Michelangelo Ambrosio - INFN Napoli

Le nanotecnologie per la Fisica 

Fondamentale e Applicata 

Michelangelo 

Ambrosio 

Dirigente di 

Ricerca 

INFN – Sezione 

di Napoli 

Michelangelo Ambrosio - INFN Napoli Incontro con Ingegneri - Bari, 5 aprile 2012

La Fisica subnucleare 

Fisica delle interazioni fondamentali 

Fisica del quark B e dei mesoni K 

Violazione di CP 

ATLAS 

CERN - Ginevra 

CMS 


La Fisica subnucleare 

Fisica delle interazioni fondamentali 

Fisica del quark B e dei mesoni K 

Violazione di CP 

CMS 

BABAR 

Stanford (USA) 

DAFNE/KLOE 

Lab. INFN Frascati 


La Fisica delle astroparticelle 

Fisica Astroparticellare 

Fisica del Neutrino 

OPERA 

Gran Sasso 

AUGER 

Argentina 


La Fisica astroparticellare 

Fisica della Radiazione cosmica 

Ricerca di Onde gravitazionali 

VIRGO 

PAMELA 

Cascina (Pisa) Nello spazio 


Astrofisica nucleare 

Fasci esotici 

Fusione/Fissione 

Multiframmentazione 

Collisioni di ioni pesanti 

ALICE 

CERN (Ginevra) 

La fisica nucleare 

8πLP 

Lab. INFN Legnaro 


Stringhe e Teoria dei campi 

Fenomenologia delle inter. fond. 

Nuclei e Materia nucleare 

Metodi matematici 

Fisica delle Astroparticelle 

La Fisica 

Teorica 


Ricerche tecnologiche 

e interdisciplinari 

Rivelatori 

Elettronica 

Fisica medica 

Radioprotezione 

Fisica degli acceleratori 

Cavità in rame 

Mammografia 

Large Area Silicon array 


L’interesse interesse nelle nuove tecnologie 

L’interesse dell’INFN nelle nuove tecnologie e nei nuovi materiali è stato sempre 

vivo e attento, pur non essendo tra i suoi obiettivi primari. Ed ha avuto importanti 

ricadute tecnologiche specie nel campo medico e nell’elettronica. 

Questo interesse è principalmente dovuto alla necessità di sviluppare sempre 

nuovi e più efficienti rivelatori per gli esperimenti di fisica nucleare e subnucleare. 

Per questo motivo negli ultimi anni la tecnologia del silicio ha avuto una grande 

importanza per l’INFN ed ha permesso di realizzare rivelatori di radiazione e di 

particelle estremamente sofisticati e di raggiungere scale di integrazione 

elevatissime nei circuiti integrati. 

Ma le nuove sfide degli esperimenti previsti nel prossimo decennio richiedono 

l’apertura di nuove vie e il raggiungimento di nuovi obiettivi. 

In particolare l’attenzione 

l attenzione è ora rivolta 

anche alle nanotecnologie. 


Motivazioni per la fisica nello spazio 

Il piano Cosmic Vision 2015-2025 per il progetto scientifico ESA cita: 

"The proposed mission will be based on large openings and large field-of-view 

optics with high throughput, as well as on large area, highly pixelled, fast 

and high detection efficiency near-UV camera". 

Pertanto è necessario iniziare lo sviluppo di matrici di rivelatori a singolo fotone 

altamente granulari e di grande superficie, con alta efficienza e basso costo, 

sensibili alla radiazione UV. 

Ovviamente rivelatori che al momento non esistono. 


Motivazioni per la fisica con 

PID (Particle ID 

acceleratori 

I dispositivi PID IDentification) basati sulla tecnica del Cherenkov 

imaging costituiscono attualmente un ingrediente essenziale per molti 

esperimenti di fisica adronica: il progresso delle ricerca fondamentale nella 

Fisica Adronica richiede un continuo miglioramento di questa importante 

famiglia di rivelatori. 

In particolare il ruolo dei RICH (Ring Imaging CHerenkov) CH è cruciale in vari 

campi di questo settore della fisica fondamentale. 

ALICE 

RICH 


La tecnologia del silicio 

Attualmente noi viviamo nella cosiddetta SILICON ERA, ERA in cui le 

applicazioni delle proprietà 25 x del 25 silicio pixel hanno permesso SiPM 

di risolvere ogni tipo di 

problema. 

In particolare il silicio è stato fondamentale per la realizzazione di Rivelatori di 

radiazione e di particelle. 

SiPM (Si 

Il prodotto più recente di tale famiglia è il fotocatodo SiPM 

Multiplier), una matrice di pixel a singolo fotone. 

Silicon Photo 

MACRO MICRO 

Domanda: 

E’ possibile invertire il processo? 

