• fotorivelazione
• terahertz
• transistor a effetto di campo
• grafene
• nanofabbricazione
• graphene
• field effect transistor
• photodetection
• nanofabrication
• plasmoni
• onde di plasma
• plasmons
• plasma waves

La porzione di spettro elettromagnetico che va da 100 GHz fino a 10 THz (lunghezza d’on-
da compresa tra 3 mm e 30 µm ) viene definita comunemente regione dei Terahertz (THz) e
rappresenta un intervallo di frequenze ancora relativamente poco studiato per quanto riguarda
sorgenti e rivelatori a stato solido.
Tuttavia l’interesse nei confronti della radiazione THz è motivato da molte possibili applica-
zioni spettroscopiche in campi che vanno dal monitoraggio dell’inquinamento atmosferico, al
controllo di qualità in svariati processi industriali, alla ricostruzione non invasiva di immagini
biomediche.
In questo lavoro di tesi mi sono occupato della fabbricazione e successiva caratterizzazione di
rivelatori per radiazione THz (nello specifico operanti intorno ai 300 GHz) basati su transistor
a effetto di campo (FET) con canale in grafene. Il meccanismo fisico che sta alla base della
fotorivelazione è essenzialmente la rettificazione del segnale THz sfruttando il comportamento
non lineare del dispositivo. Il funzionamento di questo tipo di rivelatori THz in grafene è stato
dimostrato recentemente e l’obiettivo della tesi è stato da un lato l’esame di configurazioni e
geometrie che consentano un miglioramento delle prestazioni, e dall’altro lo sviluppo di questi
dispositivi non più con grafene esfoliato ma con una tecnologia di crescita, quale la decom-
posizione termica del SiC, che sia compatibile con processi industriali su larga scala e con la
realizzazione di matrici di rivelatori.
Il lavoro di tesi è così strutturato:
Nel primo capitolo si illustrano le proprietà elettroniche del grafene e le principali manifesta-
zioni sperimentali di queste.
Nel secondo capitolo si tratta il funzionamento dei transistor a effetto di campo in grafene
(GFET), delle loro caratteristiche elettriche e dei meccanismi che stanno alla base della rivela-
zione della radiazione THz sfruttando questi dispositivi. Due approcci teorici vengono esposti.
La teoria di Dyakonov e Shur che si basa sulla descrizione idrodinamica del gas elettronico
bidimensionale del grafene e sull’ instaurarsi di onde di plasma nel canale del FET. Questa
teoria prevede due regimi: uno nel quale le onde di plasma sono smorzate (regime non riso-
nante) e si ha rivelazione a banda larga e un altro (regime risonante) nel quale si crea un’onda
stazionaria tra i due elettrodi di Source e Drain e si hanno nei picchi nella curva di risposta
in funzione della frequenza. L’altra teoria è quella del self-mixing resistivo che non fa ricorso
alle onde di plasma ma spiega la detection in termini puramente elettronici.
Nel terzo capitolo viene spiegato come sono realizzati questi dispositivi partendo dalle tecni-
che di produzione del grafene e quindi descrivendo nel dettaglio le tecniche di nanolitografia
elettronica (EBL), evaporazione termica di metalli e crescita tramite atomic layer deposition
(ALD) di sottili strati di ossido di afnio che viene impiegato come ossido di gate. Sono inoltre
illustrate anche le diverse problematiche incontrate durante la fase di fabbricazione dei di-
spositivi. Nel quarto e ultimo capitolo si mostrano le misure di trasporto e di fotorivelazione
effettuate sui GFET e i risultati ottenuti che vengono discussi alla luce dei precedenti risultati
disponibili in letteratura su questa classe di dispositivi.