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Caratterizzazione Rivelatori a Nanotubi di Carbonio Marco Cilmo e Carla Aramo (07-11-2013) LAUREA MAGISTRALE IN FISICA CORSO DI LABORATORIO DI FISICA AA.

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Presentazione sul tema: "Caratterizzazione Rivelatori a Nanotubi di Carbonio Marco Cilmo e Carla Aramo (07-11-2013) LAUREA MAGISTRALE IN FISICA CORSO DI LABORATORIO DI FISICA AA."— Transcript della presentazione:

1 Caratterizzazione Rivelatori a Nanotubi di Carbonio Marco Cilmo e Carla Aramo ( ) LAUREA MAGISTRALE IN FISICA CORSO DI LABORATORIO DI FISICA AA 2013/2014 Proposta di esperienza di laboratorio 1

2 Esperimenti GINT (Gruppo INFN per le NanoTecnologie) SinPhoNIA (Single Photon Nanotechnology Innovative Approach) PARIDE (Pixel Array for Radiation Imaging DEtector ) INFN & Università de LAquila Bari Napoli Perugia Roma 2 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 allimpiego 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

4 Nanotubi di carbonio Foglio di grafene (struttura bidimensionale) arrotolato su se stesso a formare un cilindro. Elevatissimo rapporto tra lunghezza e diametro (10 4 – 10 5 ) entità monodimensionali (molecole con proprietà uniche!) Ogni CNT è caratterizzato dal diametro e dal suo "vettore chirale C h = m â 1 + n â 2, dove â 1, â 2 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 mn 4

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

6 I CNT come rivelatori di radiazione elettromagnetica up to 3 m (0.4 eV) 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: 10 8 – MWNT / 1 mm 2 ; Dispositivo sensibile ad un vasto range di lunghezze donda. 6

7 n-Silicon Au-Pt Si 3 N 4 Nichel Substrato e Sintesi dei MWNT (CVD) 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 C 2 H 2 in un reattore riscaldato. Catalizzatore: Ni 30 Å Temperatura: °C Au-Pt 500 μm 7

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

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

10 40 m per cell 10

11 11

12 Example of micropads with microstrips for signal readout Micropad Nanostrip 12

13 Etero-giunzione CNT-Si Il processo di crescita dei CNT modifica drasticamente il comportamento dellintero sistema 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), Il dispositivo diventa fotosensibile solo sulla superficie dove sono cresciuti i CNT 13

14 Plot I-V del campione C2 =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 P

15 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 Plot I-V del campione D =685 nm 15

16 Efficienza Quantica Maggiore T di crescita Maggiore risposta verso lUV Nota: Il substrato di silicio è lo stesso! A. Ambrosio, C. Aramo et al: Innovative carbon nanotube-silicon large area photodetector, 2012 JINST 7 P

17 Per il campione C2 si ha: D 1 : dove, I 01 = 1.505x10 -6 A ed α 1 = 6V -1 D 2 : dove, I 02 = 1.192x10 -8 A ed α 2 = 0.72 V -1 R sh1 = 4 MΩ R sh2 = 1.95 MΩ R s = 30 kΩ Per il campione D si ha: D 1 : dove, I 01 = 1x10 -9 A ed α 1 = 15 V -1 D 2 : dove, I 02 = 1.192x10 -8 A ed α 2 = 0.72 V -1 R sh1 = 168MΩ R sh2 = 10 MΩ R s = 41 kΩ Modello circuitale del rivelatore n-Silicon V A 17

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

19 Applicazioni: Fisica Astroparticellare 19 Osservatorio Pierre Auger (Argentina)

20 Telescopi di fluorescenza di Auger 20

21 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 dallUV allIR. 22

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) 23

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

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

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

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

28 Qualche riferimento 1)A. Ambrosio, C. Aramo et al: Innovative carbon nanotube-silicon large area photodetector, 2012 JINST 7 P )A. Tinti et al: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 629 (2011), Per ulteriori informazioni non esitate a contattare GRAZIE 28

29 Backup 29

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 30

31 Keithley 2635 LabView Campione Lampada allo Xeno Filtro Da 350 a 950nm a step di 50nm Generazione di un file ASCII Analisi dei dati Misura della caratteristica Volt-Amperometrica Apparato sperimentale 2 31


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