Actividades de Investigation Cinvestav-Querétaro
Nanociencias y Nanoestructuras
• Procesamiento de materiales nanoestructurados• Caracterización de superficies a escala nanométrica• Aplicación de materiales nanoestructurados• Nanociencia computacional
Libramiento Norponiente 2000, Real de Juriquilla CP76230. Ph: 52 442 2119900
1 Nivel I1 Nivel I12 Nivel II 12 Nivel II 8 Nivel III 8 Nivel III
Unidad Querétaro : InvestigadoresInvestigadores
21 Investigadores de tiempo completo 21 Investigadores de tiempo completo
(todos miembros del SNI)(todos miembros del SNI)
ÁÁreas de Investigacireas de Investigacióón:n:
• Materiales• Cerámicos y metálicos• Semiconductores y optoelectrónicos• Compuestos• Orgánicos
• Recubrimientos y Películas delgadas• Técnicas de Caracterización de Materiales• Simulación y Modelación de Materiales y Procesos
Productividad (2000Productividad (2000--20072007)379 Artículos en revistas científicas de prestigio internacional.
876 Resúmenes en congresos nacionales e internacionales.
85 Proyectos Científicos
65 Proyectos Tecnológicos
106 Servicios a empresas
PatentesInternacionales otorgadas: 11 Nacionales otorgadas: 4 Internacionales solicitadas: 5 Nacionales solicitadas: 14
Líneas principales de investigación en CINVESTAV QRO - NANO …
• Procesamiento de materiales nanoestructurados• Deposición física de vapor y rociado térmico • Proceso Sol-Gel o Zeolitas• Molienda de alta energía reactiva
• Caracterización de superficies a escala nanométrica• Microscopía de fuerza atómica• Nanoindentación• Caracterización óptica (Espectroscopía Raman entre otras)
• Aplicaciones de materiales nanoestructurados• Fotocatálisis• Catálisis (O2 y H2 principalmente)
• Nanociencia Computacional • Predicción, caracterización y correlación experimental• Caracterización de superficies y simulación• Caracterización electrónica, vibracional, térmica, elástica y óptica• Nanoestructuras magnéticas, metálicas, iónicas y semiconductoras
Laboratorios1. Propiedades eléctricas.
2. Microscopía
3. Propiedades ópticas.
4. Propiedades fototérmicas.
5. Química de materiales II
6. Crecimientos de películas delgadas.
7. Propiedades fisicoquímicas.
8. Procesamiento de Materiales orgánicos.
9. Análisis Térmico/módulos de crecimientos y medición/polímeros.
10. Química de materiales I.
11. Materiales compuestos.
12. Polímeros.
13. Simulación.
14. XPS
Colaboraciones Internacionales
UPC, CSIC, UV, UBSpain
Cinvestav Querétaro
KTH, ChalmersSweden
TUHH,IZPF, MPI, PULAU and KU, Germany
CENM, UA, U. Nal;Colombia
PUC, USACH,UCHILE; Chile PUL, France,
Cambridge, UK
UCL-Belgium
UCSB, UCSD, TAMU, NYU, ANL; USA
Procesamiento de películas delgadas y recubrimientos duros por PVD
Sistemas de evaporación• OEM –espectroscopía de
emisión óptica• Magnetron sputtering
reactivo• Evaporación por arco
pulsado• DC-pulsado reactivo
AutomatizaciónRecubrimientos
• Nitruros (TiN, AlN, CrN, ZrN)• Carburos (WC, TiC, …)• Oxidos (Al2 O3 , TiO2, ITO,
BaTiO3 , SrTiO3 , PZT)
Substrato
Blanco metálico
Control de Flujo de gases
