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.

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.

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.

Proprietà di conduzione elettrica in campioni di grafene poroso

Il grafene, allotropo del carbonio costituito da un reticolo bidimensionale, è uno dei nanomateriali più promettenti allo stato attuale della ricerca nei campi della Fisica e della Chimica, ma anche dell'Ingegneria e della Biologia. Isolato e caratterizzato per la prima volta nel 2004 dai ricercatori russi Andre Geim e Konstantin Novoselov presso l'Università di Manchester, ha aperto la via sia a studi teorici per comprendere con gli strumenti della Meccanica Quantistica gli effetti di confinamento in due dimensioni (2D), sia ad un vastissimo panorama di ricerca applicativa che ha l'obiettivo di sfruttare al meglio le straordinarie proprietà meccaniche, elettriche, termiche ed ottiche mostrate da questo materiale. Nella preparazione di questa tesi ho personalmente seguito presso l'Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi (IMM) del CNR di Bologna la sintesi mediante Deposizione Chimica da Fase Vapore (CVD) di grafene "tridimensionale" (3D) o "poroso" (denominato anche "schiuma di grafene", in inglese "graphene foam"), ossia depositato su una schiuma metallica dalla struttura non planare. In particolare l'obiettivo del lavoro è stato quello di misurare le proprietà di conduttività elettrica dei campioni sintetizzati e di confrontarle con i risultati dei modelli che le descrivono teoricamente per il grafene planare. Dopo un primo capitolo in cui descriverò la struttura cristallina, i livelli energetici e la conduzione dei portatori di carica nel reticolo ideale di grafene 2D (utilizzando la teoria delle bande e l'approssimazione "tight-binding"), illustrerò le differenti tecniche di sintesi, in particolare la CVD per la produzione di grafene poroso che ho seguito in laboratorio (cap.2). Infine, nel capitolo 3, presenterò la teoria di van der Pauw su cui è basato il procedimento per eseguire misure elettriche su film sottili, riporterò i risultati di conduttività delle schiume e farò alcuni confronti con le previsioni della teoria.

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

Linkage mapping of CVD risk traits in the isolated Norfolk Island population

To understand the underlying genetic architecture of cardiovascular disease (CVD) risk traits, we undertook a genome-wide linkage scan to identify CVD quantitative trait loci (QTLs) in 377 individuals from the Norfolk Island population. The central aim of this research focused on the utilization of a genetically and geographically isolated population of individuals from Norfolk Island for the purposes of variance component linkage analysis to identify QTLs involved in CVD risk traits. Substantial evidence supports the involvement of traits such as systolic and diastolic blood pressures, high-density lipoprotein-cholesterol, low-density lipoprotein-cholesterol, body mass index and triglycerides as important risk factors for CVD pathogenesis. In addition to the environmental inXuences of poor diet, reduced physical activity, increasing age, cigarette smoking and alcohol consumption, many studies have illustrated a strong involvement of genetic components in the CVD phenotype through family and twin studies. We undertook a genome scan using 400 markers spaced approximately 10 cM in 600 individuals from Norfolk Island. Genotype data was analyzed using the variance components methods of SOLAR. Our results gave a peak LOD score of 2.01 localizing to chromosome 1p36 for systolic blood pressure and replicated previously implicated loci for other CVD relevant QTLs.

Mapping eQTLs in the Norfolk Island genetic isolate identifies candidate genes for CVD risk traits

