiation Facilities,, J.B. Kortright, D.D. Awschalom, J. Stohr, S.D. Bader, Y.U. Idzerda, S.S.P. Parkin, Ivan K. Schuller, and H.-C. Siegmann, Jour. Mag. Mag. Mat. 207, 7 (1999).
5. Exchange Bias, Josep Nogues and Ivan K. Schuller, Jour. Mag. Mag. Mat. 192, 203 (1999
6. Superredes, J. Santamaría, J. L. Vicent, I. K. Schuller, Revista Española de Física 16, 12 (2002).
7. Ordered Magnetic Nanostructures: Fabrication and Properties, J.I. Martin, J. Nogues, Kai Liu, J.L. Vicent and Ivan K. Schuller, J. Mag. Mag. Mat. 256, 449 (2003).
8. Neutron Scattering Studies of Nanomagnetism and Artificially Structured Materials, M.R. Fitzsimmons, S.D. Bader, J.A. Borchers, G.P. Felcher, J.K. Furdyna, A. Hoffmann, J.B. Kortright, Ivan K. Schuller, T.C. Schulthess, S.K. Sinha, M.F. Toney D. Weller and S. Wolf, Jour. Mag. Mag. Mat. 271, 103 (2004).
9. Unusual Phenomena in Exchange-Biased Nanostructures, Ivan K. Schuller, Mat. Res. Soc. Bull. 29, 642 (2004).
10. How to Judge Flawed Science, Ivan K. Schuller and Yvan Bruynseraede, MRS Bulletin 30, 75 (2005).
11. Advances in Nanomagnetism via X-ray Techniques, G. Srajer, L. H. Lewis, S. D. Bader, A. J. Epstein, C. S. Fadleye, E. E. Fullerton, A. Hoffmann, J. B. Kortright, Kannan M. Krishnan, S. A. Majetich, T. S. Rahman, C. A. Ross, M. B. Salamon, I. K. Schuller, T. C. Schulthess and J. Z. Sun, Jour. Mag. Mag. Mat. 307, 1 (2006).
12. The 2007 Nobel Prize in Physics: Magnetism and Transport at the Nanoscale, E. E. Fullerton and I. K. Schuller, Am. Chem. Soc. Nano 1, 384 (2007).
13. Superconducting Vortex Pinning with Artificial Magnetic Nanostructures, M. Vélez, J. I. Martín, J. E. Villegas, A. Hoffmann, E. M. González, J. L. Vicent, and I. K. Schuller, Jour. Mag. Mag. Mat. 320, 2547 (2008)
Módulo 6 – Nanobiología. Microscopías de Barrido por Sondas (L. Pietrasanta)
Introducción a las microscopías de barrido por sondas (SPM), sus principios y modos de operación, ventajas, limitaciones y perspectivas. Microscopios: de fuerza atómica (AFM)1, de barrido por efecto túnel (STM), óptico de barrido en campo cercano (SNOM o NSOM). Métodos de preparación de las muestras2. Adquisición de imágenes3. Desarrollos en instrumentación4. Diferentes aplicaciones en nanobiología. Monitoreo por AFM de interacciones entre moléculas individuales en su estado nativo5. Determinación por AFM de la energética de transiciones de fase6, cambios conformacionales7, y desplegado de moléculas individuales8.
Bibliografía:
1 G. Binnig, C.F. Quate, & C. Gerber, Atomic force microscope. Phys. Rev. Lett. 56, 930–933 (1986)
2 J.X. Mou, J. Yang, & Z.F. Shao, Atomic force microscopy of cholera toxin B-oligomers bound to bilayers of biologically relevant lipids. J. Mol. Biol. 248, 507–512 (1995);
D.J. Müller, M. Amrein, & A. Engel, Adsorption of biological molecules to a solid support for scanning probe microscopy. J. Struct. Biol. 119 172–188 (1997);
D.M. Czajkowsky, S. Sheng, & Z. Shao, J. Mol. Biol. 276, 325–330 (1998);
D.E. Alvarez, M.F. Lodeiro, S.J. Ludueña, L.I. Pietrasanta, and A.V. Gamarnik, Long range RNA-RNA interactions circularize Dengue virus genome. J. Virol. 79, 6631-6643 (2005)
3 C. Möller, M. Allen, V. Elings, A. Engel, & D.J. Müller, Tapping mode atomic force microscopy produces faithful high-resolution images of protein surfaces. Biophys. J. 77, 1050–1058 (1999)
4 P.K. Hansma, J.P. Cleveland, M. Radmacher, D.A. Walters, P.E. Hillner, M. Bezanilla, M. Fritz, D. Vie, H.G. Hansma, C.B. Prater, J. Massie, L. Fukunaga, J. Gurley, & V. Elings, Appl. Phys. Lett. 64, 1738–1740 (1994);
W. Han, S.M. Lindsay, M. Dlakic, & R.E. Harrington, Nature 386: 563 (1997);
M.B. Viani, T.E. Schäffer, A. Chand, M. Rief, H.E. Gaub, & P.K. Hansma, J. Appl. Phys. 86, 2258–2262 (1999);
M.B. Viani, L.I. Pietrasanta, J.B. Thompson, A. Chand, I.C. Gebeshuber, J.H. Kindt, M. Richter, H.G. Hansma, & P.K. Hansma, Probing protein-protein interactions in real time. Nature Struct. Biol. 7, 644-647 (2000);
J. K. H. Horber, & M. J. Miles, Science 302, 1002-1005 (2003)
5 D.J. Mueller and K. Anderson, Biomolecular imaging using atomic force microscopy.Trends in Biotechnol. 20, S45-S49 ( 2002)
6 T.E. Fisher, A.F. Oberhauser, M. Carrion-Vazquez, P.E. Marszalek, & J.M. Fernandez, The study of protein mechanics with the atomic force microscope. Trends Biochem. Sci. 24, 379–384 (1999)
7 T. Braun, N. Backmann, M. Vogtli, A. Bietsch, A. Engel, H.P. Lang, C. Gerber, M. Hegner, Conformational change of bacteriorhodopsin quantitatively monitored by microcantilever sensors. Biophys J. 90, 2970-2977 (2006).
