Synthesis and characterization of metal-chalcogenide MQ 2-Nanoparticles (M = Mo, W, Zr; Q = S, O)

Here, we present the adaptation and optimization of (i) the solvothermal and (ii) the metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) approach as simple methods for the high-yield synthesis of MQ2 (M=Mo, W, Zr; Q = O, S) nanoparticles. Extensive characterization was carried out using X-ray diffraction (XRD), scanning and transmission electron micros¬copy (SEM/TEM) combined with energy dispersive X-ray analysis (EDXA), Raman spectroscopy, thermal analyses (DTA/TG), small angle X-ray scattering (SAXS) and BET measurements. After a general introduction to the state of the art, a simple route to nanostructured MoS2 based on the decomposition of the cluster-based precursor (NH4)2Mo3S13∙xH2O under solvothermal conditions (toluene, 653 K) is presented. Solvothermal decomposition results in nanostructured material that is distinct from the material obtained by decomposition of the same precursor in sealed quartz tubes at the same temperature. When carried out in the presence of the surfactant cetyltrimethyl¬ammonium bromide (CTAB), the decomposition product exhibits highly disordered MoS2 lamellae with high surface areas. The synthesis of WS2 onion-like nanoparticles by means of a single-step MOCVD process is discussed. Furthermore, the results of the successful transfer of the two-step MO¬CVD based synthesis of MoQ2 nanoparticles (Q = S, Se), comprising the formation of amorphous precursor particles and followed by the formation of fullerene-like particles in a subsequent annealing step to the W-S system, are presented. Based on a study of the temperature dependence of the reactions a set of conditions for the formation of onion-like structures in a one-step reaction could be derived. The MOCVD approach allows a selective synthesis of open and filled fullerene-like chalcogenide nanoparticles. An in situ heating stage transmission electron microscopy (TEM) study was employed to comparatively investigate the growth mechanism of MoS2 and WS2 nanoparticles obtained from MOCVD upon annealing. Round, mainly amorphous particles in the pristine sample trans¬form to hollow onion-like particles upon annealing. A significant difference between both compounds could be demonstrated in their crystallization conduct. Finally, the results of the in situ hea¬ting experiments are compared to those obtained from an ex situ annealing process under Ar. Eventually, a low temperature synthesis of monodisperse ZrO2 nanoparticles with diameters of ~ 8 nm is introduced. Whereas the solvent could be omitted, the synthesis in an autoclave is crucial for gaining nano-sized (n) ZrO2 by thermal decomposition of Zr(C2O4)2. The n-ZrO2 particles exhibits high specific surface areas (up to 385 m2/g) which make them promising candidates as catalysts and catalyst supports. Co-existence of m- and t-ZrO2 nano-particles of 6-9 nm in diameter, i.e. above the critical particle size of 6 nm, demonstrates that the particle size is not the only factor for stabilization of the t-ZrO2 modification at room temperature. In conclusion, synthesis within an autoclave (with and without solvent) and the MOCVD process could be successfully adapted to the synthesis of MoS2, WS2 and ZrO2 nanoparticles. A comparative in situ heating stage TEM study elucidated the growth mechanism of MoS2 and WS2 fullerene-like particles. As the general processes are similar, a transfer of this synthesis approach to other layered transition metal chalcogenide systems is to be expected. Application of the obtained nanomaterials as lubricants (MoS2, WS2) or as dental filling materials (ZrO2) is currently under investigation.

Studio delle proprieta ottiche di film di silicon oxynitrides (sion) per applicazioni fotovoltaiche

Nelle celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer) attualmente in circolazione il materiale maggiormente utilizzato è sicuramente il silicio, per la sua buona caratteristica di assorbimento e disponibilità in natura. Tuttavia, la struttura amorfa del silicio impiegato come emettitore, limita fortemente la conducibilità e aumenta gli effetti di degradazione legati all'esposizione alla luce. In quest'ottica, nel presente lavoro di tesi, vengono analizzati sottili layers di Silicon Oxynitride ossigenato, depositati in forma nanocristallina presso l'Università di Costanza su substrati in vetro, tramite PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Il materiale, che non presenta i difetti intrinseci della forma amorfa, è dal punto di vista delle proprietà fisiche fondamentali ancora poco conosciuto e rappresenta una possibile alternativa agli analoghi campioni in forma amorfa. Le misure e le analisi presentate in questa tesi, svolte presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna, sono finalizzate ad indagare le principali proprietà ottiche, quali l'energy gap e l'indice di rifrazione dei layers. I risultati ottenuti, espressi in funzione dei parametri di deposizione, mostrano che un aumento della concentrazione di ossigeno in fase di deposito implica un aumento lineare dell'ampiezza dell'energy gap e un calo dell'indice di rifrazione. Anche altri parametri come la potenza di deposito e il tempo di annealing sembrano giocare un ruolo importante sul valore dell'energy gap. I risultati appaiono inoltre essere in buon accordo con quanto ottenuto da studi precedenti su layers simili ma con una maggiore fase amorfa. In conclusione, la possibilità di regolare il valore dell'energy gap e l'indice di rifrazione in base ai parametri di deposizione, unita alle buone prerogative tipiche dei materiali cristallini, conferisce al materiale buone prospettive per applicazioni fotovoltaiche come emettitori in celle ad eterogiunzione o rivestimenti con proprietà antiriflettenti

