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-n3·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 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 4 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. 5 Catalisi e fabbricazione di nanoparticles 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 • • 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. Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 6 Influenza catalizzatore (diametro Ni nanoparticles) Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 7 TEM image di MWCNT (15-30 walls) MCWNT-based MOS-FET 50nm 500nm Litografia nanoparticles --> strutture di CNT Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 8 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) ... Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 9 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 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 10 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. 11 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, …) Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 12 Esempi di dispositivi complessi e innovativi Rectifier RTD Redox-based single-electron process Singole cariche sono generalmente coinvolte nei processi intramol. Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 13 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) Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 14 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. Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 15 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. 16 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 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 17 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 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 18 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 19 Tunneling in superconduttori Da Grosso and Pastori P., Solid State Physics (Academic Press, 2000) Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 20 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!!) Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 21 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) Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 22