Bomba de vacío (mecánica y turbomolecular)
Cámara de vacío
Magnetron
Medidor de espesor
Placa de montaje
Calentami ento
Plasma Ventana de cuarzo
Dip or spin coatingProceso Sol Gel
TEOS:MMA:TMSPM
•Baja rugosidad: RMS <1 nm), alta dureza: 0.6 – 2.5 GPa, calidad óptica
secado
Recubrimientos densos
* Recubrimientos híbridos PMMA-SiO2
* monolitos and esferas submicrométricas de SiO2
Monolitos de SiO2 dopados con Cr, V, Mo y Mn. Esferas submicrométricas de SiO2 nanopartículas de Ag
* Polvos y películas delgadas de PZT
PZT, molienda y sinterización Nanocristales de PZT, sol-gel Películas PZT en sustratos de ITO
En colaboración con J.M. Yáñez Limón y R. Ramírez Bon
Proceso Sol-Gel
Síntesis y procesamiento de cerámicos multifuncionales
• Molienda de alta energía• Ferroelectricos ABO3 : Pb(Zr,Ti)O3, BaTiO3 , PbTiO3• Conductores iónicos : ZrO2 -c, LaSrMnO3• Otros óxidos (high k): SrTiO3 , SnTiO3• Cerámicos de alta temperatura, Pirocloros: 7YSZ, La2 Zr2 O7, La2 Ce2 O7• Materiales para almacenamiento de hidrógeno: TiAlH, Mg2 NiH
• Proceso Sol gel y precipitación química• Ferroeléctricos Pb(Zr,Ti)O3• Otros óxidos: YAG, TiO2 , SiO2 , Al2 O3
• Crecimiento de películas por erosión catódica(PVD RF-DC-DC-pulsed):
• Metales, cerámicos, recubrimientos duros
• Sinterización: • Cerámicos policristalinos, monocristales de BaTiO3
• Proyección térmica (APS, HVOF)
• Extracción en fase líquida de fibras cerámicas
Radius (microns)
Hei
ghta
bove
subs
trate
(mic
rons
)
0 10 20 30 40 50 600
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Radius (microns)
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Radius (microns)
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Sphere (Ni)
Flake (Ni)
t = 0.00 μs t = 0.10 μs t = 0.60 μs
t = 0.60 μst = 0.10 μst = 0.00 μs
Radius (microns)
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Radius (microns)
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Sphere (Ni)
Flake (Ni)
t = 0.00 μs t = 0.10 μs t = 0.60 μs
t = 0.60 μst = 0.10 μst = 0.00 μs
Comportamiento de las partículas durante el vuelo y la deformación al impacto
NEIM1
0
100
200
300
400
500
600
0 500 1000 1500 2000 2500
Displacement (nm)
Loa
d (m
N)
NEIM1
0
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0 500 1000 1500 2000 2500
Displacement (nm)
Loa
d (m
N)
Microstructura yPropiedades mecánicas
Rociado térmico (HVOF)
Zeolitas
Mx/n [(AlO2 ) x (SiO2 ) y ].m H2 O
CdS en una red de sodalita10nm
* Nanopartículas de PbS y PbS2 en Zeolitas
* Iiones metálicos zeolita natural zeolite (Clinoptilolite) para bactericida
Caracterización de superficies a escala nanométrica
• Microscopía de fuerza Atómica• Nanoindentación• Caracterización óptica• XPS
• Caracterización a escala nanométrica de superficies por AFM• Propiedades mecánicas (AFM, AFAM, Nanoindentación)• Propiedades eléctricas (piezorespuesta, EFM, KFM)• Monitoreo de sitios de nucleación y crecimiento de cristales durante crecimiento de películas por CBD
• Simulación por elementos finitos de vibraciones del cantilever a alta frecuencia.