Core-shell particles and their application for superhydrophobic surfaces

During the last years great effort has been devoted to the fabrication of superhydrophobic surfaces because of their self-cleaning properties. A water drop on a superhydrophobic surface rolls off even at inclinations of only a few degrees while taking up contaminants encountered on its way. rnSuperhydrophobic, self-cleaning coatings are desirable for convenient and cost-effective maintenance of a variety of surfaces. Ideally, such coatings should be easy to make and apply, mechanically resistant, and long-term stable. None of the existing methods have yet mastered the challenge of meeting all of these criteria.rnSuperhydrophobicity is associated with surface roughness. The lotus leave, with its dual scale roughness, is one of the most efficient examples of superhydrophobic surface. This thesis work proposes a novel technique to prepare superhydrophobic surfaces that introduces the two length scale roughness by growing silica particles (~100 nm in diameter) onto micrometer-sized polystyrene particles using the well-established Stöber synthesis. Mechanical resistance is conferred to the resulting “raspberries” by the synthesis of a thin silica shell on their surface. Besides of being easy to make and handle, these particles offer the possibility for improving suitability or technical applications: since they disperse in water, multi-layers can be prepared on substrates by simple drop casting even on surfaces with grooves and slots. The solution of the main problem – stabilizing the multilayer – also lies in the design of the particles: the shells – although mechanically stable – are porous enough to allow for leakage of polystyrene from the core. Under tetrahydrofuran vapor polystyrene bridges form between the particles that render the multilayer-film stable. rnMulti-layers are good candidate to design surfaces whose roughness is preserved after scratch. If the top-most layer is removed, the roughness can still be ensured by the underlying layer.rnAfter hydrophobization by chemical vapor deposition (CVD) of a semi-fluorinated silane, the surfaces are superhydrophobic with a tilting angle of a few degrees. rnrnrn

Proprieta elettriche e ottiche di film di ge impiantati con sn.

In questo lavoro di tesi vengono studiate le proprietà ottiche ed elettriche di film sottili di germanio, impiantati con ioni stagno. I campioni, realizzati tramite tecnica CVD (\emph{Chemical Vapor Deposition}), sono stati realizzati in condizioni operative differenti, il che ha permesso di ottenere materiali con proprietà strutturali e fisiche diverse. Si è posta particolare attenzione alla presenza di strutture nanoporose, presenti in alcuni di questi campioni, che possono dar vita ad effetti di confinamento quantico, associato ad uno spostamento dell'energy gap rispetto al materiale bulk. Le analisi sono state effettuate sia tramite misure SPV (\emph{Surface Photovoltage}), che hanno permesso di indagare le proprietà ottiche, sia tramite tecnica IV (\emph{corrente-tensione}), volta ad evidenziare le proprietà elettriche dei diversi campioni. I risultati ottenuti sono, infine, stati confrontati con un campione di riferimento di film di germanio non impiantato, mettendone in luce le differenze strutturali e fisiche. Lo studio di questo materiale, oltre ad avere un'importanza di carattere fondamentale, è di interesse anche per le possibili ricadute applicative. Infatti, i materiali nanoporosi possono essere impiegati in vari campi, come ad esempio nell'elettronica, nello sviluppo di pannelli fotovoltaici e nella purificazione di gas e liquidi.

Hyperbranched polyether polyols as building blocks for complex macromolecular architectures