1 mm 

MICRO NANO 


Mobile Phone 

SAW Structures 

Pace Maker 

Li-Batteries 

New Materials for Energy 

Bike Frame 

Carbon Fibres 

Composite Materials 

GPS Navigation 

Functional Materials 

GMR Read Head 

Magnetic 

Air Bag 

Accelaration Sensors 

MEMS 

The 

Cosmetics 

TiO 2 Nanoparticle 

Silicon 

Artificial Hips 

Glasses and Coatings 

Biocompatible 

Optical Materials 

Materials 

UV Filter 

Digital Camera 

CCD Chip 

ERA 

Intelligent Credit Card 

Integrated Circuits 

LED Display 

Photonic Materials 

Artificial Lens 

Biocompatible 

Polymers 

Exact Time via satellite 

Semiconductíng devices 

Micro-Batteries 

Taylored Materials at Work …within Nature. 

Multilayers 

Michelangelo Ambrosio - INFN Napoli Incontro con Ingegneri - Bari, 5 aprile 2012 

Courtesy of Luigi Palumbo – Rome University “La Sapienza”

The birth of Silicon ERA 

1958 

Jack Kilby 

Nobel Prize 2000 


The first integrated circuit 

Jack Kilby created 

the first integrated 

circuit at Texas 

Instruments to 

prove that resistors 

and capacitors 

could exist on the 

same piece of 

semiconductor 

material. His circuit 

consisted of a sliver 

of germanium with 

five components 

linked by wires. 


The Silicon 

Technology today 


Medipix 

Medipix 1: square pixels 

of 170 μm side-length 64 x 

64 pixels per chip 

Medipix 2: 256 x 256 

square readout channels 

with a pitch of 55 μm. 

The total sensitive area 

is 1.4 x 1.4 cm 2 for 

outside chip dimensions 

of 1.4 x 1.6 cm 2 . 


25 x 25 pixel 

SiPM 

40 μm m per 

cell 

1 x 1 mm 2 

dimension 

Dolgoshein_Beaune 2002 


The top - down process 


The Moore’s law: the number of transistor in a 

chip doubles every two years! 

Intel 45nm Penryn Yorkfield 

and Wolfdale Processors April 

April 2007 


How long we can continue with the 

Moore’s Moore s law? law 

The ability of silicon semiconductor 

to efficiently conduct electric current 

is lost at a few nanometers 

The 

nano 

world 


The Top – 

Down 

approach 

The Bottom - 

Up approach 


The nanoscience birth 

The first use of the concept of 'nano-technology' was in 

"There's There's Plenty of Room at the Bottom" Bottom 

a talk given by physicist Richard Feynman at an 

American Physical Society meeting at Caltech on 

December 29, 1959 (One year after the Kilby’s 

integrated circuit!). 

What is nanotechnology? 

nanotechnology 

Nanotechnology is the controlled 

manipulation of matter at the 

nanometre length scale 

The future is in smaller things 


A new technology: 

technology: 

carbon 

Since 15 years a new material is continuously increasing its 

importance so that people begin to consider it as the birth of 

a new era: 

The Post-Silicon 

Post Silicon ERA 

This material is CARBON in the form of 

NANOTUBES. 

NANOTUBES 


…from Fullerene to Carbon Nanotubes 

(CNTs) 

New Carbon Allotropes 

C 60 is a “tiny-droplet” of 

graphene sheet 

- radius of 7.10 Å 

- produced by arc- 

discharge 

Fullerene: C 60 

H. W. Kroto, R. F. 

Curl 

and R. E. Smalley 

1985 Rice University 

…the evolution of the experiments 

for the synthesis of C 60 by Arc- 

Discharge has led to Carbon 

Nanotubes discovery 

MWNTs 

Carbon Nanotubes: CNTs 

CNTs are rolled up graphene sheets 

SWNTs 

S. Iijima, 

Nature 354, 

56 (1991) 

NEC 

Laboratories 

S. Iijima e T. 

Ichihashi 

Nature, 363, 

603 (1993) 


What is a CNT? 

A graphene sheet can be rolled 

only one and more than one way, 

producing single walled and 

multiwalled carbon nanotubes. 