8 D.J. Müller & A. Engel, pH and voltage induced structural changes of porin OmpF explain channel closure. Mol. Biol. 285, 1347-1351 (1999);
T.E. Fisher, P.E. Marszalek, & J.M. Fernandez, Nature Struct. Biol. 7, 719–724 (2000);
M. Rief, M. Gautel, F. Oesterhelt, J.M. Fernandez, & H.E. Gaub, Science 276, 1109-1112 (1997); D.J. Muller, K.T. Sapra, S. Scheuring, A. Kedrov, P.L. Frederix, D. Fotiadis, A. Engel, Single-molecule studies of membrane proteins. Curr. Opin. Struct. Biol. 16, 489-95 (2006).
Módulo 7 – Espectroscopias iónicas y electrónicas en superficies (J. Ferrón)
Técnicas de caracterización de superficies más difundidas actualmente: espectroscopia de fotoelectrones, de electrones Auger y de iones reflejados. Análisis de las aplicaciones más simples, apuntando a la determinación elemental y química de una superficie y algunas aplicaciones más sofisticadas. Para el caso particular del crecimiento “bottom up” de nanoestructuras generadas por bombardeo iónico, caracterización completa del proceso de generación y del producto final por aplicación conjunta de las técnicas mencionadas.
Bibliografía:
Feldman. Fundamentals of Nanoscale Film Analysis, Alford, Springer 2007. ISBN 10: 0-387-29260-8
Y.W. Chung. Practical Guide to SS & Spectroscopy. Academic Press 2001. ISBN 0-12-174610-0
Módulo 8 – Nanomanipulación y caracterización estructural y mecánica de nano-objetos (D. Ugarte)
Estudio de procesos dinámicos in-situ por microscopía electrónica de alta resolución. Observación en tiempo real, hasta resolución atómica, de las modificaciones inducidas en un nanosistema sometido a un tratamiento o proceso térmico, mecánico, químico, etc.. Tendencias actuales y perspectivas.
Bibliografía:
C. Alloca and D. Smith, Instrumentation and Metrology for Nanotechnology, Report of the National Nanotechnology Initiative (available from www.nano.gov, 2005), Ch.3.
W. D. Callister, Materials science and engineering : una introduction (J. Wiley, New York, 2003).
D.B. Williams and C.B. Carter, Transmission Electron Microscopy: A textbook for Materials ScienceCristalografía y Orden Magnético por Difracción de Neutrones.
Módulo 9 – Experimentos en nano-óptica (A. Bragas)
- Introducción a la Nano-óptica:interacciones luz-materia en la nanoescala.
- Plasmones superficiales:Propiedades ópticas de metales nobles. Excitación de plasmones-polaritones en superficies planas. Plasmones en nanopartículas. Intensificación del campo y confinamiento.
- Técnicas experimentales en microscopia óptica de alta resolución:Microscopio confocal. Microscopio STED. Microscopio óptico de campo cercano con apertura. Microscopio óptico por intensificación de campo. Sondas ópticas de campo cercano: fibras ópticas, puntas metálicas, nanopartículas metálicas. Nanoantenas.
- Nanolitografía óptica. Nano-Raman:Dispersión Raman intensificada por superficies y puntas. Sustratos intensificadores basados en nanopartículas y nanocáscaras. Sensores SERS.
Bibliografía: - L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics , Cambridge Press 2006.
- E.A. Domené, F. Balzarotti, A.V. Bragas, O.E. Martínez, Photothermal measurement of absorption and scattering losses in thin films excited by surface plasmons, Optics Letters 34 (24), 3797–3799 (2009).
- A.F. Scarpettini, N. Pellegri and A.V. Bragas, Optical imaging with subnanometric resolution using nanoparticle-based plasmonic probes, Optics Communications, 282(5), 1032-1035 (2009)
- A.V. Bragas and O. E. Martínez. Field-enhanced scanning optical microscope. Optics Letters, 25 (9), 631-633 (2000).
