Bolsa de PD em Física da Matéria Condensada

Post-doctoral Fellowship in Condensed Matter Physics

• Resumo Summary

  Este projeto é conduzido pelo Grupo de Propriedades Ópticas e Magnéticas dos Sólidos (GPOMS) lotado no Instituto de Física Gleb Watahin da Universidade de Campinas (IFGW-Unicamp). Parte do Projeto Temático #2017/10581-1 (pesquisador principal: Pascoal G. Pagliuso), seu objetivo é fabricar nanomaterias e nanostructuras mediante métodos de sínteses química (do tipo bottom-up) e métodos físicos de Laser Ablation (top-down). As nanopartículas (NPs) e nanoestruturas serão estudadas por meio de técnicas de espectroscopia óptica, de micro-ondas, de rádio frequências e magnetometria, entre outras. O bolsista trabalhará na fabricação e caracterização de NPs de metais nobres e intermetálicos (Au, Ag, Cu, Pt, etc.), e de NPs isolantes do tipo NaY_1-xM_xF₄ dopadas com terras-raras 4fⁿ (M: Gd, Er, Yb, Dy, Eu, etc.).

  Introdução e Justificativa

  Os efeitos do campo cristalino na estrutura eletrônica das terras-raras confinadas em materiais nanométricos são desconhecidos quase por completo, razão pela qual o estudo e a caracterização magnética das terras-raras diluídas nas nanopartículas, utilizando técnicas como EPR e Susceptibilidade Magnética, é um desafio totalmente inédito, tanto no âmbito nacional como internacional. Para tanto, esta proposta incorpora uma nova linha de pesquisa na fabricação de nanomaterias e nanoestruturas mediante métodos de sínteses química (do tipo bottom-up)^[1,2], assim como métodos físicos de ablação por laser (top-down)^[3] que serão estudadas por meio de técnicas de espectroscopia óptica, de micro-ondas, de radio frequências e magnetometría, entre outras.

  Upconversion (UC) é um dos fenômenos ópticos cujo estudo tem crescido enormemente durante os últimos anos devido às suas potenciais aplicações. Nos materiais que apresentam UC, a absorção sucessiva de dois ou mais fótons de baixa energia da luz incidente estimulam a emissão de fótons de maior energia. Por exemplo, a luz infravermelha pode estimular a emissão da luz dentro do espectro visível. A maior eficiência do fenômeno observada até o momento é obtida em fluoretos ABF₄ (A: Na⁺¹, Li⁺¹, K⁺¹, etc., B: Y⁺³, Gd⁺³, La⁺³, etc.), na fase hexagonal P6m/3 dopados com terras-raras do tipo 4f^n [4] Esta propriedade UC levada às NPs devidamente preparadas é, na atualidade, estudada com muito interesse devido, entre outras coisas, às suas aplicações no campo de células solares com o fim de aproveitar as componentes infravermelhas do espectro solar que não são absorvidas pelos semicondutores utilizados na fabricação da células fotovoltaicas^[5]. Tem sido reportado recentemente que a eficiência das células solares poderia ser incrementada de 30% até 44% mediante a incorporação de materiais de UC^[6]. Procura-se, neste casso, recobrimentos com uma alta eficiência de UC com espectros de absorção e emissão que complementem adequadamente as absorções da células fotovoltaicas tradicionais. 

  Objetivos

  Um primeiro objetivo é a preparação de NPs isolantes do tipo NaY_1-xM_xF₄ dopadas com terras-raras 4fⁿ (M = Nd, Gd, Dy, Er, Yb, Tm) as quais serão abordadas mediante síntese química por decomposição térmica em presença de modificadores superficiais para o controle do processo do nucleação e crescimento.