∉ N 

Semiconductor 

Channel (FETs), 

Luminescence 

Carbon Nanotubes (CNTs) 

Molecular Nanowires (d ~ 1 nm, l ~ 1 μm) 

SWNTs 

Single Graphene Sheets (d ≈ 0.7 ÷ 3 nm, l ≈ μ-range) 

|n-m|/3 

∈ N 

Metal 

Ballistic Conduction, 

e-wave guides, SETs 

MWNTs 

Coaxial graphene sheets 

(d ≈ 2 ÷ 100 nm, l ≈ μ-range 

(d out ≈ 20 AD , 100 CVD nm) 

Vias 

Nanocomposites 


Growth Mechanism of Carbon Nanotubes 

(CVD and PECVD) 

Substrate 

Ni Catalyst 

deposition 

Ni Clusters 

formation 

CVD or 

rf PECVD 

480 - 650 C° 

10 –5 torr 

10 - 45 min 

400!! - 650 C° 

1 torr 

C2H2 or 

CH 4 

+ NH 

NH 3 


SEM Images 


• External diameter: 15 – 25 nm 

• Internal diameter: 5 – 10 nm 

• Average number of nanotubes: 10 – 15 

CNT Characteristics 


CNT energy levels 

Semiconductors nanotubes show interesting fluorescence 

properties in the region of close infrared (from ~ 1 to ~ 15 

μm) tied to their electronic characteristics. Nanotubes of type 

n-m=3p with p entire positive or null are metallic conductors. 

All the others are semiconductors whose gap is function of 

the diameter, and are approximated from the function: 

E gap =2 y 0 a cc /d 

where y 0 =0.1 eV, a cc =0.142 nm and d is the diameter. This 

implies that for the Single Wall CNT the fundamental gap 

varies from 0.4 to 0.7 eV. 

Multi Wall CNT instead present a wider range of energy 

gap. 


Density of States (states/1C–atom/eV) 

Metallic Zig-zag Semiconducting Zig-zag Armchair 

4 

2 

0 

(5,5) 

(10,10) 

(15,15) 

(20,20) 

–2 0 

Energy (eV) 

2 


4 

2 

0 

(10,0) 

(20,0) 

(30,0) 

(40,0) 

–2 0 

Energy (eV) 

2 

c · K = 2πm 

m = 1 … q 

A multiwall carbon 

nanotube typically 

consists of a 

concentric set of 

nanotubes of both 

metallic and 

semiconducting 

types 

R. Saito, G. Dresselhaus and M.S. Dresselhaus, Physical Properties of Carbon Nanotubes, Imperial College Press (2003) 



4 

2 

0 

(10,0) 

(20,0) 

(30,0) 

(40,0) 

–2 0 

Energy (eV) 

2 

May CNT be used as 

photodetectors? 

A layer of Multiwall Carbon Nanotubes covers 

a wide range of diameters and chirality, 

offering a device sensitive to a wide range of 

radiation frequencies. In addition the CNT 

density is very high, allowing, even in a small 

area, a great number of tubes sensitive to the 

radiation: ≈ 10 8 – 10 10 MWCNT / 1 mm 2 

up to 

3 μm 

(0.4 eV) 


100 μm 

Pt 

Si 3 N 4 

Sapphire 

Silicon 

Various kind 

of substrates 


Photocurrent 

Lamp 

Monochrom 

Chopper 

@400Hz 

fibre 

CNTs 550°C @ +20V drain voltage 

lens 


Photocurrent 


Signals detected 

with the first 

carbon nanotube 

radiation detector 

A. Ambrosio et al: “A prototype of a Carbon Nanotube microstrip radiation detector”, Nuclear Instruments 

and Methods in Physics Research A 589 (2008) 398–403 


Confronto con fotodiodo 

λ = 1064 nm 


A 

V 

Iris 

Diodo con gate ottico 

Lamp 

or 

Laser 

CNT 

AuPt 

Silicon Si 3 N 4 


The new approach: approach: 

CNT on silicon 


V out (mV) 

4 

2 

0 

-2 

-4 

-6 

-8 

-10 

-12 

-14 

-16 

-18 

-20 

Fotocorrente indotta per varie intensità di illuminazione a 650 nm 

-30 -20 -10 0 10 20 30 

Drain Voltage (V) 

0.91 mW 

1.58 mW 

2.62 mW 

3.40 mW 

3.84 mW 


50 

0 

-50 

-100 

-150 

-200 

-250 

-300 

-350 

-400 

I (μμμμA)

Silicon-CNT 

Silicon CNT radiation detector 

Diode laser 


n -

Current (mA) 

I-V V plot of C2 detector @ λ=785 =785 nm 

0.18 

0.16 

0.14 

0.12 

0.10 

0.08 

0.06 

0.04 

0.02 

0.00 

Sample C2 - IV plot for various light intensities at λ=785 nm 

0.1 mW 

0.2 mW 

0.3 mW 

0.4 mW 

0.5 mW 

0.6 mW 

0.7 mW 

0.8 mW 

0.9 mW 

1.0 mW 

-10 0 10 20 30 40 50 


Room temperature 

No electronics 

No signal 

amplification 

Long and stable 

plateau 

Linearity I vs P 

Threshold 3.55 V 

No saturation 

observed 

No aging in two 

years 

Uniformity on all 

the CNT surface 

Breakdrown @ 

>100 V 


C2 

Detectors 

Current (mA) 