The present thesis deals with the development of new branched polymer architectures containing hyperbranched polyglycerol. Materials investigated include hyperbranched oligomers, hyperbranched polyglycerols containing functional initiator-cores at the focal point, well-defined linear-hyperbranched block copolymers and also negatively charged hyperbranched polyelectrolytes.rnHyperbranched oligoglycerols (DPn = 7 and 14) have been synthesized for the first time. The materials show narrow polydispersity (Mw/Mn ca. 1.45) and a very low content in cyclic homopolymers. 13C NMR evidences the dendritic structure of the oligomers and the DB could be calculated (44% and 52%). These new oligoglycerols were compared with the industrial products obtained by polycondensation which exhibit narrow polydispersity (Mw/Mn<1.3) butrnmultimodal distribution in SEC. Detailed 13C NMR and Maldi-ToF studies reveal the presence of branched units and cyclic compounds. In comparison, the hyperbranched oligoglycerols comprise a very low proportion of cyclic homopolymer which render them very interesting materials for biomedical applications for example.rnThe site isolation of the core moiety in dendritic structure offers intriguing potential with respect to peculiar electro-optical properties. Various initiator-cores (n-alkyl amines, UVabsorbing amines and benzophenone) for the ROMBP of glycidol have been tested. The bisglycidolized amine initiator-cores show the best control over the molecular weight and the molecular weight distribution. The photochemical analyses of the naphthalene containingrnhyperbranched polyglycerols show a slight red shift, a pronounced hypochromic effect (decrease of the intensity of the band) compared with the parent model compound and the formation of a relative compact structure. The benzophenone containing polymers adopt an open structure in polar solvents. The fluorescence measurements show a clear “dendritic effect” on the fluorescence intensities and the quantum yield of the encapsulated benzophenone.rnA convenient 3-step strategy has been developed for the preparation of well-defined amphiphilic, linear-hyperbranched block copolymers via hypergrafting. The procedure represents a combination of carbanionic polymerization with the alkoxide-based, controlled ring-opening multibranching polymerization of glycidol. Materials consisting of a polystyrene linear block and a hyperbranched polyglycerol block exhibit narrow polydispersity (1.01-1.02rnfor 5.4% to 27% wt. PG and 1.74 for 52% wt. PG) with a high grafting efficiency. The strategy was also extended to materials with a linear polyisoprene block.rnDetailed investigations of the solution properties of the block copolymers with linear polystyrene blocks show that block copolymer micelles are stabilized by the highly branched block. The morphology of the aggregates is depending on the solvent: in chloroform monodisperse spherical shape aggregates and in toluene ellipsoidal aggregates are formed. On graphite these aggregates show interesting features, giving promising potential applications with respect to the presence of a very dense, functional and stable hyperbranched block.rnThe bulk morphology of the linear-hyperbranched block copolymers has been investigated. The materials with a linear polyisoprene block only behave like complex liquids due to the low Tg and the disordered nature of both components. For the materials with polystyrene, only the sample with 27% wt. hyperbranched polyglycerol forms some domains showing lamellae.rnThe preparation of hyperbranched polyelectrolytes was achieved by post-modification of the hydroxyl groups via Michael addition of acrylonitrile, followed by hydrolysis. In aqueous solution materials form large aggregates with size depending on the pH value. After deposition on mica the structures observed by AFM show the coexistence of aggregates andrnunimers. For the low molecular weight sample (PG 520 g·mol-1) extended and highly ordered terrace structures were observed. Materials were also successfully employed for the fabrication of composite organic-inorganic multilayer thin films, using electrostatic layer-bylayer self-assembly coupled with chemical vapor deposition.

Film di silicon oxinitride (sion) per applicazioni fotovoltaiche, studio di transizioni ottiche.

I materiali per applicazioni fotovoltaiche hanno destato un interesse crescente nella comunità scienti�ca negli ultimi decenni. Le celle HIT (Het- erojunction Intrinsic Thin Layer ) sono dispositivi di ultima generazione che hanno raggiunto e�cienza elevata mantenendo bassi i costi di pro- duzione, e impiegano silicio amorfo (a-Si) come strato emettitore per il suo buon assorbimento della luce e silicio cristallino come regione attiva. La struttura amorfa del silicio presenta però una bassa conducibilità, oltre ad e�etti di degradazione che limitano considerevolmente la durevolezza di una cella. Per questo motivo si stanno cercando possibili alternative al silicio amorfo, in particolare strutture multifase e composti di silicio, ossigeno ed azoto. In questo lavoro sono esposti i risultati dell'analisi di sottili lay- er di Silicon Oxynitride ossigenato (SiOx Ny :H), in forma microcristallina, deposti tramite PECVD (P lasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) su vetro presso l'università di Costanza. La forma microcristallina è una distribuzione di agglomerati cristallini dell'ordine di grandezza di un mi- crometro in una matrice di silicio amorfo, e attualmente le sue proprietà ottiche ed elettroniche non sono ancora state studiate in maniera appro- fondita. Nonostante ciò, è invece evidente che la fase microstallina non presenta tanti difetti intrinseci come la forma amorfa e ne è quindi una val- ida alternativa. In questa ottica, si è svolto uno studio sperimentale delle proprietà ottiche di layers in forma microcristallina di SiOx Ny :H, quali la misura del gap energetico. I risultati sperimentali, volti a trovare la dipen- denza delle caratteristiche dai parametri di deposizione dei layers, hanno mostrato una riduzione del gap energetico con la concentrazione di N2 O, uno dei gas precursori utilizzati nella deposizione dei layers in camera di processo. In conclusione si può dire che il μc−SiOx Ny :H ha le buone carat- teristiche tipiche dei semiconduttori cristallini, che unite alla possibilità di regolare il valore del gap energetico in base alle scelte in fase di deposizione, gli conferisce buone prospettive per applicazioni in celle fotovoltaiche, come emettitore in celle ad eterogiunzione.

