proprietà elettriche di campioni pe/mwnt
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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI SALERNO FACOLTA’ DI SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI TESI DI LAUREA IN FISICA PROPRIETÀ FISICHE ED APPLICAZIONI DEI NANOTUBI DI CARBONIO Relatore: Dott. A. Di Bartolomeo Correlatore: Dott.ssa A. Nigro Candidato: Davide Mancusi RICERCA E SVILUPPO DI MATERIALI E PROCESSI NANOTECNOLOGICI Nanotecnologie: complesso di tecniche e discipline scientifiche atte a studiare, progettare, fabbricare e caratterizzare dispositivi con dimensioni inferiori al micrometro. Applicazioni: realizzazione di dispositivi elettronici, ottici, meccanici ed elettromeccanici per le applicazioni tecnologiche e nel campo della medicina. 18/12/2007 NANOTUBI DI CARBONIO Atomo di carbonio Nanotubi di carbonio a parete multipla (Multi – Walled Carbon NanoTube) Nanotubo di carbonio a parete singola (Single – Walled Carbon NanoTube) 18/12/2007 NANOTUBI DI CARBONIO PROPRIETA’ CNT CONFRONTO Dimensioni 0.6 – 2 nm (SWNT) 0.6 – 100 nm (MWNT) Conduttori di Si: almeno 50 nm Conduttività elettrica Emissione di campo Conduttività termica Densità Semiconduttori o metalli 109 A/cm2 Conduttore di Rame 106 A/cm2 1-3 KV/ m da singolo CNT Punta di Molibdeno 50 – 100 KV/ m 6000 W/m·K Diamante 3320 W/m·K 1.4 g/cm3 Alluminio: 2.7 g/cm3 ~ 75 GPa (SWNT) ~ 150 GPa (MWNT) Acciaio : 2 GPa con densità da 3 a 6 volte maggiore 1054 GPa (SWNT) 1200 GPa (MWNT) Acciaio : 208 GPa 1500 $/g Oro 10 $/g Resistenza a trazione Modo di elasticità Costi 18/12/2007 NANOTUBI DI CARBONIO Struttura e proprietà elettroniche Processi di fabbricazione Applicazioni Risultati sperimentali n n n 18/12/2007 R(T) su film di MWNT Conduttività di materiali compositi (PE/MWNT) Emissione di campo da MWNT allineati APPLICAZIONI DEI CNT Display a emissione da CNT Diodi Lampade a CNT CNT FET Tubo a RX miniaturizzato 18/12/2007 STRUTTURA E PROPRIETÀ DEI CNT FORME ALLOTROPICHE DEL CARBONIO (Z=6) (CONFIGURAZIONE ELETTRONICA ESTERNA 2s2 2p2) DIAMANTE Orbitale ibrido sp3 18/12/2007 STRUTTURA E PROPRIETÀ DEI CNT FORME ALLOTROPICHE DEL CARBONIO (Z=6) (CONFIGURAZIONE ELETTRONICA ESTERNA 2s22p2) GRAFITE x y z 120° Orbitale ibrido sp2 legami 18/12/2007 Legami nel piano, e forze di Van der Waals tra i piani STRUTTURA E PROPRIETÀ DEI CNT FORME ALLOTROPICHE DEL CARBONIO (Z=6) (CONFIGURAZIONE ELETTRONICA ESTERNA 2s22p2) NANOTUBO DI CARBONIO p sp2 p sp2 sp2 Orbitale ibrido sp2 deformato 18/12/2007 STRUTTURA E PROPRIETÀ DEI CNT Vettore chirale C = n a1+ m a2 Zig–zag (n, n) C D= C π = a n 2 + nm + m 2 Diametro dei tubi π Armchair (n,0) 18/12/2007 PROPRIETÀ ELETTRONICHE GRAFENE E Banda di conduzione Ky a = 0.246 nm Banda di valenza Kx Struttura a bande del grafene 18/12/2007 PROPRIETÀ ELETTRONICHE GRAFENE E Ky 