GINT(Gruppo INFN di nanotecnologia)

Il gruppo GINT si propone di sviluppare rivelatori di particelle e radiazioni(ionizzanti e non) in grado di dare informazioni sulla posizione delle particellepassanti con precisione nanometrica puntando sull’uso intensivo di nanotubi enanodiamanti per la rivelazione, il trattamento dei segnali, la loroamplificazione e il processo di lettura e di acquisizione.

Il progetto necessita della collaborazione di esperti del settore che provvedanoalla produzione delle nanostrutture e nanomateriali nei termini e nei modidesiderati, ne caratterizzino le proprietà fisiche ed elettroniche e ne assicurino lariproducibilità su ampia scala. Per questo al gruppo INFN proponente si sonouniti gruppi operanti nei settori di Fisica, Chimica e Ingegneria della Materia.

Presentazione alla CSN5 – Napoli 19 settembre 2005

Michelangelo Ambrosio – INFN Napoli

I nanotubi

L’epoca del silicoverrà soppiantata

dall’epoca delcarbonio.

PSTPST(PPost SSiliconTTechnology)

I nanotubi si distinguono in:

DEFINIZIONE

- SWNT (Single Wall Nanotubes),ovvero un tubo costituito dalla solaparete esterna

- MWNT (Multi WallNanotubes), costituiti da stratimultipli concentrici

Ogni SWNT è caratterizzato da:o diametroo “vettore chirale” (n,m) o “elicità”, ovvero la direzione diarrotolamento della grafite in rispetto all’asse del tubo

Tipidi

CNT

Proprietà elettriche

Caratteristiche

Proprietàelettroniche

Meccanismi di conduzione

Field emission

Applicazioni Field Emission

ApplicazioniField Emission

Tipologia

Patternizzazione

Applicazioni elettroniche

Principiodel FET

Applicazioni elettroniche

Nanodiamanti

NEA – Negative Electron Affinity

Field emission da nanodiamanti

Studio della field emissionStudio della field emissiondelldell’’insieme nanotubi +insieme nanotubi +

nanodiamantinanodiamantiL’accoppiamento tra le due formecarboniche dovrebbe permettere dicostruire un dispositivo in grado diraccogliere la carica o la corrente prodottanel catodo con una efficienza del 100% etrasmetterla all’anodo via field emission.Infatti la presenza di nanodiamantiidrogenati sulla punta dei nanotubi provocail passaggio degli elettroni nel vuoto acausa della pronunciata Negative ElectronAffinity (NEA) dei diamanti idrogenati.

La verifica di tale ipotesipermetterebbe la realizzazione didispositivi di alta efficienza anchein settori già investigatidall’industria, quali la realizzazionedi schermi ad altissima definizionee di lampade a raggi X.

Fig. 12 – Nanodiamantiimpiantati in cima ananotubi

Dispositivo Dispositivo nanometriconanometrico di diamplificazione di caricaamplificazione di carica

Tra le peculiarità del diamante c’èla sua capacità di produrre unavalanga di elettroni se investito daun elettrone di qualche KeV. Cioèl’energia dell’elettrone incidente sitrasforma in un numeroequivalente di elettroni [I. Ben−Zviet al. "Secondary emissionenhanced photoinjector" ReportBrookhaven National Lab UptonNY, C−A/AP\#149]. Tenendopresente che l’energia di legame diun elettrone è di circa 15 eV, unelettrone di 3 KeV può generarefino a 200 elettroni secondari.Questa carica secondaria, raccoltadal campo elettrico, costituirebbeun fattore consistente diamplificazione del segnale diorigine.

Il dispositivo consiste in uno stadio di field emissioncostituito da nanotubi con in punta nanodiamantiche raccoglie la carica del catodo, la trasferiscenella banda di valenza e, per effetto della NEA, laemette nel vuoto verso l’anodo; il campo elettricoapplicato tra catodo e anodo accelera gli elettroniemessi a qualche KeV; l’anodo è ricoperto dinanodiamanti che, investiti dagli elettroni primari, liamplificano di un fattore dipendente dalla loroenergia. Un gate può essere utilizzato per evitare ladispersione radiale del segnale sull’anodo.

