Parte 3 - Dipartimento di Fisica

CdL Scienza dei Materiali - Fisica delle Nanotecnologie - a.a. 2002/3
Appunti & trasparenze - Parte 3
Versione 1, Ottobre 2002
Francesco Fuso, tel 0502214305, 0502214293 - [email protected]
http://www.df.unipi.it/~fuso/dida
2. Nanotubi di carbonio e loro preparazione; esempi di
elettronica intramolecolare e SAMs.
21/10/2002 - 8.30+2 ch10
22/10/2002 - 8.30+2 ch10
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 1
Nanotubi di carbonio (CNT)*
Anni 80: osservazione di molecole di fullerene (C60, …)
Inizio anni 90: produzione in laboratorio di fullerene (Nobel 96)
Fine anni 90: produzione di nanotubi di carbonio con forti
motivazioni tecnologiche
Nanotubi: fogli di carbonio in struttura esagonale
ripiegati a formare cilindri cavi
Single Wall NT
Multiple Wall NT
* Materiale sui CNT tratto da un seminario di Andrea Ferrari,
EDM - Cambridge University (lug. 2002)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 2
Classificazione SWCNT
Strutture 1D con legami sp2
Cella unitaria descritta da:
– chiral vector
Ch = na1 + ma2  (n, m)  n,m  Z
a1
T
– translation vector
Ch
a2
T = t1a1 + t2a2  t1, t2  Z
Zigzag (n, 0) tube
Ch // a1 (or a2)
a1
Armchair (n, n) tube
a2
[Chiral (n, m) tube]
Proprietà geometriche CNT
completamente determinate da
vettore chirale e di traslazione
(cioè da numeri (n, m))
Diametro NT: dNT (m2 +n2 +nm)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 3
Proprietà elettroniche
E
BV
Proprietà
elettroniche NT
determinate da
struttura
EFermi
BC
Metallic CNT
Armchair (n,n)
Semimetallic CNT Semiconducting CNT
m-n=3·i
m-n3·i
Altre proprietà fisiche di grande rilievo
•
•
Tuneable band gap (2 10-3-1.1eV)
– Eg~1/dNT also affected by:
chemical doping (B, N, O, Li, K…)
point defects (pentagons, heptagons)
•
Mechanical properties
– High elastic modulus (up to 1TPa)
– Tensile strength (45GPa)
Thermal properties
– High thermal conductivity (~6600 W/m K)
– High thermal stability
Large surface area
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Fabbricazione di CNT
CNT richiedono processo di fabbricazione “violento” (alte T, P, quantità di materiale)
Metodi di deposizione più comuni:
• Laser Ablation (spesso “alla Smalley”) --> SWCNT con diametro controllato
• Scarica ad arco (come fullereni) --> grandi quantità, scarso controllo
• PE-CVD da CxHx --> grande efficienza soprattutto per MWCNT
•
•
Up to 900°C heated stage
C2H2/NH3 up to 200sccm
See Puretzky, Geohegan,…
Appl. Phys. A 70 153 (2000)
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Catalisi e fabbricazione di nanoparticles
•
•
•
•
During annealing/etching the metal
layer dewets the substrate forming
droplets
Carbon dissolves into the catalyst
material and forms a solid solution
After saturation, carbon precipitates
starting the NT growth
The metal droplet is lifted at the
growing edge
•
•
Step 1: At 700°C (growth
temp), Ni film sinters into
catalyst nanoparticles.
Step 2: PECVD - C
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Influenza catalizzatore (diametro Ni nanoparticles)
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TEM image di MWCNT (15-30 walls)
MCWNT-based MOS-FET
50nm
500nm
Litografia nanoparticles --> strutture di CNT
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Alcune applicazioni
“alternative”
possibili per CNT
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Hydrogen and ion (Li) storage units
Supercapacitors, fuel cells, batteries
Gas sensors
FE devices (field emitters)
Advanced scanning probes (SEM)
Superstrong and tough composites
(nanocomposites)
Templates for metal nanowires
Actuators (NanoElectroMechanical
Systems - NEMS)
...
