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

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)

0 10 20 30 40 50 600

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Radius (microns)

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trate

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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

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600

0 500 1000 1500 2000 2500

Displacement (nm)

Loa

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N)

NEIM1

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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

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20

30

40

50

60

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NO

. AR

TIC

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AÑO

NO. ARTICULOS

Proyectos Conacyt, FOMIX, sectoriales, CONCyTEQ otros

Importe total $ 28,576,655

2004 2005 2006 2007 20080

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Proyectos y servicios con la industria

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IMPO

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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

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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).