CitdN fidZOCrescimento de Nanofios de ZnO · Objetivos Controle do Crescimento e Reprodutibilidade dos Nanofios de ZnO; Nanolitografia para Crescimento de Nanofios Localizados: •

Monografia

C i t d N fi d Z OC i t d N fi d Z OCrescimento de Nanofios de ZnOCrescimento de Nanofios de ZnOEmissão de CampoEmissão de Campopp

JOÃO W. L. DE OLIVEIRAJOÃO W. L. DE OLIVEIRADaniel L. Baptista (Orientador)Daniel L. Baptista (Orientador)Daniel L. Baptista (Orientador)Daniel L. Baptista (Orientador)

José R. Galvão José R. Galvão André L. F. André L. F. CauduroCauduroHenri I. Henri I. BoudinovBoudinov

PGMicro – UFRGS - PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM MICROELETRÔNICA

VII Mostra da Pós-Graduação do Instituto de Física da UFRGS PORTO ALEGRE, AGOSTO DE 2008

SumárioSumário

Introdução;Emissão por campo;Emissão por campo;Crescimento dos nanofios de ZnO;Litografia;AplicaçõesAplicações.


Introdução


ObjetivosObjetivosObjetivosObjetivosControle do Crescimento e Reprodutibilidade dos Nanofios de ZnO;Nanolitografia para Crescimento de Nanofios Localizados:

ô• Microscopia de Força Atômica (AFM);•• Litografia por Litografia por Íons Individuais;

Lit fi Lit fi MiMi f if i Iô iIô i•• Litografia por Litografia por MicroMicro--feixefeixe Iônico.Iônico.

Emissão por campo com Nanofio de ZnO;Fl t D Ilh d M t i• Floresta Densa, Ilhas espaçadas, Matrizes.


Emissão por Campo


Emissão por CampoEmissão por Campo

Emissão de elétron por efeito de campo;p ;• de dentro de um sólido para o vácuo;

Campo elétrico intenso;Campo elétrico intenso;Cátodo frio;;Equação de Fowler-Nordheim(1928);


Emissor de elétrons (Emissor de elétrons (nanofionanofio//nanotubonanotubo))Emissor de elétrons (Emissor de elétrons (nanofionanofio//nanotubonanotubo))

MicrocátodoGate (poly-Si)

Insulator (SiO2)

Emitter (CNT)Emitter (CNT)

0.8µmEmitter electrode(TiW/Mo/TiW)SiO2 ( )


Modelo para emissão de elétronsModelo para emissão de elétrons

Sem Campo Com CampoExcitação Tunelamento

Energia Potencial

TérmicaTunelamento

Vácuo Vá

Metal

Vácuo

Metal

Vácuo


Modelo para emissão de elétronse 12

Modelo para emissão de elétronsEvac

Metal Vácuo

xπεeEU(x) vac

116 0

−−=Função

trabalho

eeFxEU(x) 12−

=Φxπε

eFxEU(x) vac 16 0−−=Φ

EFUmáx

EF

21

3 ⎞⎛ FPGMicro – UFRGS - PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM MICROELETRÔNICA

2

0

3

4)( ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−=Φ

πεFeEEF Fvacefφφ Δ−=Φ )(Fef

Aumento do CampoAumento do CampoAumento do CampoAumento do Campo

Formato da Ponta de Emissão:Melhor PiorMelhor Pior

(a) Cilíndrico; (b) Pirâmide; ( ) S i E f id l (d) Pi id l


(c) Semi-Esferoidal; (d) Piramidal.

Esquema de MedidaEsquema de MedidaG d d Si 3 d

2 mm

Grade de Si - 3 mm de diâmetro;Vg negativo, E(fonte)=

2 mm

g ega o, ( o e)Vg/100 µm;• Vg 0 – 1000 V.

Filt o de elét ons

3 mm10 mm

Filtro de elétrons secundário -200 V;Va= +80 V; 3 mm

100 µmSiIa ~ 1pA.


Corrente X Tensão0.01

0.1

ZnO nanowires on Si70

1E 4

1E-370 μm gap

1E-5

1E-4

A)

1E-7

1E-6 I (A

1E 9

1E-8

0.0 3 0x106 6 0x106 9 0x106 1 2x107 1 5x1071E-10

1E-9


0.0 3.0x10 6.0x10 9.0x10 1.2x10 1.5x10

E (V/m)

Equação de Fowler NordheimEquação de Fowler-Nordheim⎞⎛ Φ⎞⎛ 5176 104464101051⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Φ×−⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

ΦΦ×

=−

ββ

aplapl EEAI

5,1722

6 1044,6exp4,10exp105,1

I C t d i (A)

⎠⎝

I- Corrente do emissor (A);A- Área aparente de emissão (cm²);• 1,4x10-7 cm² (matriz) e 3x10-8 cm²., ( )

Eapl- Tensão aplicada (V/cm);Φ- Função de trabalho do emissor (eV);• 4,9 eV nanotubo - multicamada.

