Il ruolo del substrato di rame nella sintesi di grafene cresciuto per deposizione chimica da fase vapore

La Chemical Vapor Deposition (CVD) permette la crescita di sottili strati di grafene con aree di decine di centimetri quadrati in maniera continua ed uniforme. Questa tecnica utilizza un substrato metallico, solitamente rame, riscaldato oltre i 1000 °C, sulla cui superficie il carbonio cristallizza sotto forma di grafene in un’atmosfera attiva di metano ed idrogeno. Durante la crescita, sulla superficie del rame si decompone il metano utilizzato come sorgente di carbonio. La morfologia e la composizione della superficie del rame diventano quindi elementi critici del processo per garantire la sintesi di grafene di alta qualità e purezza. In questo manoscritto si documenta l’attività sperimentale svolta presso i laboratori dell’Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi del CNR di Bologna sulla caratterizzazione della superficie del substrato di rame utilizzato per la sintesi del grafene per CVD. L’obiettivo di questa attività è stato la caratterizzazione della morfologia superficiale del foglio metallico con misure di rugosità e di dimensione dei grani cristallini, seguendo l’evoluzione di queste caratteristiche durante i passaggi del processo di sintesi. Le misure di rugosità sono state effettuate utilizzando tecniche di profilometria ottica interferometrica, che hanno permesso di misurare l’effetto di livellamento successivo all' introduzione di un etching chimico nel processo consolidato utilizzato presso i laboratori dell’IMM di Bologna. Nell'ultima parte di questo manoscritto si è invece studiato, con tecniche di microscopia ottica ed elettronica a scansione, l’effetto di diverse concentrazioni di argon e idrogeno durante il trattamento termico di annealing del rame sulla riorganizzazione dei suoi grani cristallini. L’analisi preliminare effettuata ha permesso di individuare un intervallo ottimale dei parametri di annealing e di crescita del grafene, suggerendo importanti direzioni per migliorare il processo di sintesi attualmente utilizzato.

Deposizione di grafene su superfici porose 3D col metodo CVD

L’attività di tesi, svolta presso i laboratori dell’Istituto CNR-IMM di Bologna, si è focalizzata sulla crescita tramite Deposizione Chimica da Fase Vapore di schiume di grafene - network tridimensionali costituiti da fogli di grafene interconnessi, in grado di unire le straordinarie proprietà del grafene ad una elevatissima area superficiale - e sulla loro caratterizzazione, con l’obiettivo di sintetizzare strutture 3D di grafene con una porosità controllata e buone caratteristiche strutturali. Nel primo capitolo della tesi vengono illustrate da un punto di vista generale le caratteristiche e proprietà salienti del grafene, sia dal punto di vista strutturale che fisico. il secondo capitolo è dedicato alle tecniche di produzione del materiale, dall’esfoliazione meccaniche, a quella chimica, per arrivare alle tecniche di crescita vere e proprie. Maggiore attenzione viene chiaramente riservata alla Deposizione Chimica da Fase Vapore, utilizzata poi nell’ambito dell’attività sperimentale svolta. Nel terzo capitolo vengono descritti in dettaglio tutti gli apparati sperimentali utilizzati, sia per la sintesi del materiale (il sistema CVD), che per la sua caratterizzazione (microscopia elettronica a scansione, diffrazione a raggi X, spettroscopia fotoelettronica a raggi X e Raman). Il quarto ed il quinto capitolo sono dedicati alla parte sperimentale vera e propria. Nel quarto si descrive e si discute il processo messo a punto per crescere strutture tridimensionali di grafene a partire da schiume metalliche commerciali, mentre nel quinto vengono infine descritti gli approcci originali messi a punto per la sintesi di strutture con porosità controllata. Nelle conclusioni, infine, oltre a tirare le somme di tutto il lavoro svolto, vengono delineate le prospettive applicative dei materiali prodotti e le attività che sono attualmente in corso relative alla loro caratterizzazione e al loro impiego.

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.

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.