Cardiovascular disease (CVD) affects millions of people worldwide and is influenced by numerous factors, including lifestyle and genetics. Expression quantitative trait loci (eQTLs) influence gene expression and are good candidates for CVD risk. Founder-effect pedigrees can provide additional power to map genes associated with disease risk. Therefore, we identified eQTLs in the genetic isolate of Norfolk Island (NI) and tested for associations between these and CVD risk factors. We measured genome-wide transcript levels of blood lymphocytes in 330 individuals and used pedigree-based heritability analysis to identify heritable transcripts. eQTLs were identified by genome-wide association testing of these transcripts. Testing for association between CVD risk factors (i.e., blood lipids, blood pressure, and body fat indices) and eQTLs revealed 1,712 heritable transcripts (p < 0.05) with heritability values ranging from 0.18 to 0.84. From these, we identified 200 cis-acting and 70 trans-acting eQTLs (p < 1.84 × 10(-7)) An eQTL-centric analysis of CVD risk traits revealed multiple associations, including 12 previously associated with CVD-related traits. Trait versus eQTL regression modeling identified four CVD risk candidates (NAAA, PAPSS1, NME1, and PRDX1), all of which have known biological roles in disease. In addition, we implicated several genes previously associated with CVD risk traits, including MTHFR and FN3KRP. We have successfully identified a panel of eQTLs in the NI pedigree and used this to implicate several genes in CVD risk. Future studies are required for further assessing the functional importance of these eQTLs and whether the findings here also relate to outbred populations.

Multiband photoluminescence from carbon nanoflakes synthesized by hot filament CVD: towards solid-state white light sources

Carbon nanoflakes (CNFLs) are synthesized on silicon substrates deposited with carbon islands in a methane environment using hot filament chemical vapor deposition. The structure and composition of the CNFLs are studied using field emission scanning electron microscopy, high-resolution transmission electron microscopy, micro-Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy. The results indicate that the CNFLs are composed of multilayer graphitic sheets and the area and thickness of CNFs increase with the growth time. The photoluminescence (PL) of CNFLs excited by a 325 nm He-Cd laser exhibits three strong bands centered at 408, 526, and 699 nm, which are related to the chemical radicals terminated on the CNFLs and the associated interband transitions. The PL results indicate that the CNFLs are promising as an advanced nano-carbon material capable of generating white light emission. These outcomes are significant to control the electronic structure of CNFLs and contribute to the development of next-generation solid-state white light emission devices. © 2014 the Partner Organisations.

Carbon nanorods and graphene-like nanosheets by hot filament CVD : growth mechanisms and electron field emission

Carbon nanorods and graphene-like nanosheets are catalytically synthesized in a hot filament chemical vapor deposition system with and without plasma enhancement, with gold used as a catalyst. The morphological and structural properties of the carbon nanorods and nanosheets are investigated by field-emission scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and micro-Raman spectroscopy. It is found that carbon nanorods are formed when a CH4 + H2 + N2 plasma is present while carbon nanosheets are formed in a methane environment without a plasma. The formation of carbon nanorods and carbon nanosheets are analyzed. The results suggest that the formation of carbon nanorods is primarily a precipitation process while the formation of carbon nanosheets is a complex process involving surface-catalysis, surface diffusion and precipitation influenced by the Gibbs–Thomson effect. The electron field emission properties of the carbon nanorods and graphene-like nanosheets are measured under high-vacuum; it is found that the carbon nanosheets have a lower field emission turn-on than the carbon nanorods. These results are important to improve the understanding of formation mechanisms of carbon nanomaterials and contribute to eventual applications of these structures in nanodevices.

Unconventional Ni–P alloy-catalyzed CVD of carbon coil-like micro- and nano-structures

Conventional catalyzed thermal CVD of carbon microcoils commonly suffers from poor control of the coil shape and morphology and rarely reaches the nanoscale size range. This article reports on an unconventional Ni-P alloy-catalyzed, high-throughput, highly reproducible CVD of ultra-long carbon coil-like micro- and nano-structures using acetylene precursor at relatively low process temperatures. Helical carbon microcoils with consistently uniform, circular cross-sections and a high degree of crystallinity have been synthesized at 750 °C. A further reduction of the temperature to 650 °C led to the growth of ultra-long (up to several mm) wave-like carbon nanofibers made of two nanowires with the diameters in the 100-200 nm range. The results of the XRD and Raman analysis reveal that the nanofibers feature only a slightly more disordered structure compared to the microcoils. Our results suggest that morphology and structure of the carbon coil-like micro- and nano-structures can be tailored by the appropriate alloying of the catalyst and the choice of the CVD process parameters.