18/12/2007 Kx PROPRIETÀ ELETTRONICHE CNT METALLICI E Linee di quantizzazione Ky Kx Condizione di metallicità n – m = 3q q intero 18/12/2007 PROPRIETÀ ELETTRONICHE CNT SEMICONDUTTORI E D = 1.4 nm Energia di gap ~ 1 eV Ky Kx ∆E gap 2a0 = D h = 2.9 eV, a0 = 2 m e e 18/12/2007 PROPRIETÀ ELETTRONICHE k k = 2 2 = D 3a C Armchair Zig-zag Chirale a = 0.246 nm 18/12/2007 ky kx PROPRIETÀ ELETTRONICHE SWNT Armchair metallici Zig-zag e chirali (n,m) metallici se n - m = 3q , q intero MWNT (D>> ) prevalentemente metallici e semimetallici. In opportune condizioni la conduzione nei CNT può essere di tipo balistico. balistico 18/12/2007 ATTIVITÀ SPERIMENTALI R(T) di film di MWNT Conduttività elettrica di campioni PE/MWNT Emissione di campo da MWNT allineati 18/12/2007 PROPRIETÀ ELETTRICHE DI MWNT BUCKY PAPER PREPARAZIONE DEI CAMPIONI MWNT non purificati Trattamento con ultrasuoni Soluzione acquosa di un agente tensioattivo 18/12/2007 Centrifuga Filtraggio Agglomerato con MWNT PROPRIETÀ ELETTRICHE DI MWNT BUCKY PAPER ~1.2 cm D ~ 15 nm ~ 0.4 cm D = 5 - 8 nm MWNT bucky paper MWNT 18/12/2007 PROPRIETÀ ELETTRICHE DI MWNT BUCKY PAPER APPARATO DI MISURA Source HI A Sense HI VM V I Sense LO SMU Keithley 4200 Termistore PT100 Pasta d’argento 18/12/2007 Source LO SMU Keithley 4200 PROPRIETÀ ELETTRICHE DI MWNT BUCKY PAPER RESISTENZA vs TEMPERATURA 18/12/2007 PROPRIETÀ ELETTRICHE DI MWNT BUCKY PAPER CARATTERISTICA I-V 18/12/2007 PROPRIETÀ ELETTRICHE DI MWNT BUCKY PAPER RESISTENZA vs TEMPERATURA 18/12/2007 PROPRIETÀ ELETTRICHE DI MWNT BUCKY PAPER STIMA DEL COEFFICIENTE DI TEMPERATURA DELLA RESISTENZA (Temperature Coefficient Resistance) R (T) = R (T0) [1 + (T-T0)] coefficiente di temperatura 1,10 Fit lineare R(T0) 160 [ 35 – 70 °C] 18/12/2007 R = A + m (T-T0) T0 R (T0) R(To) PROPRIETÀ ELETTRICHE DI MWNT BUCKY PAPER FUNG ET AL. (Nanotechnology, 15, S672–S677 (2004)) IL NOSTRO DISPOSITIVO TCR ~ -0.054 -0.065 °% C-1 1,025 TCR ~ -0.05 -0.07 % °C-1 40 75 70 18/12/2007 ATTIVITÀ SPERIMENTALI R(T) di film di MWNT Conduttività elettrica di campioni PE/MWNT Emissione di campo da MWNT 18/12/2007 PROPRIETÀ ELETTRICHE DI CAMPIONI PE/MWNT DISPERSIONE DEI MWNT BALL MILLING AD ALTA ENERGIA (HIGH ENERGY BALL MILLING) Polveri di MWNT e polietilene Velocità: 580 rpm 18/12/2007 PROPRIETÀ ELETTRICHE DI CAMPIONI PE/MWNT MWNT 0-10 % wt (250 ±50) m Forgiatura a 200 °C e raffreddamento rapido a 0 °C 20 mm Miscela di LLDPE E MWNT 0.2 mm 5 mm Striscette di MWNT/Polietilene 18/12/2007 PROPRIETÀ ELETTRICHE DI CAMPIONI PE/MWNT APPARATO DI MISURA A Camera schermata V SMU Keithley 4200 Ag evaporato 18/12/2007 Misure di resistenza Conduttività PROPRIETÀ ELETTRICHE DI CAMPIONI PE/MWNT RESISTENZA vs FRAZIONE IN PESO DI DI MWNT 10 Soglia di percolazione ~3 % wt 10 18/12/2007 ATTIVITÀ SPERIMENTALI R(T) di film di MWNT Conduttività elettrica di