LAUREA MAGISTRALE IN FISICA
CORSO DI LABORATORIO DI FISICA
AA 2013/2014
Proposta di esperienza di laboratorio
Caratterizzazione Rivelatori a
Nanotubi di Carbonio
Marco Cilmo e Carla Aramo (07-11-2013)
1
Esperimenti
GINT (Gruppo INFN per le NanoTecnologie)
SinPhoNIA (Single Photon Nanotechnology
Innovative Approach)
PARIDE (Pixel Array for Radiation Imaging
DEtector)
INFN & Università de
 L’Aquila
 Bari
 Napoli
 Perugia
 Roma 2
2
Un dominio che dura da oltre mezzo secolo:
Si e Ge
Dalla metà del 20° secolo in elettronica hanno dominato in sostanza due elementi, il Silicio e il
Germanio
Oggi stiamo assistendo ad una nuova rivoluzione, grazie all’impiego di nuovi materiali e la
possibilità di costruire dispositivi con caratteristiche nuove, superiori ed in alcuni casi a basso
costo di realizzazione.
La scoperta che il carbonio può formare strutture ordinate ed estremamente stabili oltre al
noto diamante e alla grafite , ha incentivato diversi ricercatori nel mondo a costruire nuovi
allotropi del carbonio
Tra questi nel 1991 Sumio Iijima ha scoperto i Nanotubi di Carbonio
3
Nanotubi di carbonio
Foglio di grafene (struttura “bidimensionale”)
arrotolato su se stesso a formare un cilindro.
Elevatissimo rapporto tra lunghezza e
diametro (104 – 105)
entità monodimensionali
(molecole con proprietà uniche!)
Ogni CNT è caratterizzato dal diametro e dal
suo "vettore chirale”
Ch = m â1 + n â2,
dove â1, â2 vettori dello spazio fisico reale che
individuano la cella unitaria del reticolo del
grafene. La coppia n,m  N (chiralità).
3 modelli fondamentali:
(a) Armchair m=n
(b) Zig-zag n=0
(c) Chiral m≠n
4
Tipi di nanotubi
SWNTs
MWNTs
A singolo foglio di grafene
CNT coassiali
(d ≈ 2 ÷ 100 nm)
(d ≈ 0.7 ÷ 3 nm)
|n-m|/3
N
Semiconduttore
N
Metallo
Definito solo dalla
geometria del SWNT
Comportamento molto piu’
complesso a causa delle
interazioni tra pareti
adiacenti
MA…
I CNT come rivelatori di
radiazione elettromagnetica
Density of States (states/1C–atom/eV)
4
(10,0)
(20,0)
Uno strato di MWCT può coprire un vasto range di
diametri e chiralità;
(30,0)
Gap di banda che arrivano fino a 3 eV
(40,0)
Una piccola area, un grandissimo numero di tubi sensibili
alla radiazione: ≈ 108 – 1010 MWNT / 1 mm2;
2
0
–2
0
Energy (eV)
2
Dispositivo sensibile ad un vasto range di lunghezze
d’onda.
up to
3 mm (0.4 eV)
6
Substrato e Sintesi dei MWNT (CVD)
500 μm
Au-Pt
Nichel
n-Silicon
Au-Pt
Si3N4
Au-Pt
La formazione dei CNT è strettamente legata alla presenza di
particelle metalliche di taglia nanometrica, avente la funzione di
promotori del processo di crescita (catalizzatore);
Forte dipendenza dai parametri termodinamici.
La tecnica della CVD (chemical vapour deposition – deposito
chimico in fase vapore).
L'idea di base di questa tecnica è quella di inviare una sorgente
gassosa di C2H2 in un reattore riscaldato.