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Esempi di elettronica intramolecolare
See Joachim, Gimzweski, Aviram,
Nature 408 541 (2000)
Alcuni vantaggi:
• economicità e semplicità di sintesi
su larga scala
• miniaturizzazione “automatica” a
livello nm o sub-nm
• possibilità di autoassemblaggio e
replicazione (tecniche bottoms-up)
Alcuni svantaggi:
• controllo, ripetibilità dei processi, …
• integrazione con mondo inorganico
e con relative tecnologie
• stabilità chimica, durata, proprietà
meccaniche, …
•difficoltà di controllare la singola
molecola
Enorme varietà di sistemi
possibili con diverse funzionalità
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Cavi molecolari (“di Tour”)
See Tour et al.,
Acc. Chem. Res. 33 791 (2000);
J. Am. Chem. Soc. 120 8486 (1998)
Materiale tratto dal seminario di
Oliviero Andreussi, Feb. 2002
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Elementi di base di dispositivi intramolecolari
Diodo
Tunneling intramolecolare controlla la
corrente fra due elettrodi creando un
elemento rettificante
Rotaxane
switch
Switching meccanico “assistito” da
controllo esterno (luce, pH, …)
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Esempi di dispositivi complessi e innovativi
Rectifier
RTD
Redox-based
single-electron process
Singole cariche sono generalmente
coinvolte nei processi intramol.
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Self-Assembling Monolayers (SAM)
(Semplice) esempio delle capacità auto-organizzative dei materiali organici
Alkanethiols
on Au
forze di Van der Waals
determinano autoorganizz.
(energia ~10 kcal/mol)
gruppo S
attaccato ad Au
(energia ~30 kcal/mol)
Processo semplice, veloce,
economico per produrre monostrati
(uso come resist)
uso come “base” per nanodispositivi
Da G. Timp, Nanotechnology
(Springer-Verlag, 1999)
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Tunneling attraverso SAM
See Andres et al.,
JVSTA 14 1180 (1996);
Science 272 1323 (1996)
XYL: p-xylene-a,a’
STM meas.
Effetti di Coulomb blockade
e singolo elettrone a temp. amb.
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Micro- (e nano-) imprinting
 Con litografia su silicio viene creato un
master;
 Il master si usa per produrre stampo
polimerico;
 Lo stampo viene usato come un timbro per
depositare localmente (a contatto) un
monostrato;
 Il monostrato viene usato come resist;
 Il resist viene sviluppato e il substrato
patternato.
Litografia estremamente economica
(adattabile a dimensioni ~ 100 nm)
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2. Effetto tunnel e tunnel risonante (RTD);
superconduttori, giunzioni SIS e NIS, effetto
Josephson e SQUID
21/10/2002 - 8.30+2 ch10
22/10/2002 - 8.30+2 ch10
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Effetto tunnel
Riassunto dei
risultati per sistemi quantistici
(particella e potenziale)
Da Eisberg Resnick, Quantum Physics
Wiley (1985)
Effetto tunnel
Resonant Tunneling
subband
RT Diodes: elementi per alta velocità
(100 GHz) e bassa dissipazione
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Tunneling in superconduttori
Da Grosso and Pastori P.,
Solid State Physics
(Academic Press, 2000)
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Da G. Timp, Nanotechnology
(Springer-Verlag, 1999)
Giunzione SIS
Dispositivi basati su superconduttori:
bassa impedenza -> alta velocità
basso voltaggio (2D0/e) -> basso consumo
(ma operazione a bassa T!!)
Esempio: RSFQL devices
(Rapid Single Flux Quantum Logic)
Prestazioni previste: 100 GHz, PetaFlops
Limite alla miniaturizzazione: lungh. pen.
(<100 nm per LTS, ~300 nm per HTS!!)
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Effetto Josephson e SQUID
Da Grosso and Pastori P.,
Solid State Physics
(Academic Press, 2000)
Array of linear SQUIDS
(Al/Al2O3/Al)
Watanabe et al., PRL 86 5123 (2001)
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