Integrazione tecnologica di grafene cresciuto per deposizione chimica da fase vapore per applicazioni termiche e termoelettriche

L’obiettivo del lavoro di tesi è quello di studiare l’integrazione del grafene con i processi tecnologici propri della tecnologia del silicio, per la realizzazione di dispositivi innovativi per la misura delle proprietà termiche e termoelettriche del grafene che sono tra le meno studiate ad oggi. L’attività sperimentale svolta, ha riguardato l’intero processo di produzione, processing ed integrazione tecnologica del grafene. Da una parte è stato messo a punto un processo ottimizzato, partendo da una approfondita ricerca bibliografica, per il trasferimento delle membrane dai substrati di crescita, in rame, a quelli di destinazione, SiO2 e Si3N4, mantenendo la completa compatibilità con i processi della microelettronica del silicio in particolare per quanto riguarda l’eliminazione dei residui metallici dalla sintesi. Dall’altra è stata sviluppata una procedura di patterning micrometrico del grafene, affidabile e riproducibile, e, soprattutto, compatibile con la microelettronica del silicio. Le membrane, cresciute tramite deposizione da fase vapore (Chemical Vapor Deposition), sono state caratterizzate tramite la microscopia elettronica, a scansione e in trasmissione, la microscopia ottica, spettroscopia Raman e microscopia a forza atomica, tecniche che sono state utilizzate per caratterizzare i campioni durante l'intero processo di patterning. Il processo di etching del grafene in ossigeno, realizzato con il plasma cleaner, strumento che nasce per la pulizia di campioni per microscopia elettronica, è stato messo a punto il attraverso una estesa attività di test sia dei parametri di funzionamento dello strumento che del fotoresist da utilizzare. La procedura di patterning micrometrico vera e propria, ha comportato di affrontare diverse classi di problemi, dalla rimozione del fotoresist con soluzioni diverse (soluzione di sviluppo dedicata e/o acetone) alla rimozione dei residui presenti sulle membrane di grafene anche a valle del patterning stesso. La rimozione dei residui tramite acido cloridrico, insieme ad una procedura di annealing a 400°C in aria per la rimozione dei residui del fotoresist polimerico che erano presenti a valle dell’etching in ossigeno, ha permesso di ottenere un patterning del grafene ben definito su scala micrometrica e una ridottissima presenza di residui. Le procedure ottimizzate di trasferimento e di patterning sono il principale avanzamento rispetto allo stato dell’arte. Le metodiche messe a punto in questo lavoro, consentiranno di integrare il grafene direttamente nel processo di micro-fabbricazione di dispositivi per misure termiche e termoelettriche, per i quali quali sono in realizzazione le maschere di processo che rappresentando la naturale conclusione del lavoro di tesi.

Proprietà ottiche di film sottili a base di silicio per applicazioni fotovoltaiche

Questa tesi ha come obiettivo quello di misurare la dipendenza spettrale di alcune proprietà ottiche, come trasmittanza e riflettanza, al fine di ricavare l’energy gap di film sottili costituiti da nanocrystalline silicon oxynitride (nc-SiOxNy) per applicazioni in celle solari HIT (Heterojunction Intrinsic Thin layer). Questi campioni sono stati depositati presso l’Università di Konstanz (Germania) tramite tecnica PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition). Questo materiale risulta ancora poco conosciuto per quanto riguarda le proprietà optoelettroniche e potrebbe presentare una valida alternativa a silicio amorfo (a-Si) e ossido di silicio idrogenato amorfo (a-SiOx:H) che sono attualmente utilizzati in questo campo. Le misure sono state effettuate presso i laboratori del Dipartimento di Fisica e Astronomia, settore di Fisica della Materia, dell’Università di Bologna. I risultati ottenuti mostrano che i campioni che non hanno subito alcun trattamento termico (annealing) presentano un energy gap che cresce linearmente rispetto alla diluizione di protossido di azoto in percentuale. Nei campioni analizzati sottoposto ad annealing a 800°C si è osservato un aumento dell’Eg dopo il trattamento. Un risultato ottimale consiste in un gap energetico maggiore di quello del silicio amorfo (a-Si) e del silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), attualmente utilizzati in questa tipologia di celle, per evitare che questo layer assorba la luce solare che deve invece essere trasmessa al silicio sottostante. Per questo motivo i valori ottenuti risultano molto promettenti per future applicazioni fotovoltaiche.

