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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. - PowerPoint PPT Presentation
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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
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 2
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. 3
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)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 4
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)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 5
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)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 6
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
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 7
Influenza catalizzatore (diametro Ni nanoparticles)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 8
50nm
TEM image di MWCNT (15-30 walls)
500nm
MCWNT-based MOS-FET
Litografia nanoparticles --> strutture di CNT
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 9
• 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
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 10
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)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 11
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
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 12
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, …)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 13
RTDRectifier
Redox-basedsingle-electron process
Esempi di dispositivi complessi e innovativi
Singole cariche sono generalmente coinvolte nei processi intramol.
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 14
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)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 15
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-’
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 16
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)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 17
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
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 18
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
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 19
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 20
Tunneling in superconduttori
Da Grosso and Pastori P.,Solid State Physics(Academic Press, 2000)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 21
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!!)
Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 22
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)