Investigations of the physical origins of etching LiNbO3 during Ti in-diffusion

We investigate the physical origins of etching observed during Ti diffusion. The relationship between observed etch depth and water vapor content in the annealing environment is quantified. The dynamics of the etching process are also identified. It is discovered that water vapor content is essential for etching and that there is a characteristic delay before etching is observed. From these observations we can conclude that the process is electrochemical in nature with ionic defects diffusing into the Ti strip from the lithium niobate and these defects catalyzing the dissociation of water into reactive ions.

Crack formation due to annealing of Al2O3 films grown on Si(100) by MOCVD

We report crack formation in alumina films grown on Si(100), caused by annealing in a controlled oxidizing ambient. The films were grown in a low-pressure CVD reactor, using aluminium acetylacetonate as precursor. High purity argon and nitrous oxide were employed as carrier and oxidizing gas, respectively. The films were characterized by optical microscopy and SEM/EDAX. The proportion and chemical nature of the heteroatoms, namely C and H, incorporated into the films from the precursor, were characterized by XPS, and FTIR. As-deposited films do not exhibit any cracks, while post-deposition annealing results in cracks. Apart from the delamination of the films, annealing in nitrous oxide ambient leads to an unusual crack geometry, which we term the “railway-track”. These twin cracks are very straight and run parallel to each other for as much as several millimeters. Often, two such linear tracks meet at exactly 90°. Between some of these tracks lie bullet-like structures with very sharp tips, oriented in a specific direction. As cracks are generally activated by residual stress, both thermal and intrinsic, the origins of the stresses that generate these linear cracks are discussed. The redistribution of stress, arising from the removal of C and H during annealing, will also be discussed. An attempt has been made to correlate the formation of cracks with the crystal structure of the film.

Realization of thermally durable close-packed 2D gold nanoparticle arrays using self-assembly and plasma etching

Realization of thermally and chemically durable, ordered gold nanostructures using bottom-up self-assembly techniques are essential for applications in a wide range of areas including catalysis, energy generation, and sensing. Herein, we describe a modular process for realizing uniform arrays of gold nanoparticles, with interparticle spacings of 2 nm and above, by using RF plasma etching to remove ligands from self-assembled arrays of ligand-coated gold nanoparticles. Both nanoscale imaging and macroscale spectroscopic characterization techniques were used to determine the optimal conditions for plasma etching, namely RF power, operating pressure, duration of treatment, and type of gas. We then studied the effect of nanoparticle size, interparticle spacing, and type of substrate on the thermal durability of plasma-treated and untreated nanoparticle arrays. Plasma-treated arrays showed enhanced chemical and thermal durability, on account of the removal of ligands. To illustrate the application potential of the developed process, robust SERS (surface-enhanced Raman scattering) substrates were formed using plasma-treated arrays of silver-coated gold nanoparticles that had a silicon wafer or photopaper as the underlying support. The measured value of the average SERS enhancement factor (2 x 10(5)) was quantitatively reproducible on both silicon and paper substrates. The silicon substrates gave quantitatively reproducible results even after thermal annealing. The paper-based SERS substrate was also used to swab and detect probe molecules deposited on a solid surface.

Growth, etching morphology and spectra of LiAlO2 crystal

gamma-LiAlO2 single crystal was successfully grown by Czochralski method. The crystal quality was characterized by X-ray rocking curve and chemical etching. The effects of air-annealing and vapor transport equilibration (VTE) on the crystal quality, etch pits and absorption spectra of LiAlO2 were also investigated in detail. The results show that the as-grown crystal has very high quality with the full width at half maximum (FWHM) of 17.7-22.6 arcsec. Dislocation density in the middle part of the crystal is as low as about 3.0 x 10(3) cm(-2). The VTE-treated slice has larger FWHM value, etch pits density and absorption coefficient as compared with those of untreated and air-annealed slices, which indicates that the crystal quality became inferior after VTE treatment. (C) 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Mechanism of polarization pinning in vertical cavity surface emitting lasers using focused ion beam etching

Photoluminescence experiments have identified strain as the origin for polarization pinning in vertical cavity surface emitting lasers post-processed by focused ion beam etching. Theoretical models were applied to deduce the strain in devices. Post-annealing was used to optimize polarization pinning.

Dry oxidation and vacuum annealing treatments for tuning the wetting properties of carbon nanotube arrays.

