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Nanotechnology: Principles and Practices by Sulabha K. Kulkarni eBook pdf lecture notes and ebook download
Pankaj Yadav

Nanotechnology: Principles and Practices by Sulabha K. Kulkarni eBook pdf lecture notes and ebook download

Pankaj Yadav | 29-Apr-2016 |
Introduction to Quantum Mechanics , Structure and Bonding , Synthesis of Nanomaterials (Physical Methods) , Synthesis of Nanomaterials (Chemical Methods) , Synthesis of Nanomaterials (Biological Methods) , Self Assembly , Analysis Techniques , Types of Nanomaterials and Their Properties , Nanolithography , Nanoelectronics , Some Special Nanomaterials , APPLICATIONS , Nanotechnology and Environment , Practicals ,

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Contents
1 Introduction to Quantum Mechanics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Matter Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Heisenberg’s Uncertainty Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 Schrödinger Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Electron Confinement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.1 Particle in a Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.2 Density of States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.3 Particle in a Coulomb Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.6 Tunnelling of a Particle Through Potential Barrier. . . . . . . . . . . . . . . . 27
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 Structure and Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Arrangement of Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3 Two Dimensional Crystal Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4 Three Dimensional Crystal Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5 Some Examples of Three Dimensional Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.1 Body Centred Cube (bcc). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.6 Planes in the Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.7 Crystallographic Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.8 Reciprocal Lattice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.9 Quasi Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.10 Liquid Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.11 Bonding in Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.11.1 Covalent Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.11.2 Ionic Bond. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.11.3 Metallic Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.11.4 Mixed Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.11.5 Secondary Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
xvii
xviii Contents
2.12 Electronic Structure of Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.12.1 Free Electron Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.12.2 Bloch’s Theorem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.12.3 Origin of Band Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3 Synthesis of Nanomaterials—I (Physical Methods). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Mechanical Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.1 High Energy Ball Milling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2.2 Melt Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3 Methods Based on Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.1 Physical Vapour Deposition with Consolidation . . . . . . . 61
3.3.2 Ionized Cluster Beam Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.3 Laser Vapourization (Ablation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.4 Laser Pyrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4 Sputter Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4.1 DC Sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4.2 RF Sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.4.3 Magnetron Sputtering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.4.4 ECR Plasma Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.5 Chemical Vapour Deposition (CVD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.6 Electric Arc Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.7 Ion Beam Techniques (Ion Implantation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.8 Molecular Beam Epitaxy (MBE). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4 Synthesis of Nanomaterials—II (Chemical Methods) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2 Colloids and Colloids in Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.1 Interactions of Colloids and Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.2.2 Colloids in Vacuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.3 Colloids in a Medium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.4 Effect of Charges on Colloids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.2.5 Stearic Repulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.2.6 Synthesis of Colloids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3 Nucleation and Growth of Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4 Synthesis of Metal Nanoparticles by Colloidal Route . . . . . . . . . . . . 91
4.5 Synthesis of Semiconductor Nanoparticles by Colloidal Route . . 92
4.6 Langmuir-Blodgett (LB) Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.7 Microemulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.8 Sol-Gel Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.9 Hydrothermal Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.10 Sonochemical Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Contents xix
4.11 Microwave Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.12 Synthesis Using Micro-reactor or Lab-On-Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5 Synthesis of Nanomaterials—III (Biological Methods). . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2 Synthesis Using Microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3 Synthesis Using Plant Extracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.4 Use of Proteins, Templates Like DNA, S-Layers etc. . . . . . . . . . . . . . 121
5.5 Synthesis of Nanoparticles Using DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6 Self Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.2 Mechanism of Self Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.3 Some Examples of Self Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.3.1 Self Assembly of Nanoparticles Using
Organic Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.3.2 Self Assembly in Biological Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.3.3 Self Assembly in Inorganic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7 Analysis Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.2 Microscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.2.1 Optical Microscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.2.2 Confocal Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
7.3 Electron Microscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.3.1 Scanning Electron Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.3.2 Transmission Electron Microscope (TEM) . . . . . . . . . . . . . 146
7.4 Scanning Probe Microscopes (SPM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7.4.1 Scanning Tunnelling Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.4.2 Atomic Force Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
7.4.3 Scanning Near-Field Optical Microscope (SNOM) . . . . 155
