Attività del gruppo SPM sui Attività del gruppo SPM sui

nanotubi di carbonionanotubi di carbonioA.Di Bartolomeo

M. Biasiucci, F. Bobba, F. Giubileo, L. Iemmo, M. Longobardi, S. Piano, A. Scarfato and

A. M. Cucolo (head)

1. Studio delle proprietà di field emission da film di nanotubi allineati

2. Studio delle proprietà di field emission dal singolo nanotubo

3. Studio della conduttanza di film di nanotubi random in funzione della

temperatura

4. Studio dell’interfaccia CNT-Si

Congresso del Dipartimento di Fisica E. R. Caianiello – Salerno - Aprile 2008

1. A. Di Bartolomeo, F. Giubileo, M. Sarno, C. Altavilla, D. Sannino, L. Iemmo, F. Bobba, S. Piano, A. M. Cucolo, P. Ciambelli Multi-wall carbon nanotube films as temperature nano sensors, proceedings of the Conference NSTI Nanotech 2008, Boston, June 1-5, 2008.

2. M. Passacantando, F. Bussolotti, S. Santucci, A. Di Bartolomeo, F. Giubileo, L. Iemmo, A. M. Cucolo, Field Emission from single multi-wall carbon nanotubes, submitted for publication in Physics Review B, March 2008, cond-mat arXiv:0803.0810.

3. F. Giubileo, A. Di Bartolomeo, A. Scarfato, L. Iemmo, F. Bobba, M. Passacantando, S. Santucci, Local probing of the field emission stability of vertically aligned carbon nanotubes, submitted for publication in Carbon, February 2008, cond-mat arXiv:0802.4392v1.

4. M. Ambrosio, …M. Biasiucci, F. Bobba, A. M. Cucolo, A. Di Bartolomeo, F. Giubileo, A. Scarfato, …, Current results on the development of a carbon nanotube radiation detector, Proceedings of the 10th ICATPP Conference on Astroparticle, Particle, Space Physics, Detectors and Medical Physics Applications, Villa Olmo, 8-12 October, 2007

5. A. Di Bartolomeo, A. Scarfato, F. Giubileo, F. Bobba, A.M. Cucolo, S. Santucci, M. Passacantando, A local field emission study of partially aligned carbon-nanotubes by atomic force microscope probe, Carbon 45 (2007) 2957-2971.

6. 5 presentazioni a Conferenze

Collaborazione GINT

(GGruppo IINFN NNanoTTecnologie):

- Univ. e INFN dell’Aquila- Univ. e INFN di Bari

- Univ. e INFN di Firenze

- Univ., INFN e CNR di Napoli

- Univ. e CNR di Messina

- Univ. di Pisa- Univ. e INFN di Salerno

Collaborazioni:Gruppo Prof. S. SantucciDip. di Fisica Università dell’Aquila

Gruppo Prof. P. CiambelliDip. di Ingegneria Chimica e Alimentare

Uni. Salerno

Gruppo Prof. TucciDip. di Ingegneria dell'Informazione e Ingegneria Elettrica

Univ. Salerno

Centro Interdipartimentale NANOMATES

Pubblicazioni:

Brevissima introduzione

sui nanotubi

Nanotubi di carbonio

Nanotubi metallici e semiconduttori

Produzione dei CNT

CNT e field emission

Field enhancement factor γγγγ

10 times higher than commercial Mo, PolySi tips

Displays

Lamps

X-ray tubes

CNT FE triode amplifier

E= f - eFx

Vacuum level

metal

Teoria della field emission

d

VF

Sγ=

FowlerFowler--NordheimNordheim theorytheory::

( )

apex at tip field electricd

V F

eV 5 eV in functionwork

Fcexp

FcI

barrier surfaceular For triang

S

S

23

2

2

S

1

γ=

≈=φ

φ

−φ

=

Extraction of electrons from a conducting surface

F ~ kV/µm

but with sharp tips:

F=V/d ~ V/µm

enhancement factor γγγγ

γ

φ−=

φ−=

V

1dcA

V

Iln

or

F

1ca

F

Iln

2/3

2

2

S

2/3

22

S

e-

e-e-

d

V

cathode anode

vs

Linea retta

Principali attività:

1. Studio delle proprietà di field emission da film di nanotubi allineati

2. Studio delle proprietà di field emission dal singolo

nanotubo

3. Studio della conduttanza di reti di nanotubi

4. Studio dell’interfaccia film di CNT - silicio

Proprietà dei film di CNT

Crescita di nanotubi per CVD

Apparato per la Field Emission

Campo elettrico della punta AFM

Misure di field emission

Modello Fowler-Nordheim modificato

−−−=

IRV

cexp)IRV(cI 22

1

Stabilizzazione elettrica:

desorbimento di adsorbati

Stima dei parametri di FE:

il Turn-on Field

Stima dei parametri di FE:

il Field enhancement factor γ

Dipendenza lineare del γ dalladistanza CNT film – punta AFM

60 < γ < 120

γ

Stabilità della corrente di FE

Ottima stabilità su periodi lunghi e a diversi regimi di emissione

Field emission in gas

Il rivelatore GINT

Principali attività:

1. Studio delle proprietà di field emission da film di nanotubi allineati

2. Studio delle proprietà di field emission dal singolo nanotubo

3. Studio della conduttanza di reti di nanotubi

4. Studio dell’interfaccia film di CNT - silicio

Field emission in SEM

Modello FN modificato

30 35 40 45 50 55 60 65 70

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

30 35 40 45 50 55 60 65 70

1E-14

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

Cu

rre

nt (A

)

Voltage (V)

sweep 1

sweep 2 FN Fit with

R = 0 Ω

FN Fit with

R = 30 MΩ

−−−=

IRV

cexp)IRV(cI 22

1

Soppressione controllata della field

emission tramite fascio elettronico

30 35 40 45 50 55 60 65 70

1E-14

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

Curr

ent (A

)

Voltage (V)

30 40 50 60 70 80 90

1E-14

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

Curr

ent (A

)

Voltage (V)

40 50 60 70 80 90

1,50E-013

2,00E-013

2,50E-013

3,00E-013

3,50E-013

4,00E-013

4,50E-013

5,00E-013

Irradiazione con electron beam crea carbonio

amorfo sulla punta e soppressione della FE

Stabilità della FE da singolo CNT

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

1E-14

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

0 10 20 30 40 50

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

Cu

rre

nt (A

)

Time (min)

Vbias

= 45 V

mean = 7.8×108 Α

sigma = 8.9×108 Α

Parametri di FE da singolo CNT

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

35

40

45

50

55

60

65

Y = (28 ± 3 )+ (31 ± 4) X

Th

resho

ld v

olta

ge (

V)

Distance d (µm)

0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035

-17

-16

-15

-14

-13

-12

-11

-10

-9

-8

sweep 1: Y = -4,89 - 386,20 X

sweep 2: Y = -5,50 - 420,63 X

sweep 3: Y = -5,50 - 509,43 X

sweep 4: Y = -4,11 - 698,28 X

ln(C

urr

en

t / V

olta

ge

) L

og

(A V

-2)

1 / Voltage (V -1

)0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

50

60

70

80

90

100

110

120

Fie

ld E

nh

an

ce

me

nt

Fa

cto

r γ

Distance (µm)

Turn-on-field

Field enhancement

factor

Principali attività:

1. Studio delle proprietà di field emission da film di nanotubi allineati

2. Studio delle proprietà di field emission dal singolo nanotubo

3. Studio della conduttanza di reti di nanotubi

4. Studio dell’interfaccia film di CNT - silicio

Film di nanotubi random (CNN)

Misure di R(T) su film di CNT

0 50 100 150 200 250 300

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

Temperature (K)

Re

sis

tance (

Ohm

)

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140

0,74

0,75

0,76

0,77

0,78

0,79

0,80

0,81

R = 0,74 + 4,80E-4 T

Resis

tan

ce (

Oh

m)

Temperature (°C)

T up 1

T up 2

T down 1

T down 2

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160

0,92

0,94

0,96

0,98

1,00

1,02

1,04

1,06

1,08

1,10

Linear fit

R = 1.0-7.5E-4 T

Re

sis

tan

ce

(O

hm

)

Temperature (°C)

T down

T up

T down

T down

T up

-60 -30 0 30 60 90 120 150

0,92

0,94

0,96

0,98

1,00

1,02

1,04

1,06

1,08

1,10

Model:

Interrupted Metallic

Conduction

Chi^2 = 0.00002

R^2 = 0.99285

P1 -0.00057 ±0

P2 0.01572 ±18.74908

P3 0.49267 ±0

P4 701.43294 ±15.16466

P5 929.78472 ±20.93735

R(T):

comportamento semiconduttivoIn qualche caso si è osservata una transizione

semiconduttore-metallo

dT

dR

R

1TCR

0

=

<0,001

Possibile uso di CNT come

sensore di temperatura

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,80 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0

50

100

150

200

250

300

1/R-CNT

Termometer

Te

mp

era

ture

(K)

Time (s)

1/R

esis

tan

ce

CN

T

(1/O

hm

)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

Termometer

1/R-CNT

Te

mp

era

ture

(K)

Time (h)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

0

5

10

15

20

25

30

35

1/R

esis

tan

ce

CN

T

(1/O

hm

)

Sensore di dimensione nanometrica:1. Misure locali di temperatura

2. Perturbazione trascurabile dell’ambiente misurato

3. Velocità

4. … ma ancora TCR troppo basso!

Possibile uso di CNT come

sensore di temperatura

0 200 400 600 800 1000

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1/R-CNT

Termometer

Te

mp

era

ture

(K)

Time (s)

1/R

esis

tan

ce

CN

T

(1/O

hm

)

0 200 400 600 800 1000

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Da migliorare il TCR con film di dimensioni sempre più ridotte

(al limite con pochi CNT)

Principali attività:

1. Studio delle proprietà di Field Emission da film di nanotubi allineati

2. Studio delle proprietà di field emission dal singolo nanotubo

3. Studio della conduttanza di reti di nanotubi

4. Studio dell’interfaccia film di

CNT - silicio

34

• Contacts: Schottky - Schottky

• Contacts: Ohmic – Schottky

• Contacts: Ohmic - Ohmic

Comportamento I-V di strutture MSM

I

V

-

Met

p-Si

+forward

bias

hole current

qIVapplI

+

Met

p-Si

- reverse

bias

hole current

qIVapplI

Caso ideale

+

-

-

+

MSM structures

as two

back-to-back

Schottky diodes

I

V

I

V

Si~ 2 mm

V

A (1)

(2)

(1) S

-(2

) O

(1) O

-(2

) S

I

V

+

-

Caso ideale

Caratterizzazione IV di strutture MIS

Risposta alla luce di strutture MIS

37

CNT su Si3N4-Si con luce bianca

-20 -15 -10 -5 0 5

-4,0x10-4

-3,0x10-4

-2,0x10-4

-1,0x10-4

0,0

1,0x10-4

With CNT

Me

asu

red

Cu

rre

nt (A

)

Applied Voltage (V)

dark

light

filter 1.2%

filter 2.7%

filter 4.7%

filter 6.7%

filter 9.9%

filter 15.1%

filter 19.2%

filter 25.2%

filter 50.2%

filter 62.5%

filter 79.8%

filter 97.1%

light

Silicon Si3N4

V

A

AuPt

-20 -15 -10 -5 0 5

-4,0x10-4

-3,0x10-4

-2,0x10-4

-1,0x10-4

0,0

1,0x10-4

Without CNT

Mea

su

red

Cu

rre

nt (A

)

Applied Voltage (V)

dark

light

filter 79.8% filter 62.5%

filter 50.2% filter 25.2%

filter 15.1%

filter 6.7%

Silicon Si3N4

V

A

AuPt

1. Con i nanotubi vi è una maggiore generazione e raccolta di fotocarica

2. … ma è creata dai CNT o nella maggiore zona di svuotamento all’interfaccia Si-Si3N4?