  Na sequência, o comportamento magnético de terras-raras diluídas em nanomateriais metálicos e intermetálicos será abordado mediante a aquisição de um novo equipamento para a fabricação do nanopartículas. Trata-se da técnica de ablação por laser (Laser Ablation, LA). Neste caso, a metodologia a implementar será a preparação de ligas metálicas dopadas na forma de amostras massivas mediante o uso de um Forno de Arco Voltaico a partir dos metais puros na proporção adequada. As amostras assim obtidas serão utilizadas para as medições das propriedades magnéticas dos dopantes em materiais massivos e também servirão como alvo para o processo LA. Mediante LA procuraremos obter o mesmo material porém na forma de NPs com tamanhos controlados e, num segundo momento, poder comparar sistematicamente as propriedades magnéticas dos materiais bulk e nanoparticulado.

  Plano de Trabalho/Cronograma

  1º semestre: Iniciação do bolsista na literatura relevante na pesquisa. Preparação de NPs metálicas não-dopadas por LA e caracterização da morfologia resultante. Análises da influência dos parâmetros do processo LA nas características das NPs. Optimização do processo de LA.

  2º semestre: Formação de ligas metálicas de Au dopadas com Er³⁺ pelo método de Forno de Arco Voltaico. Utilização das ligas preparadas para a formação de NPs pelo processo LA. Caracterização da composição, tamanhos, estrutura e morfologia das NPs.

  3º semestre: Caracterização magnética das NPs dopadas com Er³⁺ e dos materiais massivos pelas técnicas de magnetometria SQUID e ressonância de spin eletrônico (ESR). Apresentação dos principais resultados obtidos em conferência internacional e publicação dos mesmos em revistas internacionais com revisão de pares.

  4º semestre: Análises dos resultados obtidos e discussão dos mecanismos físicos que podem ter lugar nos sistemas nanoconfinados. Publicação de resultados. Redação do relatório científico das atividades realizadas.

  Materiais e Métodos

  As NPs serão obtidas a partir de ligas metálicas produzidas por Forno de Arco Voltaico e por LA. A caracterização dos tamanhos, morfologia e composição será dada por Dynamic Light Scattering (DLS), microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e de varredura (SEM) no LNNano-CNPEM, e microscopia de força atômica (AFM). A composição das amostras será estudada por Fluorescência de Raios-X por Reflexão Total (TXRF). Os subprodutos das sínteses químicas de NPs e a funcionalização serão estudados por espectroscopia infravermelha (FTIR). A estrutura cristalina será feita por difração de Raios-X (DRX). As propriedades magnéticas de NPs serão analisadas por técnicas de magnetometria SQUID e ressonância de spin eletrônico (ESR). 

  Análise dos resultados

  A principal metodologia para a análise dos resultados será a comparação das propriedades magnéticas das ligas na forma massiva e na forma de NPs. As características estruturais serão analisadas por DRX e submetidas a refinamentos do tipo Rietveld para a determinação dos parâmetros de rede. A polidispersão de tamanhos de NPs será tida em conta assim como a composição efetiva das mesmas.

  Sobre a bolsa

  A vaga está aberta a brasileiros e estrangeiros. O selecionado receberá Bolsa de Pós-Doutorado da FAPESP no valor de R$ 7.373,10 mensais e Reserva Técnica equivalente a 15% do valor anual da bolsa para atender a despesas imprevistas e diretamente relacionadas à atividade de pesquisa.

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  Referências

  ^[1] J.M. Vargas, W. Iwamoto, L.M. Holanda Jr, S.B. Oseroff, P.G. Pagliuso e C. Rettori. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 11, 2126-2131 (2011). G. G. Lesseux, W. Iwamoto, A. F. García-Flores, R. R. Urbano e C. Rettori. Journal of Applied Physics, 115, 17E128 (2014). http://dx.doi.org/10.1063/1.4867126.

  ^[2] A. F. García-Flores, J. S. Matias, D. J. Garcia, E. D. Martínez, P. S. Cornaglia, G. G. Lesseux, R. A. Ribeiro, R. R. Urbano e C. Rettori. Physical Review B, 96, 165430 (2017) http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.96.165430.

