Fabrication of high-k dielectric thin films for spintronics

Lo scopo di questa tesi è la fabbricazione di ossidi complessi aventi struttura perovskitica, per mezzo della tecnica Channel Spark Ablation (CSA). Più precisamente sono stati depositati film sottili di manganite (LSMO), SrTiO3 (STO) e NdGaO3 (NGO). Inoltre nel laboratorio ospite è stata effettuata la caratterizzazione elettrica e dielettrica (spettroscopia di impedenza), mentre per l'analisi strutturale e chimica ci si è avvalsi di collaborazioni. Sono stati fabbricati dispositivi LSMO/STO/Co e se ne è studiato il comportamento magnetoresistivo e la bistabilità elettrica a seconda del carattere epitassiale od amorfo dell'STO. I risultati più promettenti sono stati ottenuti con STO amorfo. Sono stati costruiti diversi set di condensatori nella configurazione Metallo/Isolante/Semiconduttore (MIS), con M=Au, I=STO o NGO ed S=Nb:STO, allo scopo di indagare la dipendenza delle proprietà dielettriche ed isolanti dai parametri di crescita. In particolare ci si è concentrati sulla temperatura di deposizione e, nel caso dei film di STO, anche sulla dipendenza della costante dielettrica dallo spessore del film. Come ci si aspettava, la costante dielettrica relativa dei film di STO (65 per un film spesso 40 nm e 175 per uno di 170 nm) si è rivelata maggiore di quella dei film di NGO per i quali abbiamo ottenuto un valore di 20, che coincide con il valore del bulk. Nonostante l'elevata capacità per unità di area ottenibile con l'STO, la costante dielettrica di questo materiale risulta fortemente dipendente dallo spessore del film. Un ulteriore aspetto critico relativo all'STO è dato dal livello di ossidazione del film: le vacanze di ossigeno, infatti, possono ridurre la resistività dell'STO (nominalmente molto elevata), ed aumentarne la corrente di perdita. Al contrario l'NGO è meno sensibile ai processi tecnologici e, allo stesso tempo, ha un valore di costante dielettrica più alto rispetto ad un tipico dielettrico come l'ossido di silicio.

Study of high-quality ALD gate dielectrics in radiation sensitive oxide field effect transistors

Radiation dosimetry is crucial in many fields, where the exposure of ionizing radiation must be precisely controlled to avoid health and environmental safety issues. Radiotherapy and radioprotection are two examples in which fast and reliable detectors are needed. Compact and large area wearable detectors are being developed to address real-life radiation dosimetry applications, their ideal properties include flexibility, lightness, and low-cost. This thesis contributed to the development of Radiation sensitive OXide Field Effect Transistors (ROXFETs), which are detectors able to provide fast and real-time radiation read out. ROXFETs are based on thin film transistors fabricated with high-mobility amorphous oxide semiconductor, making them compatible with large area, flexible, and low cost production over plastic substrates. The gate dielectric material has high dielectric constant and high atomic number, which results in high performances and high radiation sensitivity, respectively. The aim of this work was to establish a stable and reliable fabrication process for ROXFETs made with atomic layer deposited gate dielectric. A study on the effect of gate dielectric materials was performed, focusing the attention on the properties of the dielectric-semiconductor interface. Single and multi layer dielectric structures were compared during this work. Furthermore, the effect of annealing temperature was studied. The device performances were tested to understand the underlying physical processes. In this way, it was possible to determine a reliable fabrication procedure and an optimal structure for ROXFETs. An outstanding sensitivity of (65±3)V/Gy was measured in detectors with a bi-layer Ta₂O₅-Al₂O₃ gate dielectric with low temperature annealing performed at 180°C.

Space charge and dielectric response measurements to assess insulation aging of low-voltage cables used in nuclear power plants

The current design life of nuclear power plant (NPP) could potentially be extended to 80 years. During this extended plant life, all safety and operationally relevant Instrumentation & Control (I&C) systems are required to meet their designed performance requirements to ensure safe and reliable operation of the NPP, both during normal operation and subsequent to design base events. This in turn requires an adequate and documented qualification and aging management program. It is known that electrical insulation of I&C cables used in safety related circuits can degrade during their life, due to the aging effect of environmental stresses, such as temperature, radiation, vibration, etc., particularly if located in the containment area of the NPP. Thus several condition monitoring techniques are required to assess the state of the insulation. Such techniques can be used to establish a residual lifetime, based on the relationship between condition indicators and ageing stresses, hence, to support a preventive and effective maintenance program. The object of this thesis is to investigate potential electrical aging indicators (diagnostic markers) testing various I&C cable insulations subjected to an accelerated multi-stress (thermal and radiation) aging.