Criticità nel trasferimento di grafene prodotto da CVD su rame

Il grafene è un cristallo bidimensionale composto da uno strato monoatomico planare di atomi di carbonio ibridizzati sp2. In ogni modo, il perfezionamento delle tecniche di produzione e di trasferimento del materiale è a tutt’oggi una attività di ricerca alla frontiera, e in questo contesto si è inserito il mio lavoro di tesi. Svolto nella sede di Bologna dell’Istituto per la Microelettronica ed i Microsistemi del Consiglio Nazionale delle Ricerche (IMM-CNR), ha avuto un duplice obiettivo. Il primo è stato quello di studiare la procedura di trasferimento su un wafer di ossido di silicio (SiO2) del grafene cresciuto per deposizione chimica da fase vapore (chemical vapor deposition) su rame normalmente impiegata in laboratorio. Il secondo è stato invece quello di proporre e verificare possibili modifiche con lo scopo di provare a risolvere uno dei problemi che ci si è trovati ad affrontare, nello specifico l’elevato numero di danni strutturali e di rotture indotti nella membrana trasferita. Dopo un capitolo iniziale di introduzione alla teoria ed alle proprietà fisiche del grafene, nel secondo verranno illustrate le tecniche principali con le quali attualmente si produce il materiale, con un focus particolare sulla chemical vapor deposition, tecnica impiegata all’IMM, e da me seguita per la produzione dei campioni da studiare. Il terzo capitolo tratterà nel dettaglio il processo di trasferimento dal substrato di crescita a quello finale, realizzato attraverso uno strato sacrificale di PMMA. Dopo una descrizione approfondita dei singoli passaggi, verrà mostrato il confronto tra i risultati ottenuti su campioni di grafene traferiti su ossido di silicio, con la tecnica inizialmente adottata e quella modificata. Come verrà discusso, nonostante non tutti problemi siano stati risolti, le modifiche apportante al processo di trasferimento hanno permesso di raggiungere l’obiettivo iniziale, cioè di migliorare in modo apprezzabile la qualità della pellicola dal punto di vista dell’integrità strutturale.

Nano-scale morphological and electrical characterization of nc-SiOxNy thin layers for photovoltaic applications

Il presente lavoro di tesi propone uno studio approfondito di proprietà morfologiche e di trasporto di carica di film sottili di SiOxNy amorfi (a-SiOxNy) e nanocristallini (nc-SiOxNy), che trovano importanti applicazioni in celle fotovoltaiche ad eterogiunzione in silicio, ad alta efficienza. Lo studio è condotto mediante caratterizzazione elettrica e morfologica attraverso tecniche di microscopia a forza atomica (AFM). Sono stati studiati campioni di a-SiOxNy cresciuti con tecnica PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), in cui è stata variata unicamente la distanza tra gli elettrodi durante la deposizione. Sono stati inoltre studiati campioni di nc-SiOxNy, cresciuti con PECVD con una differente percentuale di N2O come gas precursore e un differente tempo di annealing. In entrambi i casi si tratta di un materiale innovativo, le cui proprietà fisiche di base, nonostante le numerose applicazioni, sono ancora poco studiate. L'analisi morfologica, condotta mediante AFM e successiva analisi statistica delle immagini, ha permesso di determinare alcune proprietà morfologiche dei campioni. L’analisi statistica delle immagini è stata validata, dimostrandosi stabile e consistente per lo studio di queste strutture. Lo studio delle proprietà di trasporto è stato condotto mediante acquisizione di mappe di corrente con tecnica conductive-AFM. In questo modo si è ottenuta una mappa di conducibilità locale nanometrica, che permette di comprendere come avviene il trasporto nel materiale. L'analisi di questo materiale mediante tecniche AFM ha permesso di evidenziare che l'annealing produce nei materiali nanocristallini sia un clustering della struttura, sia un significativo aumento della conducibilità locale del materiale. Inoltre la distanza tra gli elettrodi in fase di deposizione ha un leggero effetto sulle dimensioni dei grani. È da notare inoltre che su questi campioni si sono osservate variazioni locali della conducibilità alla nanoscala. L’analisi delle proprietà dei materiali alla nanoscala ha contribuito alla comprensione più approfondita della morfologia e dei meccanismi di trasporto elettronico.

Grafene: proprietà, sintesi e trasferimento con il ciclododecano

Il grafene è un cristallo bidimensionale di atomi di carbonio, isolato per la prima volta nel 2004 da due fisici che per questo risultato vinsero il premio Nobel per la Fisica nel 2010. Il grafene possiede proprietà chimiche e fisiche superiori, quali un’elevata resistenza chimica e meccanica e un’eccellente conducibilità termica ed elettrica. Inoltre possiede altre due caratteristiche che lo rendono particolarmente promettente in diversi ambiti applicativi: leggerezza e trasparenza ottica. In questo elaborato ho descritto le attività svolte seguendo le ricerche che vengono svolte al CNR-IMM di Bologna, dove questo materiale viene prodotto tramite la tecnica di Chemical Vapor Deposition e studiato per l’integrazione in dispositivi elettronici ed elettro-meccanici innovativi. Durante la mia esperienza di laboratorio all’IMM ho seguito i procedimenti che portano al trasferimento del grafene sintetizzato su substrati catalitici di rame sui substrati finali per la successiva integrazione nella tecnologia del silicio. Nell’elaborato vengono da prima descritte la struttura cristallina ed elettronica e successivamente presentate alcune proprietà di cui gode e messe in relazione con i materiali attualmente in uso. Segue una breve trattazione bibliografica di alcune delle principali tecniche di produzione del grafene, trattando più nel dettaglio la tecnica CVD attualmente in uso per la sintesi di grafene all’interno dei laboratori del CNR-IMM di Bologna. La parte principale di questa esperienza di laboratorio è stato di seguire in prima persona le attuali ricerche del gruppo di lavoro per la messa a punto di un metodo alternativo che utilizza il ciclododecano per il trasferimento del grafene sintetizzato su rame al posto del classico strato sacrificale polimerico di PMMA. Nell’elaborato il confronto tra le due tecniche viene eseguito confrontando i risultati del trasferimento analizzando la morfologia dei campioni finali con tecniche di microscopia elettronica in scansione