  ^[3] Vincenzo Amendola e Moreno Meneghetti. Physical Chemistry Chemical Physics, 15, 3027 (2013) http://dx.doi.org/10.1039/c2cp42895d.

  ^[4] J. F. Suyver, J. Grimm, M. K. van Veen, D. Biner, K.W. Krämer e H. U. Güdel, Journal of Luminescence, 117, 1 (2006); X. Ye, J. E. Collins, Y. Kang, J. Chen, D. T. N. Chen, A. G. Yodh e C. B. Murray, Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 107, 22430 (2010).

  ^[5] Y. Shang, S. Hao, C. Yang e G. Chen, Nanomaterials, 5, 1782–1809 (2015); X. Huang, S. Han, W. Huang e X. Liu, Chemical Society Reviews, 42, 173–201 (2013); A. C. Atre e J. A. Dionne, Journal of Applied Physics, 110, 034505 (2011).

  ^[6] B. Zhou, B. Shi, D. Jin e X. Liu, Nature Nanotechnology, 10, 924–936 (2015).

  Supervisor do projeto: Prof. Carlos Rettori
  Email: rettori@ifi.unicamp.br
  Tel: +55 (19) 3521 5501
  Endereço do GPOMS na internet: https://sites.ifi.unicamp.br/fenomenos-emergentes-sistemas-dimensoes-reduzidas 

  This project is conducted by the Optics and Magnetic Properties of Solids Research Group – GPOMS based in the University of Campinas’s Gleb Watahin Institute of Physics (IFGW-UNICAMP) in São Paulo State, Brazil. Part of the Thematic Project registered under grant number 2017 / 10581-1 (Principal Investigator: Pascoal G. Pagliuso), the project aims to prepare nanostructures and nanomaterials via chemical synthesis (bottom-up) ^{[1, 2]} as well as by the physical method of Laser Ablation or LA (top-down)^[3]. The nanoparticles (NPs) will be studied by optical, microwave, radio frequency spectroscopies and magnetometry, among other structural and electron microscopy techniques. The post-doctoral researcher will be dealing with preparation and characterization of metallic and intermetallic NPs (Au, Ag, Cu, Pt, etc.), and insulating rare-earths 4fⁿ doped NaY_1-xM_xF₄ NPs (with M: Gd, Er, Yb, Dy, Eu, etc.).

  Introduction and Justification

  The Crystal Electric Field (CEF) effects on diluted rare-earths in NPs are unexplored today, therefore, the study and characterization of their magnetic properties by means of ESR and Magnetic Susceptibility complemented by structural (XRD) and electron microscopy (TEM, SEM) techniques are extremely important.

  An example of materials of interest where CEF plays important role is the 4fⁿ rare-earth doped NaY_1-xM_xF₄ NPs, which display the upconversion (UC) phenomenon largely explored lately because of its application for solar cells to absorb the IR part of the visible spectrum^{[4, 5]}. Particularly, the most efficient materials for displaying UC are the 4fⁿ rare-earth doped ABF₄ (A: Na⁺¹, Li⁺¹, K⁺¹, etc., B: Y⁺³, Gd⁺³, La⁺³, etc.) in the hexagonal phase P6m/3^[6]. The UC is a non-linear phenomenon involving two or more absorbed photons that may lead to new devices with great potential for technological applications.

  Objectives

  Insulating NPs of NaY_1-xM_xF₄ doped with rare-earths 4fⁿ (M = Nd, Gd, Dy, Er, Yb, Tm) will be prepared by a chemical synthesis (thermal decomposition) in the presence of surface controllers in order to supervise the nucleation and NPs growth. Eventually, core/shell NPs may be also prepared, as much as nanocrystals in self-assemblies composites^[7]. Metallic and intermetallic NPs doped with rare-earths will be prepared by the Laser Ablation method where the doped metallic starting materials will be obtained by means of arc-melting furnace. The magnetic properties of the obtained NPs will be compared with their corresponding bulk magnetic properties. 