Mecánica de Contacto. Teoría Hertziana. Indentación Elástica y Elástico–Plástica. Ensayo de Indentación con sensado de profundidad. Método de Oliver Pharr. Imágenes SPM. Dureza tradicional y Martens .
Bibliografía:
- Anthony C. Fischer-Cripps. Introduction to Contact Mechanics.
- Mark R. VanLandingham, Review of Instrumented Indentation-Volume 108, Number 4, July- August 2003.
- Fischer-Cripps A.C.; Critical review of analysis and interpretation of nanoindentation test data. ; Surface & coatings technology ISSN 0257-8972, 2006, vol. 200, no14-15, pp. 4153-4165.
- V.L. Popov. Contact Mechanics and Friction. Physical Principles and Applications. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010.
Módulo 11 – Síntesis de Nanomateriales por métodos “bottom-up” (G. Soler-Illia)
Métodos generales de producción de nanosistemas, metodologías “bottom-up” y “top-down”.
Síntesis a partir de fase gaseosa, y a partir de solución. Comparación de condiciones y parámetros de control.
Química de soluciones. Precursores químicos: sales, alcóxidos, química de hidrólisis-condensación.
Nanopartículas: mecanismos de nucleación-crecimiento. Coloides o “quantum dots”. Nanoalambres: propiedades anisotrópicas.
Uso de métodos de caracterización de nanopartículas: espectroscopia, microscopía, difusión, difracción y caracterización superficial.
Modificación superficial y funcionalización de nano-objetos.
Micropartículas. Fenómenos de agregación.
Films delgados, producción y caracterización. Autoensamblado molecular. Litografía suave.
Nanomateriales complejos a partir de métodos químicos: Nanocompósitos, Materiales híbridos, nanopartículas “core-shell”.
Química de la materia organizada: autoensamblado de nano-objetos. Arreglos de nanopartículas, materiales mesoporosos. Bionanomateriales, biomineralización en sistemas vivientes y biomimetismo.
Bibliografía:
M. Faraday, “The Bakerian lecture: experimental relations of gold (and other metals) to light”, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 147 (1847), 145-181.
C.J. Brinker y G.W. Scherrer, Sol-Gel Science, Academic Press, 1990.
G. Ozin, A. Arsenault, Nanochemistry: A Chemical Approach to Nanomaterials, RSC, 2005.
G. Cao, Nanostructures and Nanomaterials, Synthesis, Properties and Applications. Imperial College Press, 2004.
P. Yang (Ed.) The Chemistry of Nanostructured Materials, World Scientific, 2003.
S. Mann, Biomineralization, Oxford
La Ley de Hall-Petch. Importancia de los fenómenos de superficie. Identificación de la “interfase natural”. Técnicas de fabricación de materiales finamente divididos, como la deformación plástica severa y la metalurgia de polvos nanométricos. Técnicas de caracterización de tamaños de dominios por medio de difractometría de rayos X y su comparación con técnicas de observación directa de la microscopía óptica, electrónica y por Electron Back-Scattering Diffraction.
Bibliografía
1. K.S. Kumar, H. Van Swygenhoven, S. Suresh. Mechanical behavior of nanocrystalline metals and alloys. Acta Materialia 51 (2003) 5743–5774.
2. T. Ungár, J. Gubicza, G. Ribárik and A. Borbély. Crystallite size distribution and dislocation structure determined by diffraction profile analysis: principles and practical application to cubic and hexagonal crystals. J. Appl. Cryst. (2001). 34, 298–310.
3. L. Li, T. Ungár, Y.D. Wang, G.J. Fan, Y.L. Yang, N. Jia, Y. Ren, G. Tichy, J. Lendvai, H. Choo and P.K. Liawa, Simultaneous reductions of dislocation and twin densities with grain growth during cold rolling in a nanocrystalline Ni–Fe alloy. Scripta Materialia 60 (2009) 317–320.
4. J. Gubicza, H.-Q. Bui, F. Fellah, N. Szász, G. Dirras. Bulk ultrafine-grained Nickel consolidated from nanopowders. Materials Science Forum Vol. 589 (2008) pp 93-98.
5. Warren, B. E. X-Ray studies of deformed metals. (1959). Prog. Met. Phys. 8, 147-202.
Módulo 13 – Películas delgadas a partir de precursores líquidos (O. de Sanctis)
Principales estrategias para la síntesis de las soluciones precursoras. Fenómenos implícitos en el proceso de crecimiento y cristalización de películas. Algunas técnicas de caracterización de películas delgadas.
- R. W. Schwartz. Chemical Solution Deposition of Perovskite Thin Films.Chem. Mater.; 1997; 9; 2325-40.
- C. Livage, A. Safari, and L. C. Klein, "Glycol-Based Sol-Gel Process for the Fabrication of Ferroelectric PZT Thin Films," J. Sol-Gel Sci. Tech..; (1994); 2; 605-609.
- M. Stachiotti, R. Machado, , M.L. Santiago, A. Frattini, N. Pellegri, R. Bolmaro and O. de Sanctis. "Effects of Acetoin as chelating agent on the preparation of SrBi2Ta2O9 thin films from non-hydrolyzing precursors". J Sol-Gel Sci Tech. 48 (2008) 294-302.