Orientador: Varlei Rodrigues

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin

Resumo: Clusters, i.e. nanopartículas formadas por alguns átomos ou até 107, atraem grande interesse devido 'as propriedades peculiares que apresentam, como momento magnético aumentado, atividade catalítica, fluorescência dependente de tamanho e estruturas geométricas diferenciadas em relação ao...

Resumo: Clusters, i.e. nanopartículas formadas por alguns átomos ou até 107, atraem grande interesse devido 'as propriedades peculiares que apresentam, como momento magnético aumentado, atividade catalítica, fluorescência dependente de tamanho e estruturas geométricas diferenciadas em relação ao material massivo. Isso acontece principalmente devido aos efeitos decorrentes da grande razão entre o número de átomos na superfície e o número de átomos no volume, e também por conta dos níveis discretos de energia devidos ao pequeno número de átomos presente nas estruturas. Entretanto, para que seja possível uma melhor compreensão dos mecanismos envolvidos em amostras compostas por clusters, 'e imprescindível que tenhamos um grande controle dos parâmetros cruciais como tamanho das partículas, concentração e energia de deposição. Para isso, desenvolvemos e construímos uma fonte para a produção de agregados com um número controlável de átomos, com a intenção de produzir partículas com 2 até 100 átomos. Um feixe de partículas 'e produzido, caracterizado e depositado em condições de ultra alto vácuo (UHV), utilizando-se uma fonte de clusters com magnéton sputtering. A fonte 'e baseada na proposta por Haberland et al. (1) com a inovadora introdução de um sputtering com geometria cilíndrica, com a intenção de aumentar a eficiência na criação de partículas bem como facilitar a produção de agregados de ligas. Uma fonte de clusters geralmente é constituída essencialmente de: uma fonte de átomos e uma câmara de agregação, para gerar as partículas; um sistema de lentes eletrostáticas, para guiar e focalizar o feixe; e um analisador de massa, podendo esse selecionar, ou não, as partículas em massa. Para fonte de átomos desenvolvemos dois magnéton sputterings, um magnéton circular plano típico de 1" e um magnéton cilíndrico para a erosão axial de fios metálicos. A câmara de agregação tem um comprimento variável (0-300 mm), para que possamos controlar o tamanho médio dos nano-agregados. Um skimmer, três lentes Einzel e uma Bessel-Box são utilizadas para guiar e focalizar o feixe de partículas ao longo do instrumento. Como analisador de massa, construímos um espectrômetro de massa por tempo de voo. É importante frisar que optamos por desenvolver a maioria dos componentes na própria Unicamp, estes componentes serão descritos no corpo dessa tese. O equipamento que se encontra operacional, já se mostrou capaz de produzir partículas com mais de 500 átomos, superando assim nossas expectativas iniciais. Apresentamos também a caracterização magnética de nanoestruturas granulares com nano-agregados de cobalto com 2,3 nm de diâmetro embebidos em matrizes de cobre com diferentes concentrações. A comparação dos resultados utilizando-se o triple fit e medidas de transporte mostra que apenas para baixa concentração (0,5 at.% Co) todos os experimentos são consistentes com a suposição de que as partículas são não-interagentes e a descrição teórica comumente utilizada é apropriada. Aumentando-se a concentração para 2,5 at.% e 5 at.% implica em desvios entre magnetometria e magneto-transporte

Abstract: Clusters, i.e. nano-particles formed by a few tens or up to 107 atoms, attract great interest due to their peculiar properties as enhanced magnetic moment and catalytic activity, size-specific fluorescence and non-bulky geometrical structures. This happens mainly due to effects arising...

Abstract: Clusters, i.e. nano-particles formed by a few tens or up to 107 atoms, attract great interest due to their peculiar properties as enhanced magnetic moment and catalytic activity, size-specific fluorescence and non-bulky geometrical structures. This happens mainly due to effects arising from their high surface-to-bulk ratio and because of the discrete energy levels due to the small amount of atoms at these structures. However, in order to get a deeper understanding of the mechanisms taking place in cluster-assembled samples, it is fundamental to have a good control of crucial parameters such as clusters size, composition, concentration and deposition energy. In this way, we have developed and constructed a source to produce clusters with a controllable number of atoms intended to produce particles ranging from 2 up to 100 atoms. A beam of cluster ions is produced, characterized and deposited under ultra high vacuum (UHV) conditions, using a magnetron sputtering cluster source. This source is based on the design of Haberland et al. (1) with the innovative introduction of a cylindrical sputtering geometry that intends to increase the particle generation efficiency also to facilitate the production of alloy clusters. A usual clusters source is constituted essentially of an atom source and aggregation chamber, to generate the particles; electrostatic lenses, to guide them; and a mass analyzer, which may, or not, select the particles by mass. For the atom source we have designed two sputtering-like sources, a home-made 1" typical planar magnetron and also a home-made cylindrical one, for axial erosion of wire targets. The aggregation chamber has a variable length ( 0-300 mm), so we can control the average size of the clusters. A skimmer, three Einzel lenses and a Bessel-Box are used to guide charged cluster through the instrument. As mass analyzer we have built Time-Of-Flight mass spectrometer. It is important to say that we choose to build almost all the components at Unicamp, these components will be described in the body of this thesis. The equipment, which is operational, showed itself capable to produce particles with more than 500 atoms, exceeding our initial expectations. We also report on magnetic characterization of clusterassembled nanostructures with cobalt clusters with 2.3 nm diameter embedded in copper matrices at different concentrations. Results from the triple fit and transport measurements were compared and showed that only at low concentration (0.5 at % Co) all experiments are consistent with the non-interacting particles assumption and the common theoretical description is appropriate. Increasing the concentration to 2.5 at.% and 5 at.% implies deviations between magnetometry and magnetotransport