IMM Bologna Fabbricazione e caratterizzazione di dispositivi elettronici e MEMS a base di grafene Rita Rizzoli,, G.P. Veronese*, F. Suriano* @ IMM-Bo: V. Morandi,, L. Ortolani*, A. Roncaglia,, S. Zampolli, P. Maccagnani Collaborazione @ ISOF-Bo: V. Palermo, E. Treossi,, A. Liscio 1
Expertise e facilities a disposizione Sintesi C-CVDC CVD Caratterizzazioni avanzate strutturali-morfologiche morfologiche-elettricheelettriche Dispositivi in G studio delle proprietà del materiale integrato nel dispositivo Tecnologia ibrida C-SiC Tecnologia MEMS -NEMS Progettazione sensori MEMS -NEMS 2
Expertise e facilities a disposizione Sintesi C-CVDC CVD Caratterizzazioni avanzate strutturali-morfologiche morfologiche-elettricheelettriche Dispositivi in G studio delle proprietà del materiale integrato nel dispositivo Tecnologie: Tecnologia ibrida C-SiC Micromachining Tecnologia MEMS di Si, poly-si -NEMS e Realizzazione di strutture test in poly-si, metallo o microlavorate su Si Si e SiC per strutture sospese Patterning con fotolitografia UV (fino a 1 mm) anche su reti di SWNTs, G, RGO Realizzazione contatti ohmici SWNTs / poly-si drogato (o M), RGO / M Tecniche di esfoliazione del G Progettazione sensori MEMS -NEMS 3
Expertise e facilities a disposizione Sintesi C-CVDC CVD Caratterizzazioni avanzate strutturali-morfologiche morfologiche-elettricheelettriche Dispositivi in G studio delle proprietà del materiale integrato nel dispositivo Tecnologia ibrida C-SiC Tecnologia MEMS -NEMS Progettazione sensori MEMS -NEMS 4
Expertise e facilities a disposizione Metodi di caratterizzazione avanzati: Misure elettriche in vuoto a basso rumore, procedura Caratterizzazioni di test morfologico avanzate con nanomanipolatori Sintesi C-CVDC CVD entro il SEM strutturali-morfologiche morfologiche-elettricheelettriche fologico - elettrico HRTEM, STEM, olografia elettronica, in situ-tem (presentazione V. Morandi) Dispositivi in G studio delle proprietà del materiale integrato nel dispositivo Tecnologia ibrida C-SiC Tecnologia MEMS -NEMS Progettazione sensori MEMS -NEMS 5
Sintesi: sistema CVD a pareti fredde (CNTs) - Sintesi C-CVD C CVD di FLG - Trattamenti termici film di GO Heated substrate gas Pressure regimes: APCVD, LPCVD, UHV Gases: Temperature: Ar, N 2, H 2, NH 3, CH 4, C 2 H 2, O 2 up to 900 1000 C Base vacuum: < 10-7 mbar Heater evacuated down to 10-7 - 10-8 mbar Substrates: 3-4 inches Processo compatibile con la tecnologia microelettronica del Si 6
Micromachining - MEMS e strutture sospese Deep reactive ion etching di Si (10 µm m / min) 7
Micromachining - MEMS e strutture sospese strutture sospese su 3C-SiC/Si. 30µm tilt 0 prototipo di sensore di forza risonante realizzazione di strutture sospese con sistema di attuazione integrato MOS in 3C-SiC/Si SiC/Si. 8
Micromachining - MEMS e strutture sospese Strutture test sospese in poly-si per la caratterizzazione elettricastrutturale dei CNTs R. Rizzoli 19/01/2011 Atom-based Nanotechnology 9
Micromachining - MEMS e strutture sospese 1 Poly-Si sospeso SWNTs 2 3 10
Progettazione e realizzazione di strutture test Capacità di progettare e realizzare strutture test per misure elettriche termoelettriche Vediamo un esempio realizzato: : test pattern in poly-si drogato (n-( type o p-type) ) per caratterizzazione proprietà elettriche di SWNTs depositati direttamente sugli elettrodi 11
Progettazione e realizzazione di strutture test Poly-Si SiO 2 Si Immagini al microscopio ottico Cross-Kelvin resistor 6 terminals Transmission lines 4 terminals SEM: cross section SEM: nanomanipolatori su geometria a 2T, SWNTs sospesi tra gli elettrodi Sheet resistance 2 terminals 12
