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

Micromorphologic assessment of CVD (chemical vapor deposition) and conventional diamond tips and their cutting effectiveness

The aim of this study was to compare the micromorphology of CVD diamond tips coupled to ultrasound with conventional high speed diamond tips after cavity preparations, and to measure the width and depth of the cavities obtained. Two hundred bovine teeth were divided into 20 subgroups. Each of the diamond tips (10 CVD and 10 conventional) were used to prepare 10 standardized cavities, using an apparatus that controlled the time (t: 27 s), speed (5.3 mm/s) and load (0.012 KGF) of the tip against the teeth during preparation. The unused and the used (after one, five and 10 preparations) tips were analyzed by scanning electronic microscopy. The images were randomly assessed by 3 examiners with regard to the presence or absence of micromorphologic alterations. Cavity measurements were made after visualization under a stereoscopic microscope. Cavity widths and depths were analyzed by the ANOVA Factorial test (p < 0.05). The CVD diamond tips presented less wear than the conventional tips after all the cavity preparations performed, but produced shallower cavities that were equivalent in width to those made by conventional tips after the fifth preparation. CVD diamond tips may be suggested as an alternative to conventional diamond tips due to their conservative preparation and greater longevity.

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.

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.

PHOTOENHANCED DEPOSITION OF HYDROGENATED AMORPHOUS SILICON THIN FILMS.

This paper will review the different U. V. lamp photo-CVD (Chemical Vapor Deposition) techniques which have been utilized for the production of highly photoconductive hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films. Most of these require the transmission of U. V. light through a window into the reaction vessel; leading to unwanted U. V. light absorption by the window and the a-Si:H film which tends to form on its inner surface. A deposition system developed in our laboratory will also be described, which circumvents these problems by incorporating a windowless discharge lamp into the reaction vessel.

Efetividade de corte das pontas do sistema CVDentUS: estudo in vitro

Pós-graduação em Odontologia - FOAR

Avaliação da ponta de diamante CVC (Chemical Vapor Deposition) associada ao aparelho de ultra-som

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Resistência de união e microinfiltração em restaurações de resina

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Hydrogenated amorphous silicon deposited by high pressure sputtering for HIT solar cells

Hydrogenated amorphous silicon thin films were deposited using a high pressure sputtering (HPS) system. In this work, we have studied the composition and optical properties of the films (band-gap, absorption coefficient), and their dependence with the deposition parameters. For films deposited at high pressure (1 mbar), composition measurements show a critical dependence of the purity of the films with the RF power. Films manufactured with RF-power above 80W exhibit good properties for future application, similar to the films deposited by CVD (Chemical Vapor Deposition) for hydrogenated amorphous silicon.

The intermediate band approach in the third solar cell generation context

Hydrogenated amorphous silicon thin films were deposited using a high pressure sputtering (HPS) system. In this work, we have studied the composition and optical properties of the films (band-gap, absorption coefficient), and their dependence with the deposition parameters. For films deposited at high pressure (1 mbar), composition measurements show a critical dependence of the purity of the films with the RF power. Films manufactured with RF-power above 80W exhibit good properties for future application, similar to the films deposited by CVD (Chemical Vapor Deposition) for hydrogenated amorphous silicon.

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.

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.

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.

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.