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Tesi etd-05072015-092848


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
COLANGELO, FRANCESCO
URN
etd-05072015-092848
Title
Proprieta meccaniche del grafene sospeso analizzate mediante microscopia a scansione di sonda
Struttura
FISICA
Corso di studi
FISICA
Commissione
relatore Roddaro, Stefano
Parole chiave
  • proprietà meccaniche
  • mechanical properties
  • graphene
  • grafene sospeso
  • grafene
  • AFM
  • stress
  • strain
Data inizio appello
28/05/2015;
Consultabilità
parziale
Data di rilascio
28/05/2018
Riassunto analitico
Il grafene è uno degli stati allotropici del carbonio ed è – da un punto di vista<br>strutturale – un cristallo bidimensionale covalente, spesso un singolo atomo. Questa<br>struttura e la natura dei suoi legami chimici conferiscono a questo materiale<br>proprietà meccaniche, ottiche ed elettroniche molto peculiari, che durante gli ultimi<br>anni hanno catalizzato una importante attività di ricerca nell’ambito della fisica<br>dello stato solido.<br><br>Questo lavoro di tesi si focalizza in particolare sulle proprietà meccaniche del<br>grafene, che lo collocano – a parità di peso – fra i più resistenti e flessibili materiali<br>noti. Queste caratteristiche lo rendono interessante in vista di svariate applicazioni<br>innovative, soprattutto nell’ambito dei sistemi micro- e nano- elettromeccanici<br>(MEMS e NEMS), che oggi hanno un importante impatto sia sulle applicazioni<br>industriali che sulla ricerca di base. A titolo di esempio, una membrana vibrante<br>di grafene potrebbe essere usata per implementare un sensore di massa la cui risoluzione<br>potrebbe teoricamente raggiungere il limite del singolo atomo di idrogeno.<br>La realizzazione di questo tipo di dispositivi richiede tuttavia una misura accurata<br>delle proprietà elastiche del grafene e delle deformazioni intrinseche e indotte dai<br>processi di fabbricazione sulle membrane bidimensionali.<br><br>L’obiettivo centrale della tesi è stato quello di studiare, grazie a tecniche di scansione<br>di sonda, le proprietà meccaniche di membrane di grafene sospese su supporti<br>circolari del diametro di pochi micron, quale sistema modello per la realizzazione<br>di NEMS di grafene. Una parte significativa delle attività è stata quindi dedicata<br>prima di tutto ai processi di nano-fabbricazione e ha avuto come obiettivo la realizzazione<br>di grafene sospeso su microstrutture di SiN. Vari dispositivi sono stati<br>realizzati sfruttando grafene ottenuto sia per esfoliazione meccanica della grafite<br>naturale che per deposizione in fase di vapore (CVD). Lo studio si è focalizzato<br>soprattutto sul secondo caso, che ci si aspetta possa avere una maggiore rilevanza<br>nel prossimo futuro e per il quale le proprietà meccaniche risultano meno note nella<br>letteratura scientifica.<br><br>All’attività di fabbricazione è quindi seguita una fase preliminare di analisi morfologica<br>dei campioni, volta a misurare le configurazione di equilibrio meccanico<br>dei dispositivi ottenuti. Modalità classiche di microscopia a forza atomica (AFM)<br>come la scansione in contatto e in tapping sono spesso utilizzate a questo scopo, ma<br>risultano relativamente inefficaci in quanto tipicamente deformano o fanno vibrare<br>la membrana introducendo artefatti non trascurabili. Per questo motivo, durante il<br>lavoro di tesi è stata sperimentata la tecnica di PeakForce tapping, che permette di<br>mappare la superficie del campione andando in contatto con esso senza l’intervento<br>di forza laterale ed esercitando quindi un controllo sulla forza massima applicata<br>dalla punta durante tutta la scansione ed evitando vibrazioni indesiderate. Grazie a<br>mappature a forze estremamente basse (fino a 10 pN) è stato così possibile ricostruire<br>l’effettiva conformazione di un cristallo monoatomico di grafene sospeso su supporti<br>circolari, con la risoluzione spaziale nanometrica tipica della microscopia a forza<br>atomica. Lo studio morfologico è stato quindi completato con misure di PeakForce<br>tapping in modalità Quantitative Nano Mechanics (QNM). Questa tecnica, che è<br>stata recentemente sviluppata, permette di ottenere informazioni spazialmente risolte,<br>qualitative e quantitative, sulle proprietà meccaniche dei campioni analizzati,<br>correlando la topografia con le mappe della forza di adesione punta-campione, della<br>deformazione ad una data forza applicata, della dissipazione indotta dalla scansione<br>e del modulo di Young locale.<br><br>Per quanto riguarda lo studio quantitativo delle proprietà meccaniche del grafene,<br>si è scelto di rivisitare il classico schema della nano-indentazione tramite AFM<br>che consiste nell’acquisizione della deflessione del cantilever durante cicli di carico/<br>scarico effettuati al centro della membrana circolare. Una particolare attenzione<br>è stata dedicata all’eliminazione dei contributi elastici spuri dovuti al cantilever<br>e – fattore spesso trascurato – alla struttura di supporto in SiN. Le curve forzadeformazione<br>sono state analizzate in maniera sistematica ed è stato sviluppato un<br>algoritmo per risolvere le discrepanze spesso riscontrate (e ben note in letteratura)<br>sui parametri meccanici di fit. E’ stata quindi definita una metodologia per estrarre<br>il modulo di Young, la tensione della membrana e, il punto effettivo in cui comincia<br>l&#39;indentazione in modo riproducibile e con un buon riscontro sia con i valori<br>teorici che con quelli presenti in letteratura su sistemi simili. L’analisi delle curve<br>forza-deformazione ha anche permesso di individuare e interpretare alcune anomalie<br>ricorrenti nella risposta elastica, spiegandole con un modello fisico che tiene conto<br>dei fenomeni di adesione e distacco del grafene dai bordi del supporto in SiN. Questa<br>analisi è stata quindi usata per stimare l’energia di adesione grafene-SiN, parametro<br>che riveste un ruolo chiave nella determinazione delle condizioni al contorno del<br>sistema in esame e quindi nella futura progettazione di NEMS di grafene.<br><br>Il presente lavoro di tesi apre la strada allo studio delle proprietà delle membrane<br>vibranti di grafene in correlazione con il ruolo del substrato, del processo di<br>deposizione e della pre-tensione delle membrane sospese. In particolare, partendo<br>da questi risultati sarà possibile determinare le frequenze di risonanza, i modi di<br>oscillazione e i fattori di qualità dei NEMS di grafene, e correlarli con le proprietà<br>meccaniche locali ottenibili tramite le metodologie d’analisi elaborate in questa tesi.
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