Caratterizzazione Rivelatori a Nanotubi di Carbonio

1. LAUREA MAGISTRALE IN FISICA CORSO DI LABORATORIO DI FISICA AA 2012/2013 Proposta di esperienza di laboratorio Caratterizzazione Rivelatori a Nanotubi di Carbonio Marco Cilmo e Carla Aramo (08-11-2012)

2. Esperimenti GINT(Gruppo INFN per le NanoTecnologie) SinPhoNIA(Single PhotonNanotechnologyInnovative Approach) PARIDE (Pixel Array for Radiation Imaging DEtector) • INFN & Università de • L’Aquila • Bari • Napoli • Perugia • Roma 2

3. Un domino 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 SumioIijima ha scopertoiNanotubidiCarbonio

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) Armchairm=n (b) Zig-zag n=0 (c) Chiral m≠n

5. Tipi dinanotubi 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 Sintesidei 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 (chemicalvapourdeposition – deposito chimico in fase vapore). L'idea di base di questa tecnica è quella di inviare una sorgente gassosa di C2H2in un reattore riscaldato. Catalizzatore: Ni 30 Å Temperatura: 500-700 °C

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

9. Caratteristichedei CNT • Diametroesterno: 15 – 25 nm • Diametrointerno: 5 – 10 nm • Numeromediodi CNT: 10 – 15

10. 40 mm per cell

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

13. Etero-giunzioneCNT-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 A629 (2011), 377-381

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 Breakdrown @ >100 V A. Ambrosio, C. Aramoet al: “Innovative carbonnanotube-siliconlarge area photodetector”, 2012 JINST7 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 Breakdrown @ >100 V A. Ambrosio, C. Aramoet al: “Innovative carbonnanotube-siliconlarge area photodetector”, 2012 JINST7 P08013

16. Efficienza Quantica Maggiore T di crescita Maggiore risposta verso l’UV Nota: Il substrato di silicio è lo stesso! A. Ambrosio, C. Aramoet al: “Innovative carbonnanotube-siliconlarge area photodetector”, 2012 JINST7 P08013

17. Modello circuitale del rivelatore n-Silicon A V Per il campione C2 si ha: D1: dove, I01 = 1.505x10-6 A edα1 = 6V-1 D2: dove, I02 = 1.192x10-8 A edα2 = 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 edα1 = 15 V-1 D2: dove, I02 = 1.192x10-8 A edα2 = 0.72 V-1 Rsh1 = 168MΩ Rsh2 = 10 MΩ Rs= 41 kΩ

18. Simulazione del circuito C2 @500°C Simboli = Valori misurati Linee continue = Valori simulati D @700°C Lavoro in corso di pubblicazione Conferma del modello ipotizzato!

19. Applicazioni: Fisica Astroparticellare

20. Telescopi di fluorescenza in Auger

21. Conclusioni e prospettive • E’ statosviluppato un nuovorivelatorediradiazioneelettromagneticabasatosuSilicio e CNT. • Le principalicaratteristichesono: • Bassacorrentedibuio • Plateau estesi • Rispostalinearedi I vs P • Stabile a temperaturaambiente • Efficienzaquanticaindipendentedallaintensitàdellaradiazione, dipendentedallafrequenzadellaluce e dallatemperaturadicrescitadei CNT • Il Coating del layer di CNT è statofatto con unostratodi ITO (Indium Tin Oxide) • Elevatarobustezza e nessundeterioramentodellecaratteristiche, anziaumentodelle performance! Ora con i CNT è possibile: Crearedeifotocatodidilarghissima area Ottenerefacilmentesuperficipixellate Pixels didimensioni sub-micrometriche Futuroprossimo: Collaborazione con FBK per svilupparesubstratodisilicio con strutturaamplificantetipoSiPM Realizzare un rivelatore “Single Photon” altamentepixellatosensibiledall’UVall’IR.

22. 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 • Risposta alla luce impulsata (Valutare i tempi di salita e discesa, valutare la capacità della etero-giunzione in funzione della tensione applicata)

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

24. Risposta alla radiazione impulsataApparato sperimentale 2 Campione Laser 378nm impulsato Controllo laser V=cost Trigger esterno Generazione di un file ASCII 50Ω Oscilloscopio Analisi dei dati

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

26. Qualche riferimento A. Ambrosio, C. Aramoet al: “Innovative carbonnanotube-siliconlarge area photodetector”, 2012 JINST 7 P08013 A. Tinti et al: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 629 (2011), 377-381 Workshop Napoli - November, 22-23 2012 - Centro Congressi Federico II Aula A - Via Partenope, 36 - 80121 – Napoli: “Luminometryand IP beam monitors for high luminosity Flavour Factories: techniques and detectors” Per ulteriori informazioni non esitate a contattare cilmo@na.infn.it aramo@na.infn.it GRAZIE

27. Backup

28. CNT cresciutisusubstratidizaffiro A. Ambrosio et al: “A prototype of a Carbon Nanotubemicrostrip radiation detector”, NIM A 589 (2008) 398–403

29. Misura della caratteristica Volt-AmperometricaApparato 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