Growth, modification and integration of carbon nanotubes into molecular electronics

Molecules are the smallest possible elements for electronic devices, with active elements for such devices typically a few Angstroms in footprint area. Owing to the possibility of producing ultrahigh density devices, tremendous effort has been invested in producing electronic junctions by using various types of molecules. The major issues for molecular electronics include (1) developing an effective scheme to connect molecules with the present micro- and nano-technology, (2) increasing the lifetime and stabilities of the devices, and (3) increasing their performance in comparison to the state-of-the-art devices. In this work, we attempt to use carbon nanotubes (CNTs) as the interconnecting nanoelectrodes between molecules and microelectrodes. The ultimate goal is to use two individual CNTs to sandwich molecules in a cross-bar configuration while having these CNTs connected with microelectrodes such that the junction displays the electronic character of the molecule chosen. We have successfully developed an effective scheme to connect molecules with CNTs, which is scalable to arrays of molecular electronic devices. To realize this far reaching goal, the following technical topics have been investigated. 1. Synthesis of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) by thermal chemical vapor deposition (T-CVD) and plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) techniques (Chapter 3). We have evaluated the potential use of tubular and bamboo-like MWCNTs grown by T-CVD and PE-CVD in terms of their structural properties. 2. Horizontal dispersion of MWCNTs with and without surfactants, and the integration of MWCNTs to microelectrodes using deposition by dielectrophoresis (DEP) (Chapter 4). We have systematically studied the use of surfactant molecules to disperse and horizontally align MWCNTs on substrates. In addition, DEP is shown to produce impurityfree placement of MWCNTs, forming connections between microelectrodes. We demonstrate the deposition density is tunable by both AC field strength and AC field frequency. 3. Etching of MWCNTs for the impurity-free nanoelectrodes (Chapter 5). We show that the residual Ni catalyst on MWCNTs can be removed by acid etching; the tip removal and collapsing of tubes into pyramids enhances the stability of field emission from the tube arrays. The acid-etching process can be used to functionalize the MWCNTs, which was used to make our initial CNT-nanoelectrode glucose sensors. Finally, lessons learned trying to perform spectroscopic analysis of the functionalized MWCNTs were vital for designing our final devices. 4. Molecular junction design and electrochemical synthesis of biphenyl molecules on carbon microelectrodes for all-carbon molecular devices (Chapter 6). Utilizing the experience gained on the work done so far, our final device design is described. We demonstrate the capability of preparing patterned glassy carbon films to serve as the bottom electrode in the new geometry. However, the molecular switching behavior of biphenyl was not observed by scanning tunneling microscopy (STM), mercury drop or fabricated glassy carbon/biphenyl/MWCNT junctions. Either the density of these molecules is not optimum for effective integration of devices using MWCNTs as the nanoelectrodes, or an electroactive contaminant was reduced instead of the ionic biphenyl species. 5. Self-assembly of octadecanethiol (ODT) molecules on gold microelectrodes for functional molecular devices (Chapter 7). We have realized an effective scheme to produce Au/ODT/MWCNT junctions by spanning MWCNTs across ODT-functionalized microelectrodes. A percentage of the resulting junctions retain the expected character of an ODT monolayer. While the process is not yet optimized, our successful junctions show that molecular electronic devices can be fabricated using simple processes such as photolithography, self-assembled monolayers and dielectrophoresis.