Misure elettriche affidabili su nanostrutture di C Metodo di misura messo a punto per caratterizzare le proprietà elettriche di SWNTs e interfacce SWNT/contatto Nanomanipolatori in SEM LEO 1530 - Motors SWITCHED OFF - e-beam TURNED OFF - SEM stage floating. Misure I V in vuoto in SEM Procedura: 1. Per misure a 2 nanomanipolatori: : misura strutture a 2 terminali 2. Mappa SEM (1KV( EHT 5KV) dell area tra i 2T, per individuare i SWNTs da misurare 3. Misura corrente di rumore su strutture senza nanotubi: I noise su p + and n + -poly-si dell ordine delle decine di pa per V applicate fino a ± 50 V (SWNTs sospesi) 4. Per misura R contatto necessarie almeno 4 punte 5. Mappa SEM di controllo dopo la misura 13
Misure elettriche affidabili su nanostrutture di C 14
Misure elettriche affidabili su nanostrutture di C Test della I max che proprio quel ponte di SWNTs sospeso tra i 2 terminali può sopportare V max aumentata fino a ± 15 V I max = 9.3 µa Dopo un ciclo di n sweep in V I va a 0 ponte rotto 15
Misure elettriche affidabili su nanostrutture di C 16
Risultati: Sintesi C-CVD C CVD di FLG Substrate: : Ni / SiO 2 / Si CH 4 + Ni NiC(s) + H 2 cooling Ni + few layer graphene film FLG / SiO 2 / Si optical image Kim et al., Nature 457 (2009), 706 μ- Raman 1 10 10 graphene layers (FLG) On-going steps: CVD synthesis on Cu/SiO 2 /Si for mono- and bi-layer graphene films Integration on patterned and micro-machined machined substrates 17
Risultati: Reduced Graphene Oxide Riduzione termica di ossido di grafene (GO) deposto sotto forma di film di mono-layer flakes o di film spessi ed integrazione in dispositivi elettronici/optoelettronici (Collaborazione ISOF con V.Palermo) Studio di - Films sottili trasparenti conduttori; - Strain engineering del trasporto elettronico in RGO su substrati patternati e microlavorati. Realizzazione dispositivi: con litografia UV convenzionale ed evaporazione dei contatti (Ni, Pd, Ti/Pt Pt) - OFET basati su materiali compositi; 18
Misure elettriche: I-V in vuoto e in aria rgo film J.M. Mativetsky, Mativetsky, E.Treossi, E.Treossi, E.Orgiu, E.Orgiu, M.Melucci, M.Melucci, G.P.Veronese, G.P.Veronese, P.Samorì P.Samorì, V.Palermo Local Current Mapping and Patterning of Reduced Graphene Oxide Oxide, JACS 2010, 132, 14130. 14130. Circular FET - Evaporazione dei contatti Comportamento bipolare accennato su strutture con Ni Ni R. Rizzoli - Litografia UV convenzionale W = 1.89 µm L = 84 µm SiO2 300 nm 19/01/2011 Atom-based Nanotechnology 19
OFET con chemically derived graphene RGO islands (23% coverage) ) in FET channel P3HT + RGO S GATE D RGO+P3HT Continuous RGO film RGO RGO ( )( ) and RGO+P3HT FETs ( ).( A. Liscio, G.P. Veronese, E. Treossi, F. Suriano, R. Rizzoli, P. Samorì, V. Palermo Charge transport in graphene-polythiophene blends as studied by Kelvin Probe Force Microscopy and transistor characterization, J. Mater. Chem. 2011, DOI: 10.1039/C0JM02940H. 20
Prospettive @IMM-Bo Sviluppo di applicazioni - sinergia tra progettazione, sviluppo delle tecnologie e caratterizzazione avanzata delle proprietà del materiale sensori di tipo fisico: : nanostrutture di G su MEMS / NEMS con contatti Applicazione delle tecnologie di fabbricazione assodate @IMM-Bo, adattandole per dispositivi in G - Progettazione di sensori a base di G G (C-CVDCVD o esfoliazione chimica o film di RGO) su - Deposizione di G ( strutture sospese con contatti (MEMS, NEMS) - Patterning del film di G: litografia + RIE o crescita C-CVD CVD localizzata Come per CNTs critico il controllo delle proprietà, dimensioni e posizione delle nanostrutture di G (flakes, nanoribbons ) ) sui dispositivi Importanza della sintesi on-site controllata o delle tecniche di trasferimento di G esfoliato. Caratterizzazioni strutturali-morfologiche morfologiche-elettriche: analisi in-situ di G e dispositivi R. Rizzoli 19/01/2011 sia in TEM che SEM Atom-based e confronto Nanotechnology con misure ex-situ 21