Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 1 2.Nanotubi di carbonio e loro preparazione; esempi di elettronica intramolecolare e SAMs

Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 1

2. Nanotubi di carbonio e loro preparazione; esempi di elettronica intramolecolare e SAMs.

21/10/2002 - 8.30+2 ch1022/10/2002 - 8.30+2 ch10

CdL Scienza dei Materiali - Fisica delle Nanotecnologie - a.a. 2002/3

Appunti & trasparenze - Parte 3

Versione 1, Ottobre 2002Francesco Fuso, tel 0502214305, 0502214293 - [email protected]

http://www.df.unipi.it/~fuso/dida


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)


Cella unitaria descritta da:

– chiral vector

Ch = na1 + ma2 (n, m) n,m Z

– translation vector

T = t1a1 + t2a2 t1, t2 ZCh

Ta1

a2

Armchair (n, n) tube

[Chiral (n, m) tube]

Zigzag (n, 0) tube Ch // a1 (or a2)

a1

a2

Classificazione SWCNT

Proprietà geometriche CNT completamente determinate da vettore chirale e di traslazione

(cioè da numeri (n, m))

Strutture 1D con legami sp2

Diametro NT: dNT (m2 +n2 +nm)


BV

BC

Metallic CNT

Armchair (n,n)

E

Semimetallic CNT

m-n=3·iSemiconducting CNT

m-n3·i

EFermi

Proprietà elettroniche

Proprietà elettroniche NT determinate da

struttura

• 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

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)


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)


Catalisi e fabbricazione di nanoparticles

• Step 1: At 700°C (growth temp), Ni film sinters into catalyst nanoparticles.

• Step 2: PECVD - C2H2 is the growth gas for CNTs, NH3 is the etching gas for unwanted a-C.

Processo di crescita catalitico(Ni or Co nanoparticles)

necessità produzione 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


Influenza catalizzatore (diametro Ni nanoparticles)


50nm

TEM image di MWCNT (15-30 walls)

500nm

MCWNT-based MOS-FET

Litografia nanoparticles --> strutture di 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)• ...

Alcune applicazioni “alternative”

possibili per CNT


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

Esempi di elettronica intramolecolare

Enorme varietà di sistemi possibili con diverse funzionalità

See Joachim, Gimzweski, Aviram,Nature 408 541 (2000)


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


Elementi di base di dispositivi intramolecolari

Tunneling intramolecolare controlla la corrente fra due elettrodi creando un

elemento rettificante

Diodo

Rotaxane switch

Switching meccanico “assistito” da controllo esterno (luce, pH, …)


RTDRectifier

Redox-basedsingle-electron process

Esempi di dispositivi complessi e innovativi

Singole cariche sono generalmente coinvolte nei processi intramol.


Self-Assembling Monolayers (SAM)

(Semplice) esempio delle capacità auto-organizzative dei materiali organici

gruppo S attaccato ad Au

(energia ~30 kcal/mol)

forze di Van der Waalsdeterminano autoorganizz.

(energia ~10 kcal/mol)

Alkanethiols on Au

Processo semplice, veloce, economico per produrre monostrati

(uso come resist) uso come “base” per nanodispositivi

Da G. Timp, Nanotechnology(Springer-Verlag, 1999)


Tunneling attraverso SAMSee Andres et al., JVSTA 14 1180 (1996);Science 272 1323 (1996)

Effetti di Coulomb blockade e singolo elettrone a temp. amb.

STM meas.XYL: p-xylene-’


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)


2. Effetto tunnel e tunnel risonante (RTD); superconduttori, giunzioni SIS e NIS, effetto Josephson e SQUID

21/10/2002 - 8.30+2 ch1022/10/2002 - 8.30+2 ch10


Effetto tunnelRiassunto dei

risultati per sistemi quantistici(particella e potenziale)

Effetto tunnel

Da Eisberg Resnick, Quantum PhysicsWiley (1985)

Resonant Tunneling

RT Diodes: elementi per alta velocità (100 GHz) e bassa dissipazione

subband



Tunneling in superconduttori

Da Grosso and Pastori P.,Solid State Physics(Academic Press, 2000)


Giunzione SISDa G. Timp, Nanotechnology(Springer-Verlag, 1999)

Dispositivi basati su superconduttori:bassa impedenza -> alta velocità

basso voltaggio (2/e) -> basso consumo(ma operazione a bassa T!!)

Esempio: RSFQL devices(Rapid Single Flux Quantum Logic)

Prestazioni previste: 100 GHz, PetaFlopsLimite alla miniaturizzazione: lungh. pen.(<100 nm per LTS, ~300 nm per HTS!!)


Effetto Josephson e SQUID

Da Grosso and Pastori P.,Solid State Physics(Academic Press, 2000)

Watanabe et al., PRL 86 5123 (2001)

Array of linear SQUIDS(Al/Al2O3/Al)

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