β- Fator de campo aparente.


Densidade de NanotubosDensidade de NanotubosDensidade de NanotubosDensidade de NanotubosField shielding effecte d s e d g e ect


Tubos alinhados são mais eficientes para aplicações de emissão de campo.

Distância IdealDistância Ideal

a) Distância/Altura= 6 b) Distância/Altura= 2

c) Distância/Altura= 1 d) Distância/Altura= 0,4c) Distância/Altura 1 d) Distância/Altura 0,4

PGMicro – UFRGS - PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM MICROELETRÔNICANanotubo Distância/Altura

Densidade de NanotubosDensidade de NanotubosFloresta densa: 109/cm²;Tubos espaçados: 107/cm²;Matriz: 106/cm²;• ~5 µm altura.5 µm altura.


Corrente X TensãoCorrente X TensãoM i Matriz: menor campo elétrico aplicado com a FNmaior corrente que passa pelo anodo;;β - 250 – 1500.


Crescimento dos nanofiosd Z Ode ZnO


Crescimento de NanofioCrescimento de NanofioMetal Metal catalisadorcatalisador (Au, Sn, Cu)(Au, Sn, Cu)EspessuraEspessura dos filmes finos de catalisador, 1dos filmes finos de catalisador, 1--101010nm;10nm;Fluxo de Fluxo de gásgás entre 10entre 10--100 sccm;100 sccm;P ãP ã (1(1 20 b )20 b )PressãoPressão (1(1--20 mbar)20 mbar)Concentração relativa de Concentração relativa de pópó de grafitede grafite e e ZnOZnO;;Gá d 2/O2 (2 %) /O2Gá d 2/O2 (2 %) /O2Gás de transporte N2/O2 (21%) ou Ar/O2;Gás de transporte N2/O2 (21%) ou Ar/O2;TemperaturaTemperatura do substrato (500 do substrato (500 –– 900 900 °°C).C).


Crescimento de Nanofios SemicondutoresCrescimento de Nanofios Semicondutores

Síntese

Mecanismo Vapor-líquido-sólido (VLS)


Crescimento de Nanofio ZnOCrescimento de Nanofio ZnO

ZnO(sólido) + C(sólido) ↔ Zn(vapor) + CO(vapor) (T>970 °C)

Fluxo de O2

Zn(vapor) Zn(vapor)

Fio2 C + O2 = 2 CO

Au Au Crescimento2 CO + O2 = 2 CO2


2 Zn + O2 = 2 ZnOYang, P., Yan H., Adv. Mater. 2002 12 323.

Floresta de NanofiosFloresta de NanofiosTemperaturaTemperatura de crescimento dos nanofios de ZnO: 830°C


Morfologias


PatterningLithography


NanolitografiaNanolitografia por íons individuaispor íons individuaisNanolitografiaNanolitografia por íons individuaispor íons individuais

Poros em PMMAPoros em PMMA(máscara)

diâmetro ~25 nm


NanofiosNanofios Individuais deIndividuais de ZnOZnONanofiosNanofios Individuais de Individuais de ZnOZnO


Aplicação


AplicaçõesAplicaçõesAplicaçõesAplicações

Mostradores delgados;Mostradores delgados;Microscópio por feixe de elétron;Microscópio por feixe de elétron;Microscópio por feixe de elétron;Microscópio por feixe de elétron;NanolitografiaNanolitografia;;Amplificador de Microonda Amplificador de Microonda (compacto);(compacto);(compacto);(compacto);Tubos de RaioTubos de Raio--X (portátil).X (portátil).


Mostrador por Emissão de Mostrador por Emissão de CampoCampo


Monitor Motorola 15”Monitor Motorola 15”Monitor Motorola 15Monitor Motorola 15


Crescimento deCrescimento de NanofioNanofio dede ZnOZnOCrescimento de Crescimento de NanofioNanofio de de ZnOZnOEmissão por CampoEmissão por Campop pp p

Obrigado!Obrigado!gg

[email protected]@gmail.com08/08/200808/08/2008


08/08/200808/08/2008

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