7.5 Diffraction Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.5.1 X-Ray Diffraction (XRD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
7.5.2 Atomic Scattering Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.5.3 Bragg’s Law of Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.5.4 Diffraction from Different Types of Samples . . . . . . . . . . 165
7.5.5 Crystal Structure Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.5.6 Diffraction from Nanoparticles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.5.7 X-ray Diffractometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.5.8 Dynamic Light Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
xx Contents
7.6 Spectroscopies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.6.1 Optical (Ultraviolet-Visible-Near Infra
Red) Absorption Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
7.6.2 UV-Vis-NIR Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.6.3 Infra Red Spectrometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
7.6.4 Dispersive Infra Red Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.6.5 Fourier Transform Infra Red Spectrometer . . . . . . . . . . . . . 179
7.6.6 Raman Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
7.6.7 Luminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7.6.8 X-Ray and Ultra Violet Photoelectron
Spectroscopies (XPS or ESCA and UPS) . . . . . . . . . . . . . . 186
7.6.9 Auger Electron Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.7 Magnetic Measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
7.7.1 Vibrating Sample Magnetometer (VSM) . . . . . . . . . . . . . . . 192
7.8 Mechanical Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
7.8.1 Some Common Terminologies Related
to Mechanical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8 Types of Nanomaterials and Their Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.2 Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.2.1 Types of Clusters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
8.3 Semiconductor Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
8.3.1 Excitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.3.2 Effective Mass Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.3.3 Optical Properties of Semiconductor Nanoparticles . . . 208
8.4 Plasmonic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
8.4.1 Localized Surface Plasmon Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
8.4.2 Surface Plasmon Polariton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.5 Nanomagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.5.1 Types of Magnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.6 Mechanical Properties of Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.7 Structural Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
8.8 Melting of Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9 Nanolithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
9.2 Lithography Using Photons (UV–VIS, Lasers and X-Rays). . . . . . 245
9.2.1 Lithography Using UV Light and Laser Beams . . . . . . . . 246
9.2.2 Use of X-rays in Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.3 Lithography Using Particle Beams. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.3.1 Electron Beam Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
9.3.2 Ion Beam Lithography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Contents xxi
9.3.3 Neutral Beam Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.3.4 Nano Sphere Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
9.4 Scanning Probe Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
9.4.1 Mechanical Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
9.4.2 Dip Pen Lithography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
9.4.3 Optical Scanning Probe Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.4.4 Thermo-Mechanical Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.4.5 Electrical Scanning Probe Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
9.5 Soft Lithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
9.5.1 Microcontact Printing (CP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
9.5.2 Replica Molding (REM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
9.5.3 Microtransfer Molding (TM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
9.5.4 Micromolding in Capillaries (MIMIC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
9.5.5 Solvent-Assisted Micromolding (SAMIM). . . . . . . . . . . . . 255
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10 Nanoelectronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
10.2 Coulomb Blockade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
10.3 Single Electron Transistor (SET). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
10.4 Spintronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
10.4.1 Giant Magneto Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
10.4.2 Spin Valve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
10.4.3 Magnetic Tunnel Junction (MTJ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
10.4.4 Spin Field Effect Transistor (SFET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
10.5 Nanophotonics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
11 Some Special Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
11.2 Carbon Nanomaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
11.2.1 Fullerenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
11.2.2 Carbon Nanotubes (CNTs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
11.2.3 Types of Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
11.2.4 Synthesis of Carbon Nanotubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
11.2.5 Growth Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
11.2.6 Graphene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
11.3 Porous Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.3.1 Porous Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
11.3.2 How to Make Silicon Porous?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
11.3.3 Mechanism of Pores Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
11.3.4 Properties of Porous Silicon Morphology . . . . . . . . . . . . . . 293
11.4 Aerogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
11.4.1 Types of Aerogels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
11.4.2 Properties of Aerogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
11.4.3 Applications of Aerogels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
xxii Contents
11.5 Zeolites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
11.5.1 Synthesis of Zeolites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
11.5.2 Properties of Zeolites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
11.6 Porosity Through Templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
11.6.1 Micelles as Templates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
11.6.2 Metal Organic Frameworks (MOF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
11.7 Core-Shell Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
11.7.1 Synthesis of Silica Cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
11.7.2 Core-Shell Assemblies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
11.7.3 Properties of Core-Shell Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
11.8 Metamaterials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
11.9 Bioinspired Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
11.9.1 Lotus Effect (Self Cleaning) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