Sensor tip
Cantilever
lens
Laser beam
Sample
FotodiodoVertical
force signal
Flexural
Lateral force signal
Microscopía de fuerza atómica (AFM)
Finite element simulation
Caracterización de propiedades mecánicas de materiales por nanoindentación
Curvas Fuerza-desplazamiento
ÁFM-modo contacto
sample
Piezoelectric actuatorX-Y-Z
Topografía
LOAD
UNLOAD
Pmax
hmaxhs
App
lied
load
(P)
Penetration depth (h)
S
P
Nanoindentador Ubi-1
Nanotribología
Materiales en volumen y películas delgadas (metales, cerámicos, polímeros y compuestos) a escala nanométrica por medio de indentación instrumentada.Propiedades que se pueden determinar:
hf
•Dureza•Módulo de Elasticidad•Rigidez de contact•Recuperación elástica (energías)•Módulo de fluencia (Creep)•Presión de contacto relacionada con esfuerzos de cedencia
•Relajación de esfuerzos•Trabajo de indentación•Tenacidad a la fractura•Coeficiente de fricción•Rugosidad•Volúmen de desgaste•Esfuerzos residuales•Coeficientes de fricción
SLF
Propiedades ópticas
A. Mendoza-Galván, et al. J. Vac. Sci.Technol. A 17 (1999), 1103.
Aplicación de la Espectroscopia de Elipsometria
Medición de espectros de Reflectancia (R) y Transmitancia (T) a incidencia normal
Metodología: La información deseada se obtiene del análisis sistemático de modelos basados en leyes físicas (i.e. Maxwell and Fresnel). Capacidades: Determinación of constantes ópticas (n&k), anchos de bandas, espesor de películas (t), rugosidad de superficies e interfaces, fracción volumen de constituyentes (fi ) en películas delgadas de nano compuestos, tamaño (s) de nano partículas metálicas, etc.
J. Hernández-Torres and A. Mendoza-Galván. Thin Solid Films 472 (2005), 130. J. Non- Cryst. Solids 351 (2005), 2029.
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.00.0
0.5
1.0
1.5
Exp Fit
cos
Δ
Photon Energy (eV)
fCu = 5.7%s = 4 nmt = 550 nm
Cu nanoparticles in SiO2
Exp With bulk n&k data of Cu Size effect on n&k of Cu
p
B
tan ψ
200 300 400 500 600 700 800 9000
20
40
60
80
100
λ (nm)
R
T
Exp Cal
R &
T (%
)
200 400 600 8001.5
1.6
1.7
λ (nm)
nk
NiO nanoparticles in SiO2
fNiO = 3.5 %t = 565 nm
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
Nanotecnología computacional
• Reactividad de cúmulos -clusters - metálicos, semiconductores y moleculares (Catálisis)
• Nano ingeniería Absorción de moléculas sobre superficies, dopado sobre nano estructuras, construcción de nano estructuras con propiedades especificas
• Caracterización of nano estructuras tales como nanoalambres, nanotubos, nanopuntos, nanocilindros, etc.
• Manipulación de propiedades por medios externos. Campos electromagnéticos, presión and temperatura. Transiciones de fases (estructura y magnéticas)
• Desarrollo de Software en GNU(DFT y TDDFT)• Transporte electrónico molecular
Muchas Gracias !
Materiales Cerámicos Híbridos
• Procesamiento de materiales cerámicos híbridos a partir de nanoparticulas of sílice, titania y alúmina para materiales en bulto y recubrimientos con diferentes características:• Espesor, concentración of partículas metálicas, de tintas
orgánicas, de polímeros para disminución de porosidad en la red cerámica.
• Para aplicaciones estéticas o anticorrosivas.• Como foto catalizadores para la destrucción de tintas orgánicas en
flujos residuales.• Como catalizadores para la obtención de Hidrogeno a partir de
metano. • Como catalizadores para la obtención de naotubos de carbón a partir
de metano.• Otros usos: Producción of electrocatalizadores y membranas para
celdas de combustible.
Reducción
Oxidación
Dibujo esquemático de la excitación de una partícula semiconductora (en particular oxida). Después de la
absorción del fotón, la energía dentro de la nano partícula disminuye.
““PelPelíículas delgadas de NANOOXIDES para usos culas delgadas de NANOOXIDES para usos en degradacien degradacióón de compuestos orgn de compuestos orgáánicosnicos””
Fotocatálisis es el aceleración de reacciones con fotones, en este caso aplicado a la degradación de compuestos orgánicos. Los fotones son absorbidos dentro del semiconductor sin cambio químico.