Fotocatodi con risoluzioneFotocatodi con risoluzionenanometricananometricaI nanotubi sono stati utilizzati come rivelatoridi radiazione IR.I.M.Xu: Highly ordered carbon nanotube arrays and IR detection –Infrared Physics and Technology 42 (2001) 485 - 491

La realizzazione di rivelatori all’infrarosso per lafisica spaziale riveste oggi una particolareimportanza dato lo sviluppo tumultuoso di apparatidi rivelazione di sorgenti galattiche edextragalattiche nell’infrarosso.

L’accoppiamento CNT – dispositivo diamplificazione permetterebbe la realizzazione difotomoltiplicatori nell’IR il cui stadio diamplificazione verrebbe costituito da unasemplice serie di strati CNT-nanodiamanti.

Fotocatodi con risoluzioneFotocatodi con risoluzionenanometricananometricaPoiché l’energia di gap dei nanotubi dipende dalloro diametro, è possibile studiare il modo diprodurre nanotubi con banda di energiacorrispondente al verde: in tal modo si puòrealizzare un fotocatodo nel visibile. Il segnale puòessere prelevato e amplificato applicando a ognielettrodo di lettura uno degli stadi amplificatoriillustrati nella trasparenza precedente. Una serie distadi amplificatori risulterebbe in una catena diamplificazione esattamente come i dinodi di unfotomoltiplicatore. Sensori specifici e fotocatodi adalta efficienza quantica in determinate frequenzepossono essere realizzati selezionandoopportunamente il diametro dei nanotubi e il loroaccoppiamento con i nanodiamanti.

Livelli energetici dei CNTLivelli energetici dei CNTVari esperimenti hanno mostrato come i nanotubisemiconduttori mostrino interessantissime proprietà difluorescenza nella regione del vicino infrarosso (da ~ 1 a ~15 µm) legate alle loro proprietà elettroniche. I nanotubi deltipo n-m=3p con p intero positivo o nullo sono conduttorimetallici, quindi con gap fondamentale 0.0 eV. Tutti gli altrisono semiconduttori la cui gap è funzione del diametro, edè approssimata dalla funzione:

Egap=2 y0 acc/d

dove y0=0.1 eV, acc=0.142 nm e d è il diametro. Questoimplica che per i CNT Single Wall la gap fondamentale variada 0.4 a 0.7 eV. Con i Multi Wall invece si ha un range piùampio.

1 < d < 100 nm

0.03 < Egap < 3 eV

Importanza del Importanza del nano_Ramannano_RamanI nanotubi di carbonio sonocaratterizzati da sezione d’urtoRaman molto elevata. Gli spettriRaman dei CNT sono sensibili aldiametro del nanotubo (radialbreathing mode), alle proprietàelettroniche e di simmetria (banda G),ed alla presenza di difetti (bande D eG’). In particolare, la posizione nellospettro Raman del radial breathingmode risulta univocamente legata aldiametro del nanotubo dalla relazione:

fs = A+ B / dNT

dove fs (frequency shift) rappresentalo shift Raman, A e B sono costantinote e dNT è il diametro del nanotubo.

Spettro Raman di un campione dinanotubi ottenuto utilizzando 2 diverselunghezze d’onda del laser ad argon(blu: 4880 A, verde: 5145 A).

Proposta al CSN5Le tappe fondamentali del programma possono essere fissate nelleseguenti milestones:

I anno: Realizzazione MWCNT e loro caratterizzazione; Studio della field emission.

II anno: Realizzazione SWCNT e loro caratterizzazione;Realizzazione di nanodiamanti e studio dell’accoppiamento nanotubi+nanodiamanti;

Messa a punto di tecniche di nano-Raman.

III anno: Realizzazione stadio di amplificazione; Realizzazione fotocatodo.

Se i risultati saranno positivi, il programma verrà esteso alla realizzazione deiseguenti ulteriori obiettivi.

Nanorivelatori a silicioNanorivelatori a silicio

L’accoppiamento tra lo stadio diamplificazione descrittoprecedentemente e un rivelatorea silicio permetterebbe il prelievodella carica generata daradiazioni ionizzanti su aree didimensioni nanometriche. Lostadio di amplificazione puòessere modellato secondo leesigenze del dispositivo econtenere al suo interno lostadio di discriminazione eformazione del segnaleimpiantando sull’altra facciadell’anodo un nanoshaper.

Nanorivelatori 3DNanorivelatori 3DIl dispositivo diamplificazione proposto,con opportune varianti, siadatta bene anche airivelatori 3D realizzati contecnologia MEMS. Imicrofori drogati all’internodel silicio possono esserefacilmente accoppiati aldispositivo diamplificazione senzatoccare la geometria delrivelatore e consentendoun naturale ed efficacereadout del segnale.