Current (mA) 

0,012 

0,010 

0,008 

0,006 

0,004 

0,002 

0,000 

λ λ 

and laser intensity dependence 

0.1mW 

0.2mW 

0.3mW 

0.4mW 

0.5mW 

0.6mW 

0.7mW 

0.8mW 

0.9mW 

1mW 

-0,002 

-40 -20 0 20 40 60 

0,04 

0,03 

0,02 

0,01 

0,00 

-0,01 

0.1mW 

0.2mW 

0.3mW 

0.4mW 

0.5mW 

0.6mW 

0.7mW 

0.8mW 

0.9mW 

1mW 


-40 -20 0 20 40 60 


405 nm 

Current (mA) 

532 nm 

Current (mA) 

0,12 0.1mW 

0.2mW 

0.3mW 

0.4mW 

0,08 

0.5mW 

0.6mW 

0.7mW 

0,04 

0.8mW 

0.9mW 

1mW 

0,00 

-0,04 

-40 -20 0 20 40 60 

0,12 

0,08 

0,04 

0,00 

0.1mW 

0.2mW 

0.3mW 

0.4mW 

0.5mW 

0.6mW 

0.7mW 

0.8mW 

0.9mW 

1mW 


-40 -20 0 20 40 60 


650 nm 

685 nm 


C2 

Detectors 

Current (mA) 

Current (mA) 

0,18 0.1mW 

0,16 

0,14 

0,12 

0,10 

0,08 

0,06 

0,04 

0,02 

0,00 

-0,02 

λ λ 

and laser intensity dependence 

0.2mW 

0.3mW 

0.4mW 

0.5mW 

0.6mW 

0.7mW 

0.8mW 

0.9mW 

1mW 

-40 -20 0 20 40 60 

0,20 0.1mW 

0.2mW 

0,16 

0.3mW 

0.4mW 

0,12 

0.5mW 

0.6mW 

0,08 

0.7mW 

0.8mW 

0,04 

0.9mW 

1mW 

0,00 

-0,04 


-40 -20 0 20 40 60 


785 nm 

Current (mA) 

808 nm 

Current (mA) 

0,24 0.1mW 

0,20 

0.2mW 

0.3mW 

0,16 

0.4mW 

0.5mW 

0,12 

0.6mW 

0,08 

0.7mW 

0.8mW 

0,04 

0,00 

0.9mW 

1mW 

-0,04 

-60 -40 -20 0 20 40 60 

0,20 

0,16 

0,12 

0,08 

0,04 

0,00 

-0,04 

-0,08 


0.1mW 

0.2mW 

0.3mW 

0.4mW 

0.5mW 

0.6mW 

0.7mW 

0.8mW 

0.9mW 

1mW 

-60 -40 -20 0 20 40 60 


880 nm 

980nm 


Conversion Efficiency @ 25V 

QE 

0,35 

0,30 

0,25 

0,20 

0,15 

0,10 

0,05 

0,00 

C2 Quantum Efficiency vs λ 

Polinomial fit 

400 500 600 700 800 900 1000 

Wavelength (nm) 

0.1 mW 

0.2 mW 

0.3 mW 

0.4 mW 

0.5 mW 

0.6 mW 

0.7 mW 

0.8 mW 

0.9 mW 

1.0 mW 

Efficiency (%) 

35 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

0,1 mW 

0,2 mW 

0,4 mW 

0,6 mW 

0,8 mW 

1 mW 

1,5 mW 

2 mW 

400 500 600 700 800 900 1000 

Laser wavelength (nm) 

C2 detector 

The amount of light 

reflected by surfaces is 

of few% of incident flux. 

Two years ago 

For each wavelength 20 measurements of 

photocurrent induced in the detector for various light 

intensities permit to estimate the mean value with 

combined errors of ratio between the number of 

drained charges and the number of incident photons. 


Number of 500 μm steps along y 

3 

2 

1 

0 

-1 

-2 

-3 

-4 

Photocathode uniformity 

Sample C2 - Photocurrent map 

0 1 2 3 4 5 6 7 

Number of 500 μm steps along X 

Current (mA) 

0,005400 


0,05960 

0,05283 

0,04605 

0,03928 

0,03250 

0,02573 

0,01895 

0,01218 

No signal appears 

illuminating the silicon 

substrate.

Comparison between CNT growth at 500 and 700 °C C 

T=500°C 

T=700°C 


Nanolithography and patternization 


1. We can easily obtain any desired 

geometry 

40 μm per cell 

2. The cost is low 



Example of micropads with microstrips 

for signal readout 

Nanostrip 

Micropad

Michelangelo Ambrosio - INFN Napoli

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