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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.

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1 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/ ch10 22/10/ ch10 CdL Scienza dei Materiali - Fisica delle Nanotecnologie - a.a. 2002/3 Appunti & trasparenze - Parte 3 Versione 1, Ottobre 2002 Francesco Fuso, tel ,

2 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 2 Nanotubi di carbonio (CNT)* Anni 80: osservazione di molecole di fullerene (C 60, …) 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 NTMultiple Wall NT * Materiale sui CNT tratto da un seminario di Andrea Ferrari, EDM - Cambridge University (lug. 2002)

3 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 3 Cella unitaria descritta da: –chiral vector C h = na 1 + ma 2 (n, m) n,m Z –translation vector T = t 1 a 1 + t 2 a 2 t 1, t 2 Z ChCh T a1a1 a2a2 Armchair (n, n) tube [Chiral (n, m) tube] Zigzag (n, 0) tube C h // a 1 (or a 2 ) a1a1 a2a2 Classificazione SWCNT Proprietà geometriche CNT completamente determinate da vettore chirale e di traslazione (cioè da numeri (n, m)) Strutture 1D con legami sp 2 Diametro NT: d NT (m 2 +n 2 +nm)

4 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 4 BVBV BCBC Metallic CNT Armchair (n,n) E Semimetallic CNT m-n=3·i Semiconducting CNT m-n 3·i E Fermi 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 ( eV) –E g ~1/d NT also affected by: chemical doping (B, N, O, Li, K…) point defects (pentagons, heptagons)

5 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 C x H x --> grande efficienza soprattutto per MWCNT Up to 900°C heated stage C 2 H 2 /NH 3 up to 200sccm See Puretzky, Geohegan,… Appl. Phys. A (2000)

6 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 - C 2 H 2 is the growth gas for CNTs, NH 3 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

7 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 7 Influenza catalizzatore (diametro Ni nanoparticles)

8 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

9 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

10 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 (2000)

11 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 11 Cavi molecolari (di Tour) See Tour et al., Acc. Chem. Res (2000); J. Am. Chem. Soc (1998) Materiale tratto dal seminario di Oliviero Andreussi, Feb. 2002

12 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, …)

13 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 13 RTDRectifier Redox-based single-electron process Esempi di dispositivi complessi e innovativi Singole cariche sono generalmente coinvolte nei processi intramol.

14 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 Waals determinano 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)

15 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 15 Tunneling attraverso SAM See Andres et al., JVSTA (1996); Science (1996) Effetti di Coulomb blockade e singolo elettrone a temp. amb. STM meas. XYL: p-xylene-

16 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)

17 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag Effetto tunnel e tunnel risonante (RTD); superconduttori, giunzioni SIS e NIS, effetto Josephson e SQUID 21/10/ ch10 22/10/ ch10

18 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 18 Effetto tunnel Riassunto dei risultati per sistemi quantistici (particella e potenziale) Effetto tunnel Da Eisberg Resnick, Quantum Physics Wiley (1985) Resonant Tunneling RT Diodes: elementi per alta velocità (100 GHz) e bassa dissipazione subband

19 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 19

20 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)

21 Fisica delle Nanotecnologie 2002/3 - ver. 1 - parte 3 - pag. 21 Giunzione SIS Da 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, PetaFlops Limite alla miniaturizzazione: lungh. pen. (<100 nm per LTS, ~300 nm per HTS!!)

22 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 (2001) Array of linear SQUIDS (Al/Al 2 O 3 /Al)


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