  Working Plan

  1st semester: Familiarization with the project related literature. Fabrication and structural characterization of the 4fⁿ doped NaYF₄ (bottom-up) and undoped metallic (top-down) NPs in order to optimize the current methodologies.

  2nd semester: Optical spectroscopy of the insulating NPs prepared by the chemical route. Preparation and structural characterization of Er-doped Au NPs by arc-melting and LA techniques.

  3rd semester: Magnetic characterization of the bulk and NPs materials by SQUID (magnetometer), and ESR. Perform experimental data analyses and interpretation. Disseminate the results through reports and presentations for meetings, national and international scientific events.

  4th semester: Disseminate the results through publications in international peer-reviewed scientific journals. Report the scientific activities.

  Methods

  The insulating and metallic NPs will be prepared by chemical (bottom-up) and physical (top-down) routes, respectively. The different characterizations will be carried out by Dynamic Light Scattering (DLS), transmission (TEM) and scanning (SEM) electron microscopies in Brazil’s National Nanotechnology Laboratory – LNNano (affiliated with the National Energy and Materials Research Center, CNPEM), atomic force (AFM), X-Ray diffraction (XRD), X-Ray Fluorescence by total reflection (TXRF), Infrared spectroscopy (FTIR), Electron Spin Resonance (ESR) and SQUID magnetometry.

  About the fellowship

  This opportunity is open to candidates of any nationalities. The selected candidate will receive a FAPESP’s Post-Doctoral fellowship in the amount of R$ 7,373.10 monthly and a research contingency fund, equivalent to 15% of the annual value of the fellowship which should be spent in items directly related to the research activity.

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  References

  ^[1] J.M. Vargas, W. Iwamoto, L.M. Holanda Jr, S.B. Oseroff, P.G. Pagliuso, and C. Rettori. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 11, 2126-2131 (2011). G. G. Lesseux, W. Iwamoto, A. F. García-Flores, R. R. Urbano, and C. Rettori. Journal of Applied Physics, 115, 17E128 (2014). http://dx.doi.org/10.1063/1.4867126.

  ^[2] A. F. García-Flores, J. S. Matias, D. J. Garcia, E. D. Martínez, P. S. Cornaglia, G. G. Lesseux, R. A. Ribeiro, R. R. Urbano, and C. Rettori. Physical Review B, 96, 165430 (2017) http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.96.165430.

  ^[3] Vincenzo Amendola and Moreno Meneghetti. Physical Chemistry Chemical Physics, 15, 3027 (2013) http://dx.doi.org/10.1039/c2cp42895d.

  ^[4] Y. Shang, S. Hao, C. Yang and G. Chen, Nanomaterials, 5, 1782–1809 (2015); X. Huang, S. Han, W. Huang and X. Liu, Chemical Society Reviews, 42, 173–201 (2013); A. C. Atre and J. A. Dionne, Journal of Applied Physics, 110, 034505 (2011).

  ^[5] B. Zhou, B. Shi, D. Jin and X. Liu, Nature Nanotechnology, 10, 924–936 (2015). 

  ^[6] J. F. Suyver, J. Grimm, M. K. van Veen, D. Biner, K.W. Krämer, and H. U. Güdel, Journal of Luminescence, 117, 1 (2006); X. Ye, J. E. Collins, Y. Kang, J. Chen, D. T. N. Chen, A. G. Yodh, and C. B. Murray, Proceedings of the National Academy of Sciences, USA, 107, 22430 (2010). 

  ^[7] J. Chen, X. Ye, S. J. Oh, J. M. Kikkawa, C. R. Kagan, C. B. Murray, ACS Nano, 7, 2, 1478-1486 (2013); A. Dong, J. Chen, P. M. Vora, J. M. Kikkawa, C. B. Murray, Nature, 466, 474–477 (2010). 

  Project supervisor: Prof. Carlos Rettori
  Email: rettori@ifi.unicamp.br
  Tel: +55 (19) 3521 5501
  GPOMS website: https://sites.ifi.unicamp.br/fenomenos-emergentes-sistemas-dimensoes-reduzidas/en/