campioni PE/MWNT Emissione di campo da MWNT allineati 18/12/2007 EMISSIONE DI CAMPO DA MWNT PARZIALMENTE ALLINEATI EMISSIONE DI CAMPO Es Energia dell’elettrone libero Energia (eV) Energia di FERMI φ I=S a eVuoto φ e Modello di Fowler-Nordheim Distanza (Å) 18/12/2007 Es 2 3 φ2 −b Es EMISSIONE DI CAMPO DA MWNT PARZIALMENTE ALLINEATI EMISSIONE DI CAMPO ES~ 50 – 100 KV/ m 18/12/2007 D = 0.6 – 2 nm D = 15 – 20 nm SWNT MWNT ES~ 1-3 KV/ m EMISSIONE DI CAMPO DA MWNT PARZIALMENTE ALLINEATI APPARATO DI MISURA DELLA FE T = 25 °C, HUV Punta AFM ~1 nm Pasta d’argento Supporto metallico 18/12/2007 EMISSIONE DI CAMPO DA MWNT PARZIALMENTE ALLINEATI D ~ 15 - 25 nm D = 5 -10 nm 1 m 30 nm 18/12/2007 5 nm FILM DI MWNT PARZIALMENTE ALLINEATI MWNT EMISSIONE DI CAMPO DA MWNT PARZIALMENTE ALLINEATI GRAFICO FOWLER - NORDHEIM I = S a E s2 φ e 3 φ2 −b Es -20 V 1 ES = γ d k 0,020 aS γ d1 1 + bφ ln 2 = ln 2 γ V V φd 2 18/12/2007 3 2 GRAFICO FN EMISSIONE DI CAMPO DA MWNT PARZIALMENTE ALLINEATI STABILITA’ 18/12/2007 APPLICAZIONI Display e lampade ad emissione di campo Tubi a raggi X per la radiodiagnostica e radioterapia Nanoelettronica: diodi e CNTFET 18/12/2007 DISPOSITIVI AD EMISSIONE DI CAMPO DA CNT CNT SPAZIATORE CONFIGURAZIONE A TRIODO ANODO FOSFORO GATE CATODO VUOTO e- + HV ANODO DISPLAY A EMISSIONE DA CNT (CNT Field Emission Display) CATODO V FOSFORO PELLICOLA DI Al ANODO CNT CATODO LAMPADE A EMISSIONE DA CNT 18/12/2007 DISPOSITIVI A EMISSIONE DI CAMPO PER LA MEDICINA TUBO A RAGGI X PER LA RADIODIAGNOSTICA 18/12/2007 DISPOSITIVI A EMISSIONE DI CAMPO PER LA MEDICINA TUBO A RAGGI X MINIATURIZZATO PER LA RADIOTERAPIA 18/12/2007 NANOELETTRONICA DIODO A CNT CONTATTI VG1 18/12/2007 CNT VG2 NANOELETTRONICA CNT FET METALLO OSSIDO GATE CNT Ossido termico Silicio p+ 18/12/2007 SENSORE DI TEMPERATURA A CNT di FUNG ET AL. Sistemazione dei MWNT con l’elettroforesi Deposizione parylene C TCR ~ -0.05 -0.07 % °C-1 Deposizione Au Deposizione Cr Deposizione del parylene C Strato provvisorio Ossidazione SiO2 Si 18/12/2007 Sweep 1 Sweep 2 Sweep 3 DEPOSIZIONE CHIMICA DA VAPORE CATALITICA AD ALCOOL (produzione in larga scala di MWNT) Etanolo allo stato di vapore Pompa rotativa Tubo per termocoppia Manometro Fuga Vacuometro 60 min 25600 °C °C Particelle catalitiche di Fe e Co su substrato di zeolite 18/12/2007 HeHe Tubo di quarzo (reattore) Tubo riscaldante EMISSIONE DI CAMPO Es Energia dell’elettrone libero Energia (eV) Energia di FERMI φ I=S a e- Vuoto φ e Modello di Fowler-Nordheim Distanza (Å) 18/12/2007 Es 2 3 φ2 −b Es EMISSIONE DI CAMPO DA MWNT PARZIALMENTE ALLINEATI APPARATO DI MISURA DELLA FE T = 25 °C, HUV Punta AFM ~1 nm Pasta d’argento Supporto metallico 18/12/2007 CVD TERMICA Avvolgimento riscaldante (700 °C) Ni NH3 18/12/2007 EMISSIONE DI CAMPO DA MWNT PARZIALMENTE ALLINEATI CARATTERISTICA I-V 18/12/2007