11.9.2 Gecko Effect (Adhesive Materials) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
12 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.2 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.2.1 Dye Sensitized Photovoltaic Solar Cell
(Grätzel Cell). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
12.2.2 Organic (Polymer/Small Organic
Molecules) Photovoltaic Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
12.2.3 Fuel Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
12.2.4 Hydrogen Generation and Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
12.2.5 Hydrogen Storage (and Release) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
12.2.6 Hybrid Energy Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
12.3 Automobiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
12.4 Sports and Toys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
12.5 Textiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
12.6 Cosmetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
12.7 Medical Field. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
12.7.1 Imaging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
12.7.2 Drug Delivery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
12.7.3 Cancer Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
12.7.4 Tissue Repair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
12.8 Agriculture and Food . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
12.9 Domestic Appliances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
12.10 Space, Defense and Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
13 Nanotechnology and Environment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
13.2 Environmental Pollution and Role of Nanotechnology . . . . . . . . . . . 350
13.3 Effect of Nanotechnology on Human Health . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
Contents xxiii
14 Practicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
14.2 Synthesis of Gold/Silver Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
14.2.1 Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
14.2.2 Equipments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
14.2.3 Synthesis Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
14.2.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
14.3 Synthesis of CdS Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
14.3.1 Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
14.3.2 Equipments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
14.3.3 Synthesis Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
14.3.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
14.4 Synthesis of ZnO Nanoparticles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
14.4.1 Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
14.4.2 Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
14.4.3 Synthesis Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
14.4.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
14.5 Synthesis of TiO2 Nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
14.5.1 Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
14.5.2 Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
14.5.3 Synthesis Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
14.5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
14.6 Synthesis of Fe2O3 Nanoparticles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
14.6.1 Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
14.6.2 Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
14.6.3 Synthesis Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
14.6.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
14.7 Synthesis of Porous Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
14.7.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
14.7.2 Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
14.7.3 Experimental Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
14.7.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
14.8 Introductory Photolithography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
14.8.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
14.8.2 Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
14.8.3 Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
14.8.4 Experimental Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
14.9 Introductory Nano (Soft) Lithography Using PDMS . . . . . . . . . . . . . 372
14.9.1 Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
14.9.2 Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
14.9.3 Synthesis Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
14.9.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
14.9.5 Materials and Equipments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
14.9.6 Experimental Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
xxiv Contents
14.9.7 Experimental Set-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.9.8 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.10 Fabrication of Porous Alumina or Anodized Alumina
(AAO) Template . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.10.1 Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.10.2 Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
14.10.3 Fabrication Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
14.10.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Appendix I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Periodic Table Symbols of Elements and Their
Atomic Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Appendix II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
Electromagnetic Spectrum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
Appendix III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
List of Fundamental Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Appendix IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Vacuum Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Vacuum System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
Vacuum Pumps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
Rotary Vane Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
Diffusion Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
Sorption Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
Ion Pump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
Vacuum Gauges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
U-tube Manometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
McLeod Gauge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
Pirani Gauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
Thermocouple Gauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
Cold Cathode Gauge (Penning Gauge) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
Hot Cathode Ion Gauge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
Bayerd-Alpert (B-A) Gauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
Appendix V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
Properties of Some Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
Appendix VI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
Kronig Penney Model (1-D). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

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  • Nanotechnology - Principles & Practices 3rd ed 2015.pdf (Size: 11086.74KB) Dowland
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methaq alhubaishi
26-May-2016

methaq alhubaishi

thankyou

Sahil nayak
28-Feb-2017

Sahil nayak

Thank you so much

sai lalitha
09-Jul-2017

sai lalitha

are u fooling people the link isn't getting downloaded...