proprietà elettriche di campioni pe/mwnt

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 
d1
 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