PMMA-CNT matrices for vacuum electronic, biosensing and energy applications

Carbon nanotubes (CNTs) are interesting materials with extraordinary properties for various applications. Here, vertically-aligned multiwalled CNTs (VA-MWCNTs) are grown by our dual radio frequency plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). After optimizing the synthesis processes, these VA-MWCNTs were fabricated in to a series of devices for applications in vacuum electronics, glucose biosensors, glucose biofuel cells, and supercapacitors In particular, we have created the so-called PMMA-CNT matrices (opened-tip CNTs embedded in poly-methyl methacrylate) that are promising components in a novel energy sensing, generation and storage (SGS) system that integrate glucose biosensors, biofuel cells, and supercapacitors. The content of this thesis work is described as follows: 1. We have first optimized the synthesis of VA-MWCNTs by our PECVD technique. The effects of CH4 flow rate and growth duration on the lengths of these CNTs were studied. 2. We have characterized these VA-MWCNTs for electron field emission. We noticed that as grown CNTs suffers from high emission threshold, poor emission density and poor long-term stability. We attempted a series of experiments to understand ways to overcome these problems. First, we decrease the screening effects on VA-MWCNTs by creating arrays of self-assembled CNT bundles that are catalyst-free and opened tips. These bundles are found to enhance the field emission stability and emission density. Subsequently, we have created PMMA-CNT matrices that are excellent electron field emitters with an emission threshold field of more than two-fold lower than that of the as-grown sample. Furthermore, no significant emission degradation was observed after a continuous emission test of 40 hours (versus much shorter tests in reported literatures). Based on the new understanding we learnt from the PMMA-CNT matrices, we further created PMMA-STO-CNT matrices by embedding opened-tip VA-MWCNTs that are coated with strontium titanate (SrTiO3) with PMMA. We found that the PMMA-STO-CNT matrices have all the desired properties of the PMMA-CNT matrices. Furthermore, PMMA-STO-CNT matrices offer much lower emission threshold field, about five-fold lower than that of as grown VA-MWCNTs. The new understandings we obtained are important for practical application of VA-MWCNTs in field emission devices. 3. Subsequently, we have functionalized PMMA-CNT matrices for glucose biosensing. Our biosensor was developed by immobilized glucose oxidase (GOχ) on the opened-tip CNTs exposed on the matrices. The durability, stability and sensitivity of the biosensor were studied. In order to understand the performance of miniaturized glucose biosensors, we have then investigated the effect of working electrode area on the sensitivity and current level of our biosensors. 4. Next, functionalized PMMA-CNT matrices were utilized for energy generation and storage. We found that PMMA-CNT matrices are promising component in glucose/O2 biofuel cells (BFCs) for energy generation. The construction of these BFCs and the effect of the electrode area on the power density of these BFCs were investigated. Then, we have attempted to use PMMA-CNT matrices as supercapacitors for energy storage devices. The performance of these supercapacitors and ways to enhance their performance are discussed. 5. Finally, we further evaluated the concept of energy SGS system that integrated glucose biosensors, biofuel cells, and supercapacitors. This SGS system may be implantable to monitor and control the blood glucose level in our body.

Functional ZnO nanostructures for electronic and energy applications

ZnO has proven to be a multifunctional material with important nanotechnological applications. ZnO nanostructures can be grown in various forms such as nanowires, nanorods, nanobelts, nanocombs etc. In this work, ZnO nanostructures are grown in a double quartz tube configuration thermal Chemical Vapor Deposition (CVD) system. We focus on functionalized ZnO Nanostructures by controlling their structures and tuning their properties for various applications. The following topics have been investigated: 1. We have fabricated various ZnO nanostructures using a thermal CVD technique. The growth parameters were optimized and studied for different nanostructures. 2. We have studied the application of ZnO nanowires (ZnONWs) for field effect transistors (FETs). Unintentional n-type conductivity was observed in our FETs based on as-grown ZnO NWs. We have then shown for the first time that controlled incorporation of hydrogen into ZnO NWs can introduce p-type characters to the nanowires. We further found that the n-type behaviors remained, leading to the ambipolar behaviors of hydrogen incorporated ZnO NWs. Importantly, the detected p- and n- type behaviors are stable for longer than two years when devices were kept in ambient conditions. All these can be explained by an ab initio model of Zn vacancy-Hydrogen complexes, which can serve as the donor, acceptors, or green photoluminescence quencher, depend on the number of hydrogen atoms involved. 3. Next ZnONWs were tested for electron field emission. We focus on reducing the threshold field (Eth) of field emission from non-aligned ZnO NWs. As encouraged by our results on enhancing the conductivity of ZnO NWs by hydrogen annealing described in Chapter 3, we have studied the effect of hydrogen annealing for improving field emission behavior of our ZnO NWs. We found that optimally annealed ZnO NWs offered much lower threshold electric field and improved emission stability. We also studied field emission from ZnO NWs at moderate vacuum levels. We found that there exists a minimum Eth as we scale the threshold field with pressure. This behavior is explained by referring to Paschen’s law. 4. We have studied the application of ZnO nanostructures for solar energy harvesting. First, as-grown and (CdSe) ZnS QDs decorated ZnO NBs and ZnONWs were tested for photocurrent generation. All these nanostructures offered fast response time to solar radiation. The decoration of QDs decreases the stable current level produced by ZnONWs but increases that generated by NBs. It is possible that NBs offer more stable surfaces for the attachment of QDs. In addition, our results suggests that performance degradation of solar cells made by growing ZnO NWs on ITO is due to the increase in resistance of ITO after the high temperature growth process. Hydrogen annealing also improve the efficiency of the solar cells by decreasing the resistance of ITO. Due to the issues on ITO, we use Ni foil as the growth substrates. Performance of solar cells made by growing ZnO NWs on Ni foils degraded after Hydrogen annealing at both low (300 °C) and high (600 °C) temperatures since annealing passivates native defects in ZnONWs and thus reduce the absorption of visible spectra from our solar simulator. Decoration of QDs improves the efficiency of such solar cells by increasing absorption of light in the visible region. Using a better electrolyte than phosphate buffer solution (PBS) such as KI also improves the solar cell efficiency. 5. Finally, we have attempted p-type doping of ZnO NWs using various growth precursors including phosphorus pentoxide, sodium fluoride, and zinc fluoride. We have also attempted to create p-type carriers via introducing interstitial fluorine by annealing ZnO nanostructures in diluted fluorine gas. In brief, we are unable to reproduce the growth of reported p-type ZnO nanostructures. However; we have identified the window of temperature and duration of post-growth annealing of ZnO NWs in dilute fluorine gas which leads to suppression of native defects. This is the first experimental effort on post-growth annealing of ZnO NWs in dilute fluorine gas although this has been suggested by a recent theory for creating p-type semiconductors. In our experiments the defect band peak due to native defects is found to decrease by annealing at 300 °C for 10 – 30 minutes. One of the major future works will be to determine the type of charge carriers in our annealed ZnONWs.

