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Caratterizzazione Rivelatori a Nanotubi di Carbonio

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Presentazione sul tema: "Caratterizzazione Rivelatori a Nanotubi di Carbonio"— Transcript della presentazione:

1 Caratterizzazione Rivelatori a Nanotubi di Carbonio
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 ( )

2 GINT (Gruppo INFN per le NanoTecnologie)
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

3 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

4 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

5 Definito solo dalla geometria del SWNT
Tipi di nanotubi SWNTs A singolo foglio di grafene (d ≈ 0.7 ÷ 3 nm) MWNTs CNT coassiali (d ≈ 2 ÷ 100 nm) |n-m|/3  N  N Comportamento molto piu’ complesso a causa delle interazioni tra pareti adiacenti MA… Semiconduttore Metallo Definito solo dalla geometria del SWNT

6 I CNT come rivelatori di radiazione elettromagnetica
Uno strato di MWCT può coprire un vasto range di diametri e chiralità; Gap di banda che arrivano fino a 3 eV Una piccola area, un grandissimo numero di tubi sensibili alla radiazione: ≈ 108 – 1010 MWNT / 1 mm2; Dispositivo sensibile ad un vasto range di lunghezze d’onda. up to 3 mm (0.4 eV)

7 Substrato e Sintesi dei MWNT (CVD)
Au-Pt Nichel Au-Pt n-Silicon 500 μm 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: °C

8 Confronto tra CNT cresciuti a 500 e 700 °C Immagini SEM (Scanning Electron Microscope)

9 Caratteristiche dei CNT
Diametro esterno: 15 – 25 nm Diametro interno: 5 – 10 nm Numero medio di CNT: 10 – 15

10 40 mm per cell

11

12 Example of micropads with microstrips for signal readout
Nanostrip

13 Etero-giunzione CNT-Si
Il processo di crescita dei CNT modifica drasticamente il comportamento dell’intero sistema Il dispositivo diventa fotosensibile solo sulla superficie dove sono cresciuti i CNT Il meccanismo di creazione della giunzione può essere attribuito alla morfologia unidimensionale dei CNT (Creazione di canali di conduzione) A. Tinti et al: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 629 (2011),

14 Plot I-V del campione C2 (500°) @ l=785 nm
Temperatura ambiente No elettronica di front-end No amplificazione segnale Plateau lunghi e stabili Linearità I vs P Soglia a circa 3.55 V Nessuna saturazione osservata Nessun cambiamento della risposta dopo 2 anni Risposta uniforme su tutta la superficie di CNT >100 V A. Ambrosio, C. Aramo et al: “Innovative carbon nanotube-silicon large area photodetector”, 2012 JINST 7 P08013

15 Plot I-V del campione D (700°) @ l=685 nm
Temperatura ambiente No elettronica di front-end No amplificazione segnale Plateau lunghi e stabili Linearità I vs P Soglia a circa 6.55 V Nessuna saturazione osservata Nessun cambiamento della risposta dopo 2 anni Risposta uniforme su tutta la superficie di CNT >100 V A. Ambrosio, C. Aramo et al: “Innovative carbon nanotube-silicon large area photodetector”, 2012 JINST 7 P08013

16 Efficienza Quantica Maggiore T di crescita
Maggiore risposta verso l’UV Nota: Il substrato di silicio è lo stesso! A. Ambrosio, C. Aramo et al: “Innovative carbon nanotube-silicon large area photodetector”, 2012 JINST 7 P08013

17 Modello circuitale del rivelatore
n-Silicon A V Per il campione C2 si ha: D1: dove, I01 = 1.505x10-6 A ed α1 = 6V-1 D2: dove, I02 = 1.192x10-8 A ed α2 = 0.72 V-1 Rsh1 = 4 MΩ Rsh2 = 1.95 MΩ Rs = 30 kΩ Per il campione D si ha: D1: dove, I01 = 1x10-9 A ed α1 = 15 V-1 D2: dove, I02 = 1.192x10-8 A ed α2 = 0.72 V-1 Rsh1 = 168MΩ Rsh2 = 10 MΩ Rs = 41 kΩ

18 Simulazione del circuito
Simboli = Valori misurati Linee continue = Valori simulati Conferma del modello ipotizzato!

19 Applicazioni: Fisica Astroparticellare
Osservatorio Pierre Auger (Argentina)

20 Telescopi di fluorescenza di Auger

21 Array di telescopi per luce Cherenkov
Alcune camere con SiPM Proposto upgrade con camera a CNT

22 Conclusioni e prospettive
E’ stato sviluppato un nuovo rivelatore di radiazione elettromagnetica basato su Silicio e CNT. Le principali caratteristiche sono: Bassa corrente di buio Plateau estesi Risposta lineare di I vs P 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! Ora con i CNT è possibile: Creare dei fotocatodi di larghissima area Ottenere facilmente superfici pixellate Pixels di dimensioni sub-micrometriche 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.

23 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)

24 Misura della caratteristica Volt-Amperometrica Apparato sperimentale 1
378nm 405nm 532nm 650nm 685nm 730nm 785nm 808nm 880nm 980nm Campione Laser Keithley 2635 LabView Generazione di un file ASCII Analisi dei dati

25 Misura della Capacità vs Tensione Apparato sperimentale 2
Campione Keithley 590 CV Analyzer LabView Generazione di un file ASCII Analisi dei dati

26 Risposta alla radiazione impulsata Apparato sperimentale 3
Impulsatore External trigger Campione Input digitale Generazione di un file ASCII Analisi dei dati Laser Oscilloscopio V=cost LabView

27 Analisi dati (Punto fondamentale di tutta l’esperienza)
Elaborazione ed analisi dei dati sperimentali (Trattazione statistica ecc..) Strumenti a disposizione: Origin Matlab Root Ecc.

28 Per ulteriori informazioni non esitate a contattare
Qualche riferimento A. Ambrosio, C. Aramo et al: “Innovative carbon nanotube-silicon large area photodetector”, 2012 JINST 7 P08013 A. Tinti et al: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 629 (2011), Per ulteriori informazioni non esitate a contattare GRAZIE

29 Backup

30 CNT cresciuti su substrati di zaffiro
A. Ambrosio et al: “A prototype of a Carbon Nanotube microstrip radiation detector”, NIM A 589 (2008) 398–403

31 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


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