NanoGEMNanoGEMLe GEM sono state inventate daFabio Sauli nel 1995 e oggi sonolargamente impiegate perl’amplificazione della scarica neirivelatori a gas. In essel’amplificazione degli elettroniprodotti nel gas dalla radiazioneionizzante viene ottenuta creandolungo il loro cammino verso l’anodouna zona ad alto gradiente elettricoche li accelera violentemente.Analogo effetto si potrebbe ottenereinserendo un film di nanodiamantiche amplifica il flusso di elettroniproporzionalmente alla loro energiae lo riemette grazie alle sueproprietà NEA. Film simili agli stratiGEM possono essere sviluppati percoprire grandi aree e fare dananoGEM per rivelatori di particelleionizzanti.

Fabio Sauli si è dichiarato molto interessatoa collaborare allo studio e alla realizzazionedi un tale dispositivo (Napoli, 17 maggio 2005).

Flip-Flip-ChipChip

Il problema del prelievo del segnale da microchip di ultima generazione si avvia adiventare dominante nelle prossime realizzazioni in una scala di integrazioneancora più spinta. Già oggi le connessioni del chip MEDIPIX2 hanno richiesto unasofisticatissima attrezzatura per permettere la saldatura back-to-back con gocce diniobio.I nanotubi, opportunamente patternati su entrambi i lati del microrivelatore e delchip di lettura, potrebbero permettere connessioni su scala nanometrica agendo dastrutture di contatto esattamente come le chiusure a strappo.

Gruppi proponentiNapoli: Caratterizzazione ottico fisica dei nanotubi;

Studio della field emission;

Realizzazione del fotocatodo

L’Aquila: Produzione nanotubi;

Caratterizzazione morfologica (SEM)

Pisa: Caratterizzazione ottica (SNOM);

Sviluppo tecniche di nanoRaman.

Salerno: Studio morfologico con STM/AFM

Field emission ad alta risoluzione spaziale

Composizione dei gruppi: Napoli

Studio teorico delle nanostrutture40%40%50%

Giuseppe IadonisiDomenico NinnoFabio Trani

Fotoluminescenza30%Maddalena Pasquale

Fotoconducibilità spettrale40%40%

Coscia UbaldoAmbrosone Giuseppina

Nanolitografia e spettroscopia30%30%

Cristiano RobertoPagano Sergio

Studio della field emissionRealizzazione del fotocatodo

40%20%20%50%50%40%

Ambrosio MichelangeloBarbarino GiancarloCampajola LuigiPerillo EugenioRaulo AdelaideRusso Paolo

Composizione dei gruppi: L’Aquila

Produzionenanotubi e lorocaratterizzazionemorfologica

35%30%30%35%30%

Maurizio PassacantandoPietro PicozziSilvia PipernoMirko SimeoniSandro Santucci

Composizione dei gruppi: Pisa

CaratterizzazioneSNOM e AFM

NanoRaman

40%20%30%30%30%

Maria AllegriniAntonio AmbrosioPietro GucciardiSalvatore PatanèOnofrio Maragò

Nota: uno SNOM verrà attrezzato e portato a Napoli per un uso locale.

Composizione dei gruppi: Salerno

Studio morfologicoSTM/AFM

Field emission ad altovuoto e alta risoluzionespaziale

40%30%30%

Annamaria CucoloFabrizio BobbaFilippo Giubileo

Collaboratori esterniIl Consorzio CREO è dotato di una camera pulita in classe 10000 con facilities ditecnologie in alto vuoto di tipo sputtering e ion beam deposition, reactive ionetching e ion beam etching; possiede forni per annealing ad alta temperatura ecuring di polimeri, nonchè una camera gialla per fotolitografia uv.Riguardo alle caratterizzazioni dei materiali, al CREO è possibile effettuareosservazioni al SEM e misure di proprietà ottiche nell’IR tramite FTIR.Il CREO ha una decennale esperienza riguardo alla realizzazione di sensori IRavanzatissimi sia fotonici che bolometrici e alle misure di segnale, S/N, tempi dirisposta dei sensori IR, nonché di imaging termico con termocamere (conrisoluzioni fino alle decine di micron), con attrezzature e competenze di altolivello.Negli ultimi anni si è sviluppata, inoltre, una capacità di simulazione termica e diprogettazione di sensori e dispositivi IR, in particolare sotto forma di dispositivi amicrobolometri.Il consorzio CREO è centro di ricerca di tipo aziendale della Finmeccanica ed hasede in L’Aquila Via Pile 60. Il direttore è il prof. Carlo Corsi. Parteciperebbe alprogetto come ente di ricerca esterno.Personale coinvolto: Carlo Corsi - Donatella Zintu