In this article, we describe a simple method to reversibly tune the wetting properties of vertically aligned carbon nanotube (CNT) arrays. Here, CNT arrays are defined as densely packed multi-walled carbon nanotubes oriented perpendicular to the growth substrate as a result of a growth process by the standard thermal chemical vapor deposition (CVD) technique.(1,2) These CNT arrays are then exposed to vacuum annealing treatment to make them more hydrophobic or to dry oxidation treatment to render them more hydrophilic. The hydrophobic CNT arrays can be turned hydrophilic by exposing them to dry oxidation treatment, while the hydrophilic CNT arrays can be turned hydrophobic by exposing them to vacuum annealing treatment. Using a combination of both treatments, CNT arrays can be repeatedly switched between hydrophilic and hydrophobic.(2) Therefore, such combination show a very high potential in many industrial and consumer applications, including drug delivery system and high power density supercapacitors.(3-5) The key to vary the wettability of CNT arrays is to control the surface concentration of oxygen adsorbates. Basically oxygen adsorbates can be introduced by exposing the CNT arrays to any oxidation treatment. Here we use dry oxidation treatments, such as oxygen plasma and UV/ozone, to functionalize the surface of CNT with oxygenated functional groups. These oxygenated functional groups allow hydrogen bond between the surface of CNT and water molecules to form, rendering the CNT hydrophilic. To turn them hydrophobic, adsorbed oxygen must be removed from the surface of CNT. Here we employ vacuum annealing treatment to induce oxygen desorption process. CNT arrays with extremely low surface concentration of oxygen adsorbates exhibit a superhydrophobic behavior.

Effect of dry oxidation on the energy gap and chemical composition of CVD graphene on nickel

The findings presented herein show that the electronic properties of CVD graphene on nickel can be altered from metallic to semiconducting by introducing oxygen adsorbates via UV/ozone or oxygen plasma treatment. These properties can be partially recovered by removing the oxygen adsorbates via vacuum annealing treatment. The effect of oxidation is studied by scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/STS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). As probed by STM/STS, an energy gap opening of 0.11-0.15 eV is obtainable as the oxygen/carbon atomic ratio reaches 13-16%. The corresponding XPS spectra show a significant monotonic increase in the concentration of oxygenated functional groups due to the oxidation treatments. This study demonstrates that the opening of energy gap in CVD graphene can be reasonably controlled by a combination of UV/ozone or oxygen plasma treatment and vacuum annealing treatment. © 2013 Elsevier B.V.

Increased carbon nanotube area density after catalyst generation from cobalt disilicide using a cyclic reactive ion etching approach

We used a cyclic reactive ion etching (RIE) process to increase the Co catalyst density on a cobalt disilicide (CoSi2) substrate for carbon nanotube (CNT) growth. Each cycle of catalyst formation consists of a room temperature RIE step and an annealing step at 450 °C. The RIE step transfers the top-surface of CoSi2 into cobalt fluoride; while the annealing reduces the fluoride into metallic Co nanoparticles. We have optimized this cyclic RIE process and determined that the catalyst density can be doubled in three cycles, resulting in a final CNT shell density of 6.6 × 10 11 walls·cm-2. This work demonstrates a very effective approach to increase the CNT density grown directly on silicides. © 2014 AIP Publishing LLC.

Heteroepitaxial growth and annealing of gamma-Al2O3 thin films on silicon

The gamma-Al2O3 films were grown on Si (100) substrates using the sources of TMA (Al (CH3)(3)) and O-2 by very low-pressure chemical vapor deposition (VLP-CVD). It has been found that the gamma-Al2O3 film has a mirror-like surface and the RMS was about 2.5nm. And the orientation relationship was gamma-Al2O3(100)/Si(100). The thickness uniformity of gamma-Al2O3 films for 2-inch epi-wafer was less than 5%. The X-ray diffraction (XRD) and reflection high-energy electron diffraction (RHEED) results show that the crystalline quality of the film was improved after the film was annealed at 1000degreesC in O-2 atmosphere. The high-frequency C-V and leakage current of Al/gamma-Al2O3/Si capacitor were also measured to verify the annealing effect of the film. The results show that the dielectric constant increased from 4 to 7 and the breakdown voltage for 65-nm-thick gamma-Al2O3 film on silicon increases from 17V to 53V.