High-yield atmospheric-pressure CVD of highly-uniform carbon nanocoils using Co–P catalyst nanoparticles prepared by electroless plating

A simple, fast and low-cost atmospheric-pressure chemical vapor deposition technique is developed to synthesize high-yield carbon nanocoils (CNCs) using amorphous Co–P alloy as catalyst and thiophene as nucleation agent. The uniform catalyst pattern with the mean particle size of 350 nm was synthesized using a simple electroless plating process. This uniformity of the Co–P nanoparticles results in a high yield, very uniform size/shape distribution and regular structure of CNCs at the optimum growth temperature of 800 ◦C. The yield of CNCs reaches ∼76%; 70% of the CNCs have fiber diameters approximately 250 nm. The CNC coil diameters and lengths are 450–550nm and 0.5–2mm, respectively. The CNC nucleation and growth mechanism are also discussed.

Multipurpose nanoporous alumina-carbon nanowall bi-dimensional nano-hybrid platform via catalyzed and catalyst-free plasma CVD

Simple, rapid, plasma-assisted synthesis of large-area arrays of vertically-aligned carbon nanowalls on highly-porous, transparent bare and gold-coated alumina membranes with the two pore sizes is reported. It is demonstrated that the complex patterns of vertically aligned nanowalls can nucleate and form different morphologies in the low-temperature plasmas. The process is stable, and the twofold change in the gas flow (10 and 20 sccm) does not noticeably influence the morphology of the nanowall pattern. Application of a thin (5 nm) gold layer to nanoporous membrane prior to the nanowall growth allows controlling the network morphology.

Effect of substrate roughness on growth of diamond by hot filament CVD

Polycrystalline diamond coatings are grown on Si (100) substrate by hot filament CVD technique. We investigate here the effect of substrate roughening on the substrate temperature and methane concentration required to maintain high quality, high growth rate and faceted morphology of the diamond coatings. It has been shown that as we increase the substrate roughness from 0.05 mu m to 0.91 mu m (centre line average or CLA) there is enhancement in deposited film quality (Raman peak intensity ratio of sp (3) to non-sp (3) content increases from 1.65 to 7.13) and the substrate temperature can be brought down to 640A degrees C without any additional substrate heating. The coatings grown at adverse conditions for sp (3) deposition has cauliflower morphology with nanocrystalline grains and coatings grown under favourable sp (3) condition gives clear faceted grains.

Thermal analysis of metalorganic complexes of copper for evaluation as CVD precursors

Metalorganic complexes of copper have been synthesized by modifying the ligand in the beta-diketonate class of compounds. Detailed thermal analysis of several beta-diketonate complexes of copper has been carried out to evaluate their suitability as precursors for chemical vapor deposition (CVD). A comparison of their relative volatilities has been made by determining their sublimation rates at different temperatures. Thermal analyses of these complexes reveal significant differences among their volatilities and decomposition patterns.

Comparison of CVD and MOCVD-grown Al2O3 coatings in the performance of cemented carbide cutting tool inserts

Low-pressure MOCVD, with tris(2,4 pentanedionato)aluminum(III) as the precursor, was used in the present investigation to coat alumina on to cemented carbide cutting tools. To evaluate the MOCVD process, the efficiency in cutting operations of MOCVD-coated tools was compared with that of tools coated using the industry-standard CVD process.Three multilayer cemented carbide cutting tool inserts, viz., TiN/TiC/WC, CVD-coated Al2O3 on TiN/TiC/WC, and MOCVD-coated Al2O3 on TiN/TiC/WC, were compared in the dry turning of mild steel. Turning tests were conducted for cutting speeds ranging from 14 to 47 m/min, for a depth of cut from 0.25 to 1 mm, at the constant feed rate of 0.2 mm/min. The axial, tangential, and radial forces were measured using a lathe tool dynamometer for different cutting parameters, and the machined work pieces were tested for surface roughness. The results indicate that, in most of the cases examined, the MOCVD-coated inserts produced a smoother surface finish, while requiring lower cutting forces, indicating that MOCVD produces the best-performing insert, followed by the CVD-coated one. The superior performance of MOCVD-alumina is attributed to the co-deposition of carbon with the oxide, due to the very nature of the precursor used, leading to enhanced mechanical properties for cutting applications in harsh environment.