Catalizzatore: Ni 30 Å
Temperatura: 500-700 °C
7
Confronto tra CNT cresciuti a 500 e 700 °C
Immagini SEM (Scanning Electron Microscope)
T=500°C
T=700°C
8
Caratteristiche dei CNT
• Diametro esterno: 15 – 25 nm
• Diametro interno: 5 – 10 nm
• Numero medio di CNT: 10 – 15
9
40 mm per cell
10
11
Example of micropads with microstrips for
signal readout
Micropad
Nanostrip
12
Etero-giunzione CNT-Si
Il processo di crescita dei CNT modifica
drasticamente il comportamento dell’intero
sistema
Il dispositivo diventa
fotosensibile solo
Il meccanismo di creazione della giunzione può essere
attribuito alla morfologia unidimensionale dei CNT
sulla superficie dove
sono cresciuti i CNT
(Creazione di canali di conduzione)
13
A. Tinti et al: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 629 (2011), 377-381
Plot I-V del campione C2 (500°) @ l=785 nm
Sample C2 - IV plot for various light intensities at l=785 nm
0.18
Temperatura ambiente
0.1 mW
0.2 mW
0.3 mW
0.4 mW
0.5 mW
0.6 mW
0.7 mW
0.8 mW
0.9 mW
1.0 mW
0.16
0.14
Current (mA)
0.12
0.10
0.08
No elettronica di front-end
No amplificazione segnale
Plateau lunghi e stabili
Linearità I vs P
Soglia a circa 3.55 V
0.06
Nessuna saturazione
osservata
0.04
Nessun cambiamento della
risposta dopo 2 anni
0.02
0.00
-10
0
10
20
Drain Voltage (V)
30
40
50
Risposta uniforme su tutta
la superficie di CNT
Breakdrown @ >100 V
14
A. Ambrosio, C. Aramo et al: “Innovative carbon nanotube-silicon large area photodetector”, 2012 JINST 7 P08013
Plot I-V del campione D (700°) @ l=685 nm
Sample D - IV plot for various light intensities at l=650 nm
Temperatura ambiente
0,14
0,12
0,10
Current (mA)
No elettronica di front-end
0.1 mW
0.2 mW
0.3 mW
0.4 mW
0.5 mW
0.6 mW
0.7 mW
0.8 mW
0.9 mW
1.0 mW
0,08
0,06
No amplificazione segnale
Plateau lunghi e stabili
Linearità I vs P
Soglia a circa 6.55 V
Nessuna saturazione
osservata
0,04
Nessun cambiamento della
risposta dopo 2 anni
0,02
0,00
-10
0
10
20
Voltage (V)
30
40
50
Risposta uniforme su tutta
la superficie di CNT
Breakdrown @ >100 V
15
A. Ambrosio, C. Aramo et al: “Innovative carbon nanotube-silicon large area photodetector”, 2012 JINST 7 P08013
Efficienza Quantica
Comparison of quantum efficiency @ 500° and 700° C
0,40
Maggiore T di
crescita
0,35
Quantum Efficiency
0,30
0,25
0,15
Maggiore
risposta verso
l’UV
0,10
Nota:
0,20
QE @ V=25 V
Polinomial fit Sample C_500° C
Polinomial fit sample D_700° C
0,05
0,00
400
500
600
700
800
900
1000
Il substrato di
silicio è lo
stesso!
Radiation wavelength (nm)
16
A. Ambrosio, C. Aramo et al: “Innovative carbon nanotube-silicon large area photodetector”, 2012 JINST 7 P08013
Modello circuitale del rivelatore
n-Silicon
A
V
Per il campione C2 si ha:
V
D1: I1  I 01e 1 1 dove, I01 = 1.505x10-6 A ed α1 = 6V-1
 V
D2: I 2  I 02e 2 2 dove, I02 = 1.192x10-8 A ed α2 = 0.72 V-1
Rsh1 = 4 MΩ
Rsh2 = 1.95 MΩ
Per il campione D si ha:
Rs = 30 kΩ
V
D1: I1  I 01e 1 1 dove, I01 = 1x10-9 A ed α1 = 15 V-1
 V
D2: I 2  I 02e 2 2 dove, I02 = 1.192x10-8 A ed α2 = 0.72 V-1
Rsh1 = 168MΩ
Rsh2 = 10 MΩ
17
Rs = 41 kΩ
Simulazione del circuito
Sample C2 - Wavelength 785nm
Symbols = Measured Values
Continuous Lines = Simulation
0,18
0,16
0,14
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
Simboli = Valori misurati
Linee continue = Valori simulati
D @700°C
Sample D - Wavelength 650nm
Symbols = Measured Values
0,02
Continuous Lines = Simulation
0,00
Dark
0.1mW
0.2mW
0.3mW
0.4mW
0.5mW
0.6mW
0.7mW
0.8mW
0.9mW
1mW
0,14
0
5
10
15
20
25
30
0,12
Drain Voltage (V)
0,10
Conferma del modello
ipotizzato!
Current (mA)
Current (mA)
C2 @500°C
Dark
0.1mW
0.2mW
0.3mW
0.4mW
0.5mW
0.6mW
0.7mW
0.8mW
0.9mW
1mW
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0
5
10
15
20
25
30
Drain Voltage (V)
35
40
45
50
18
Applicazioni: Fisica Astroparticellare
Osservatorio Pierre Auger (Argentina)
19
Telescopi di fluorescenza di Auger
20
Array di telescopi per luce Cherenkov
Alcune camere con SiPM
Proposto upgrade con camera a CNT
21
Conclusioni e prospettive
E’ stato sviluppato un nuovo rivelatore di radiazione elettromagnetica basato su
Silicio e CNT.
