On the fabrication and characterization of high performance graphene electronic devices

The main objective was the development of high-performance graphene-based electronic devices, taking into account state-of-the-art of mainly proof-of-concept devices and trying to go beyond their limits approaching realistic and reliable solutions. In particular, the thesis has been focused on four selected experimental projects (EPs), where important results have been reported. The first EP describes a novel method for the fabrication of multiple suspended graphene membranes on a polymer substrate. This technique overcomes two main drawbacks of other previously reported methods because it does not require critical-point drying and allows to control the shape and position of the suspended area and its integration with other devices on the same substrate. The mechanical properties of the structures were investigated by nanoindentation.These results supported use of the investigated structures as building blocks of advanced nanoelectromechanical systems and sensors, due to a combination of their high carrier mobility and lightness and stiffness. The second EP deals with the challenge of amplifying small AC voltage signals through a graphene-based circuit. Due to the absence of a band gap, voltage amplification in graphene devices has been rarely reported, especially under ambient conditions. Here, high voltage gain (|Av|max = 3.7) was demonstrated in mechanically exfoliated graphene, used as a conductive channel in field effect transistors (FETs) integrated in a complementary configuration. Both the circuit layout and the thin top-gate insulator used (AlOx) were essential in achieving this unprecedented result. The third EP, carried out in collaboration with the Micro and Nanotechnology Lab from the University of Illinois Urbana-Champaign, was pointed towards the extension of the graphene amplifier technology to a wafer scale using chemical vapour deposited (CVD) graphene. The high quality of the graphene films, together with the fabrication procedure employed, resulted in even higher voltage gain (|Av|max = 5.3) with respect to mechanically exfoliated graphene devices. Such high gain allowed signal matching and cascading of graphene logic gates under ambient conditions. The fourth EP, carried out in collaboration with the Quantum Materials & Nanoelectronics group from the Max Planck Institute in Stuttgart, was devoted to the development of graphene nanoribbon (GNR) non-volatile memory devices. A method for the fabrication of GNRs with the use of a protective CdSe nanowire mask towards plasma oxygen etching was successfully demonstrated. Although memory effect with GNRs was reported, the use of a silicon nitride (SiN) charge trapping layer, implemented to achieve non-volatile memory states, did not completely fulfill its purpose and therefore further investigations are required.

L’obiettivo principale di questa tesi è stato lo sviluppo di dispositivi elettronici a base di grafene, tenendo in considerazione lo stato dell’arte dei prototipi funzionali finora realizzati e cercando quindi di superarne i limiti, attraverso l’implementazione di soluzioni affidabili e realistiche. In particolare, la tesi è stata focalizzata su di una selezione di quattro progetti sperimentali (PS), i quali hanno permesso di ottenere importanti risultati. Il primo PS descrive un nuovo metodo per la fabbricazione di membrane di grafene sospese su di un substrato polimerico. Questa tecnica fornisce una soluzione a due dei principali inconvenienti relativi ai metodi precedentemente riportati in letteratura, poiché non comporta lo svilupparsi di tensioni superficiali difficilmente gestibili e consente di avere completo controllo sulla forma e sulla posizione delle porzioni sospese; inoltre, permette l’integrazione della struttura con altri dispositivi sullo stesso substrato. Le proprietà meccaniche dei dispositivi realizzati sono state indagate mediante nanoindentazione; i risultati ottenuti ne supportano l’utilizzo come “mattoni” fondamentali di avanzati sistemi nanoelettromeccanici e sensori, grazie ad una combinazione di alta mobilità, leggerezza e rigidità. Il secondo PS è rivolto alla sfida di amplificare bassi segnali di voltaggio AC attraverso un circuito a base di grafene. A causa dell’assenza di una gap energetica, l’amplificazione di segnali con dispositivi grafenici è stata finora riportata raramente, specialmente a condizioni ambiente. Grazie a questo progetto è stato ottenuto un alto valore di guadagno (|Av|max = 3.7) da dispositivi a base di grafene esfoliato meccanicamente, implementato come canale conduttivo di transistori ad effetto di campo integrati in una configurazione complementare. Sia la struttura circuitale che il sottile ossido di alluminio di top-gate impiegato si sono dimostrati essenziali per l’ottenimento di questo importante risultato. Il terzo PS, sviluppato in collaborazione con il Micro and Nanotechnology Lab dell’Università dell’ Illinois Urbana-Champaign, è stato dedicato all’estensione della tecnologia dell’amplificatore di grafene precedentemente sviluppata ma ad una scala maggiore, utilizzando grafene cresciuto per deposizione chimica da vapore. L’alta qualità di questi film, insieme alla procedura di fabbricazione impiegata, hanno permesso di ottenere valori di guadagno anche superiori (|Av|max = 5.3) rispetto ai dispositivi fatti a partire da grafene esfoliato meccanicamente. Valori di guadagno così elevati hanno permesso di ottenere corrispondenza tra i segnali di ingresso e di uscita di un amplificatore e quindi di far operare in cascata le relative porte logiche, a condizioni ambiente. Il quarto PS, sviluppato in collaborazione con il gruppo Quantum Materials & Nanoelectronics appartenente al Max Planck Institute di Stoccarda, è stato rivolto allo sviluppo di memorie non volatili a base di nanostrisce di grafene. Un metodo per la fabbricazione di nanostrisce di grafene attraverso l’uso di maschere protettive di nanofili di CdSe è stato implementato con successo. Sebbene sia stato possibile misurare un effetto memoria grazie a questi dispositivi, l’impiego di nitruro di sillicio come trappola di carica per rendere l’effetto memoria non-volatile non ha completamente realizzato lo scopo, per cui in questa direzione sono necessarie ulteriori indagini.