Boron nitride nanotubes : synthesis, characterization, functionalization, and potential applications

Boron nitride nanotubes (BNNTs) are structurally similar to carbon nanotubes (CNTs), but exhibit completely different physical and chemical properties. Thus, BNNTs with various interesting properties may be complementary to CNTs and provide an alternative perspective to be useful in different applications. However, synthesis of high quality of BNNTs is still challenging. Hence, the major goals of this research work focus on the fundamental study of synthesis, characterizations, functionalization, and explorations of potential applications. In this work, we have established a new growth vapor trapping (GVT) approach to produce high quality and quantity BNNTs on a Si substrate, by using a conventional tube furnace. This chemical vapor deposition (CVD) approach was conducted at a growth temperature of 1200 °C. As compared to other known approaches, our GVT technique is much simpler in experimental setup and requires relatively lower growth temperatures. The as-grown BNNTs are fully characterized by scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), electron energy loss spectroscopy (EELS), Energy Filtered Mapping, Raman spectroscopy, Fourier Transform Infra Red spectroscopy (FTIR), UV-Visible (UV-vis) absorption spectroscopy, etc. Following this success, the growth of BNNTs is now as convenient as growing CNTs and ZnO nanowires. Some important parameters have been identified to produce high-quality BNNTs on Si substrates. Furthermore, we have identified a series of effective catalysts for patterned growth of BNNTs at desirable or pre-defined locations. This catalytic CVD technique is achieved based on our finding that MgO, Ni or Fe are the good catalysts for the growth of BNNTs. The success of patterned growth not only explains the role of catalysts in the formation of BNNTs, this technique will also become technologically important for future device fabrication of BNNTs. Following our success in controlled growth of BNNTs on substrates, we have discovered the superhydrophobic behavior of these partially vertically aligned BNNTs. Since BNNTs are chemically inert, resistive to oxidation up to ~1000°C, and transparent to UV-visible light, our discovery suggests that BNNTs could be useful as self-cleaning, insulating and protective coatings under rigorous chemical and thermal conditions. We have also established various approaches to functionalize BNNTs with polymeric molecules and carbon coatings. First, we showed that BNNTs can be functionalized by mPEG-DSPE (Polyethylene glycol-1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine), a bio-compatible polymer that helps disperse and dissolve BNNTs in water solution. Furthermore, well-dispersed BNNTs in water can be cut from its original length of >10µm to(>20hrs). This success is an essential step to implement BNNTs in biomedical applications. On the other hand, we have also succeeded to functionalize BNNTs with various conjugated polymers. This success enables the dispersion of BNNTs in organic solvents instead of water. Our approaches are useful for applications of BNNTs in high-strength composites. In addition, we have also functionalized BNNTs with carbon decoration. This was performed by introducing methane (CH4) gas into the growth process of BNNT. Graphitic carbon coatings can be deposited on the side wall of BNNTs with thicknesses ranging from 2 to 5 nm. This success can modulate the conductivity of pure BNNTs from insulating to weakly electrically conductive. Finally, efforts were devoted to explore the application of the wide bandgap BNNTs in solar-blind deep UV (DUV) photo-detectors. We found that photoelectric current generated by the DUV light was dominated in the microelectrodes of our devices. The contribution of photocurrent from BNNTs is not significant if there is any. Implication from these preliminary experiments and potential future work are discussed.