Characterization of a 3D-printed low-cost flexible dielectric material for the realization of innovative WPT wearable applications

The aim of this thesis is to demonstrate that 3D-printing technologies can be considered significantly attractive in the production of microwave devices and in the antenna design, with the intention of making them lightweight, cheaper, and easily integrable for the production of wireless, battery-free, and wearable devices for vital signals monitoring. In this work, a new 3D-printable, low-cost resin material, the Flexible80A, is proposed as RF substrate in the implementation of a rectifying antenna (rectenna) operating at 2.45 GHz for wireless power transfer. A careful and accurate electromagnetic characterization of the abovementioned material, revealing it to be a very lossy substrate, has paved the way for the investigation of innovative transmission line and antenna layouts, as well as etching techniques, possible thanks to the design freedom enabled by 3D-printing technologies with the aim of improving the wave propagation performance within lossy materials. This analysis is crucial in the design process of a patch antenna, meant to be successively connected to the rectifier. In fact, many different patch antenna layouts are explored varying the antenna dimensions, the substrate etchings shape and position, the feeding line technology, and the operating frequency. Before dealing with the rectification stage of the rectenna design, the hot and long-discussed topic of the equivalent receiving antenna circuit representation is addressed, providing an overview of the interpretation of different authors about the issue, and the position that has been adopted in this thesis. Furthermore, two rectenna designs are proposed and simulated with the aim of minimizing the dielectric losses. Finally, a prototype of a rectenna with the antenna conjugate matched to the rectifier, operating at 2.45 GHz, has been fabricated with adhesive copper on a substrate sample of Flexible80A and measured, in order to validate the simulated results.

Production and Electrical Characterization of Low Density Polyethylene-based Micro- and Nano-dielectrics containing Graphene Oxide, Functionalized Graphene and Carbon Black additives

Oggigiorno la ricerca di nuovi materiali per gradatori di campo da impiegarsi in accessori di cavi ha iniziato a studiare alcuni materiali nano dielettrici con proprietà elettriche non lineari con la tensione ed aventi proprietà migliorate rispetto al materiale base. Per questo motivo in questo elaborato si sono studiati materiali nanostrutturati a base di polietilene a bassa densità (LDPE) contenenti nano polveri di grafene funzionalizzato (G*), ossido di grafene (GO) e carbon black (CB). Il primo obiettivo è stato quello di selezionare e ottimizzare i metodi di fabbricazione dei provini. La procedura di produzione è suddivisa in due parti. Nella prima parte è stata utilizzatala tecnica del ball-milling, mentre nella seconda un pressa termica (thermal pressing). Mediante la spettroscopia dielettrica a banda larga (BDS) si sono misurate le componenti reali e immaginarie della permettività e il modulo della conducibilità del materiale, in tensione alternata. Il miglioramento delle proprietà rispetto al provino di base composto dal solo polietilene si sono ottenute quando il quantitativo delle nanopolveri era maggiore. Le misure sono state effettuate sia a 3 V che a 1 kV. Attraverso misurazioni di termogravimetria (TGA) si è osservato l’aumento della resistenza termica di tutti i provini, soprattutto nel caso quando la % di nanopolveri è maggiore. Per i provini LDPE + 0.3 wt% GO e LDPE + 0.3 wt% G* si è misurata la resistenza alle scariche parziali attraverso la valutazione dell’erosione superficiale dei provini. Per il provino contenente G* è stato registrato una diminuzione del 22% del volume eroso, rispetto al materiale base, mentre per quello contenente GO non vi sono state variazioni significative. Infine si è ricercata la resistenza al breakdown di questi ultimi tre provini sopra citati. Per la caratterizzazione si è fatto uso della distribuzione di Weibull. Lo scale parameter α risulta aumentare solo per il provino LDPE + 0.3 wt% G*.