Le principali caratteristiche sono:
Ora con i CNT è possibile:
Creare dei fotocatodi di larghissima area
•Bassa corrente di buio
Ottenere facilmente superfici pixellate
•Plateau estesi
•Risposta lineare di I vs P
Pixels di dimensioni sub-micrometriche
•Stabile a temperatura ambiente
•Efficienza quantica indipendente dalla intensità della radiazione, dipendente dalla frequenza
della luce e dalla temperatura di crescita dei CNT
Il Coating del layer di CNT è stato fatto con uno strato di ITO (Indium Tin Oxide)
Elevata robustezza e nessun deterioramento delle caratteristiche, anzi aumento delle
performance!
Futuro prossimo:
Collaborazione con FBK per sviluppare substrato di silicio con struttura amplificante tipo
SiPM
Realizzare un rivelatore “Single Photon” altamente pixellato sensibile dall’UV all’IR.
22
Esperienza di laboratorio
Nuovi substrati prodotti da FBK di Trento:
 Nuove strutture (Siamo in cerca di AMPLIFICAZIONE)
 Differenti drogaggi
MWNT cresciuti al Dipartimento di Fisica dell'Università dell'Aquila
 Differenti temperature di crescita
 Differenti concentrazioni di catalizzatore, quindi differenti
densità di MWNT
Tipiche misure:
 Caratteristica I-V dei dispositivi a diverse intensità luminose
 Valutazione del grado di linearità della corrente foto-prodotta in
funzione della potenza luminosa incidente
 Efficienza Quantica
 Caratteristica C-V
 Risposta alla luce impulsata (Valutare i tempi di salita e discesa,
valutare la capacità della etero-giunzione in funzione della tensione
applicata)
23
Misura della caratteristica Volt-Amperometrica
Apparato sperimentale 1
Sample C2 - IV plot for various light intensities at l=785 nm
0.18
Laser
Campione
0.1 mW
0.2 mW
0.3 mW
0.4 mW
0.5 mW
0.6 mW
0.7 mW
0.8 mW
0.9 mW
1.0 mW
0.16
0.14
0.12
Keithley 2635
Current (mA)
378nm
405nm
532nm
650nm
685nm
730nm
785nm
808nm
880nm
980nm
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
-10
0
10
20
30
40
Drain Voltage (V)
LabView
Generazione di
un file ASCII
Analisi dei dati
24
50
Misura della Capacità vs Tensione
Apparato sperimentale 2
IRST5_15b - Capacitance vs Voltage
2,00E-009
Campione
1,80E-009
1,60E-009
Keithley 590
CV Analyzer
Capacitance (F)
1,40E-009
1,20E-009
1,00E-009
8,00E-010
6,00E-010
4,00E-010
2,00E-010
0,00E+000
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
10
12
14
Voltage (V)
IRST5_15b - 1/C^2 vs Voltage
4,00E+020
3,50E+020
LabView
3,00E+020
Generazione di
un file ASCII
1/C^2
2,50E+020
2,00E+020
1,50E+020
1,00E+020
5,00E+019
0,00E+000
-5,00E+019
Analisi dei dati
-4
-2
0
2
4
6
8
Voltage (V)
25
16
Risposta alla radiazione impulsata
Apparato sperimentale 3
Sample D - Luce laser 378nm con Time rise 5ns, Durata impulso 5us, Frequenza 100Hz
Segnale prelevato su 50 ohm oscilloscopio
-0,002
-0,003
Impulsatore
External trigger
Amplitude (mV)
-0,004
-0,005
-0,006
-0,007
-0,008
-0,009
Input
digitale
Campione
-0,010
-0,000010
-0,000005
0,000000
0,000005
0,000010
0,000015
Time (s)
Analisi dei dati
Laser
Oscilloscopio
V=cost
LabView
Generazione di
un file ASCII
Analisi dati
(Punto fondamentale di tutta l’esperienza)
Elaborazione ed analisi dei dati sperimentali
(Trattazione statistica ecc..)
Strumenti a disposizione:
 Origin
 Matlab
 Root
 Ecc.
27
Qualche riferimento
1) A. Ambrosio, C. Aramo et al: “Innovative carbon nanotube-silicon large area
photodetector”, 2012 JINST 7 P08013
2) A. Tinti et al: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 629 (2011),
377-381
Per ulteriori informazioni non esitate a contattare
[email protected]
[email protected]
GRAZIE
28
Backup
29
CNT cresciuti su substrati di zaffiro
30
A. Ambrosio et al: “A prototype of a Carbon Nanotube microstrip radiation detector”, NIM A 589 (2008) 398–403
Misura della caratteristica Volt-Amperometrica
Apparato sperimentale 2
Campione
Filtro
Da 350 a 950nm
a step di 50nm
Lampada allo Xeno
LabView
Generazione di
un file ASCII
Keithley 2635
Analisi dei dati
31