ZnO - Nanoparticulas
Producción y caracterización de nanopartículas
• Processing of hybrid ceramic materials from nanoparticles of silica, titania and alumina for both bulk materials and coatings with the next characteristics:
• Different thickness, different concentrations of metallic particles, different concentrations of organic dyes, different concentrations of polymers for decreasing the porosity of the ceramic network.
• These materials are being used:• For aesthetic or anticorrosive applications.• As photocatalysts for destroying organic dyes in wastewater streams.• As catalysts for obtaining hydrogen from methane. • As catalysts for obtaining carbon nanotubes from methane.• As electroctalaysts for fuel cells.
Cinvestav Queretaro: PERSONAL ACADÉMICO
21 Investigadores Adscritos al Sistema Nacional de Investigación
8
12
10
2
4
6
8
10
12
S.N.I. III S.N.I. II S.N.I. I
C1
2009
Cinvestav Queretaro Lineas de Investigación
www.qro.cinvestav.mx
Estructura, Propiedades, Procesamiento y Desempeño de Materiales.
Ciencia Aplicada de Superficies, Interfaces y Películas Delgadas.Materiales Multifuncionales (cerámicos, vitro- cerámicos.)Recubrimientos duros, piezo-, piro- y ferro eléctricos.Procesamiento de Materiales.Energías Alternativas y Medio Ambiente.
Medio AmbienteCeldas Solares y Óxidos Conductores TransparentesCeldas de CombustibleSistemas Híbridos y Convertidores Solares de Alta EficienciaEnergías Sustentables y Materiales No Convencionales
Simulación.Polímeros y Bio- polímeros.Materiales Bio- orgánicos.Ciencia y Tecnología del Maíz y la Tortilla.Materiales Biodegradables.
Artículos publicados en revistas indizadas
2004 2005 2006 2007 20080
10
20
30
40
50
60
70
NO
. AR
TIC
ULO
S
AÑO
NO. ARTICULOS
Proyectos Conacyt, FOMIX, sectoriales, CONCyTEQ otros
Importe total $ 28,576,655
2004 2005 2006 2007 20080
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4000000
6000000
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10000000
12000000 IMPORTE NO. PROYECTOS
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(Pes
os)
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Proyectos y servicios con la industria
2004 2005 2006 2007 2008
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A Ñ O
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10000000
IMPO
RTE (PESO
S)
Importe total $ 28,576,655
Total GraduadosMaestría/Convenio: 54
Doctorado: 37Estudiantes graduados
2004 2005 2006 2007 2008
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PROGRAMA MAESTRIA PROGRAMA DOCTORADO CONVENIO HITACHI , MABE Y GE
AÑO
PRO
GR
AMA
MAE
STR
IA Y
CO
NVE
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3
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5
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9
10
PR
OG
RA
MA
DO
CTO
RA
DO
Estancias posdoctorales, Investigación y Sabáticas periodo 2006/2008
Total estancias: 28Total estancias: 28
ESTANCIAS POSDOCTORALES
ESTANCIAS DE INVESTIGACIÓN
ESTANCIAS SABATICAS
10 15 4
Investigadores Procedentes de:
Cuba, Colombia, Uzbekistan, Alemania, Francia, USA, Chile y México
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Procesamiento
Libramiento Norponiente 2000, Real de Juriquilla CP76230. Ph: 52 442 2119900
Nanotecnología Computacional - Algunos proyectos sobre aplicaciones
Magnetismo a dimensionalidad baja (Nanomagnetismo)Adsorción molecular de Cl2, H2 and O2 en diferentes superficies, tales como metálicas y semiconductoras (Catálisis)Nano ingeniería difusión molecular dirigida y crecimiento superficial selectivo.Usos de nanoalambres, nanotubos, nanopuntos, nanocylindros, etc. Nuevos nanoalambres magneticos en base de Fe. Transporte electrónico molecularDesarrollo de Software en GNU (DFT y TDDFT).