Centro di Ricerca e Sviluppo Coherentia

Michelangelo AmbrosioINFN- Sezione di NapoliSEDECaro Michelangelo,ti scrivo per confermarti l’interesse di Coherentia al Progetto “GINT” per losviluppo di nanotubi e relative tecnologie per la realizzazione di fotocatodi,fonorivelatori ed altri dispositivi di interesse INFN.Come sai nell’ambito di Coherentia esistono ulteriori e complementaricompetenze rispetto a quelle attualmente impegnate nel Progetto. Se, comespero ed auspico, il Progetto sara’ approvato, nel primo anno potremo da un latofornire un supporto operativo indiretto se si riterra’ utile, sia valutare meglio, sullabase dell’esperienzamaturata sul campo, l’effettiva utilita’ e possibilita’ di un successivo impegnodiretto. In questo ultimo caso dovremo naturalmente verificare le modalita’ piu’opportune per una formalizzazione istituzionale della nostra collaborazione .Ruggero VaglioDirettore, CoherentiaINFM

Lettera di intenti Prof.sa Enrica MezzettiPolitecnico di Torino

Contemporaneamente il gruppo di Discoli esprime interesse verso il ProgettoGINT per il 2007 in quanto ritiene che il readout sviluppato per Discoli possaessere applicato nell'ambito del progetto, mentre anche il know out acquisitopossa essere utile ad una dispositistica di rivelazione e di amplificazione(criogenica), per emettitori di campo o amplificatori a nanotubi.In particolare nell'ambito dell'attuale stato dell'arte in prospettiva il GruppoDiscoli sarebbe interessato a sviluppare emettitori di campo con canalesuperconduttivo, unendo i vantaggi della risoluzione e miniaturizzazione delnanotubo ai vantaggi assolutamente unici del superconduttore.Un'altra proposta che all'attuale stato dell'arte sembra molto interessantecome oggetto di studio per futura progettualità consiste in un dispositivo cheimplementi un "solid-state nanostructured electron entangler". Questodispositivo consiste in un nanotubo single-walled connesso ad entrambi gliestremi con elettrodi metallici e in mezzo un gate superconduttore. Taledispositivo agisce come beam splitter elettronico per elettroni correlatigenerati dal superconduttore stesso.Cordialmente,Enrica Mezzetti

Lettera di intenti dellaSTMicroelectronics

Milano, 14/07/2005

Gent.mo Prof. Ambrosio,Le scrivo per confermarLe l’interesse del gruppo PST-Post Silicon Technologydella STMicroelectronics al Progetto “GINT” per lo sviluppo di nanotubi e relativetecnologie per la realizzazione di fotocatodi, fonorivelatori ed altri dispositivi diinteresse comune.Come gia’ accennato telefonicamente dalla Dott.ssa Casuscelli, il nostro gruppoha gia’ una notevole attivita’ di ricerca nell’ambito dei Nanotubi di Carbonio, inparte in Italia ma soprattutto localizzata a Singapore, dove abbiamo stabilitoalleanze strategiche sia con Università che con Centri di Ricerca locali.Sperando di poterLa conoscere di persona,

Cordiali SalutiDott. GianGuido RizzottoDirector - Post Silicon Technology

Richieste 2006

39000

Apparati

90413520

2525.52012

15885

117.573

5.21.61.51.0

NapoliL’AquilaPisaSalerno

TotaleConsumoMEMIFE

39 18682.53628.59.3Totali

Spendibili nel 2005:

Inventario per stazione di field emission

Consumi per allestimento SNOM e per stazione di field emission

Previsione globale di spesa

393020

Apparati

186150140

82.56060

363535

28.52525

200520062007

TotaleConsumoMEMI

89 476202.510678.5Totali

GRAZIE PER LA VOSTRAGRAZIE PER LA VOSTRAATTENZIONEATTENZIONE

GINTGINTGruppo INFN per le Gruppo INFN per le NanoTecnologieNanoTecnologie

Plot di Fowler-Nordheim

Importanza della patternizzazione

Richieste Aquila

RichiesteNapoli - Pisa

RichiesteSalerno