Dark

Light

Dark

Light

Filter on light

intensity

lamp

I - filter

lamp

I - filter

CNTs

No CNTs

38

CNT su Si3N4-Si luce colorata

Silicon Si3N4

V

A

AuPt

-14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4

-1,2x10-5

-1,1x10-5

-1,0x10-5

-9,0x10-6

-8,0x10-6

-7,0x10-6

-6,0x10-6

-5,0x10-6

-4,0x10-6

-3,0x10-6

-2,0x10-6

-1,0x10-6

0,0

1,0x10-6

2,0x10-6

no CNT

Me

asu

red

Cu

rren

t (A

)

Applied Voltage (V)

IDark

ILight1881nm

ILight1290nm

ILight1010nm

ILight846nm

ILight768nm

IDarkNoCNT

IDarkAfterNoCNT

ILight768nmNoCNT

ILight1104NoCNT

ILight1490nmNoCNT

with CNT

no CNTs

with CNTs

Silicon Si3N4

V

A

AuPt

• Il campione con CNT ha una maggiore

fotocorrente inversa

• Lunghezze d’onda vicine al bandgap del

Si (1100 nm) danno maggiore corrente

inversa!

λ

-filter

λ-filter

39

-0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15

-4,0x10-6

-3,0x10-6

-2,0x10-6

-1,0x10-6

0,0

1,0x10-6

2,0x10-6

3,0x10-6

4,0x10-6

Y =-6,4E-7+2,6E-5 X

Cu

rre

nt

(A)

Voltage (V)

L1lab white lamp power 1 - lab

-0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15

-8,0x10-4

-6,0x10-4

-4,0x10-4

-2,0x10-4

0,0

2,0x10-4

4,0x10-4

6,0x10-4

8,0x10-4

Y =8,4E-8+0,0046 X

lab light (dark)

white lamp at 15 cm power 1

white lamp at 15 cm power 1

Curr

ent (A

)

Voltage (V)

CNT’s su zaffiro: CNT fotocond. piccola

Resistance = 215 Ohm

Nessuna differenza visibile tra la I-V con e

senza

Photocurrente mascherata dalla correte di buio

Photoconductance %:

(Slight - Sdark) / Sdark = 0,6 %

←8e-4

Saffire

A

V

AuPt

comb-to-comb pattern

←3e-6

Iluce – I buio

40

CNT on Si3N4-Si with light (s2)

-10 -8 -6 -4 -2 0 2

-1,0x10-5

-5,0x10-6

0,0With CNT

Curr

en

t (A

)

Voltage (V)

dark

light

filter 1.2%

filter 2.7%

filter 4.7%

filter 6.7%

filter 9.9%

filter 15.1%

filter 19.2%

filter 25.2%

filter 50.2%

filter 62.5%

filter 79.8%

filter 97.1%

light

-10 -8 -6 -4 -2 0 2

-1,0x10-5

-8,0x10-6

-6,0x10-6

-4,0x10-6

-2,0x10-6

0,0

Without CNT

Cu

rre

nt (A

)

Voltage (V)

dark

light filter 79.8%

filter 62.5% filter 50.2%

filter 25.2% filter 15.1%

filter 6.7%

With CNT higher reverse current,

lower resistance.

Possibile interpretazione:Prima si ha più corrente perché aumenta la zona svuotata,Poi si ha la saturazione al flat band e quindi la valanga.La valanga sembra essere tagliata dal seciondo diodo.

41

Ex. MIS tunnel diode on p++-Si

Efm

Eg

M I S

Efs

qVc

qVv

Efm

Eg

positive bias+ - (2)

Efs

negative bias- +

negative bias- +

Efm

Eg

Efs

Efm

Eg

Efs

negative bias- +

EfmEg

Efs

(a) (b) (c) (d)

V

I(a)

(b)

(c)

(d)

Pt on Si can create a hole accumulation at Si - Si3N4

and make silicon degenerate due to high workfunction(5.7 eV vsΦ

si = 4.05 eV-10 -5 0 5

-5,0x10-6

-4,0x10-6

-3,0x10-6

-2,0x10-6

-1,0x10-6

0,0

Without CNT

Curr

ent (A

)

Voltage (V)

dark

light

filter 79.8%

filter 62.5%

filter 50.2%

filter 25.2%

filter 15.1%

filter 6.7%

Conclusioni• Attività con potenziali molteplici applicazioni (… ma andare

verso il grafene!)

• Possibilità di innumerevoli collaborazioni (interdisciplinarietà)

• Buon rendimento (numero congruo di pubblicazioni in un tempo breve per una nuova attività)

• Richiede strumenti sofisticati:– risorse economiche– spazi– persone– sostegno per stabilire e mantenere nuove

collaborazioni