Advanced Thin Film Preparation and Nanofabrication of Semiconductor Nanocrystals: Optimizing Electron Beam Lithography for High-Resolution Multicolor Patterns

This thesis presents a comprehensive study on the controlled deposition and precise patterning of semiconductor nanocrystals, with a particular focus on quantum dots (QDs) and nanoplatelets (NPLs), which are of significant interest due to their unique optoelectronic properties and potential applications in next-generation devices such as light-emitting diodes (LEDs), solar cells, and photodetectors. The research explores advanced nanofabrication techniques, electron beam lithography (EBL). This method is used to create high-resolution multicolor patterns of QDs . The core of the work involves optimizing EBL parameters such as aperture size, acceleration voltage, and exposure dose. The goal is to create nanoscale patterns with a few nm resolutions. The study uses deposition techniques including Langmuir-type self-assembly and spin coating. These methods produce uniform and defect-free films of QDs and NPLs, which are needed for intricate patterning. The research examines how EBL process variables affect pattern quality. It provides insights into controlling feature size, line edge roughness, and pattern fidelity. The study also addresses challenges related to nanocrystal film stability, such as ligand migration during patterning and multicolor patterning of QDs and NPLs. Solutions are proposed for these issues. These include developing better surface passivation techniques and using special ligands that improve film stability without reducing pattern resolution. The research analyzes the optical and electronic properties of the patterned nanostructures through fluorescence microscopy. The results show their potential for use in complex device designs. This work advances nanofabrication by providing a solid framework for patterning semiconductor nanocrystals at the nanoscale. It has important implications for developing high-performance optoelectronic devices. The research offers ways to improve device efficiency, make devices smaller, and add multicolor functionality in many applications.

Questa tesi presenta uno studio approfondito sulla deposizione controllata e sulla modellazione precisa di nanocristalli semiconduttori, con un'attenzione particolare ai punti quantici (QDs) e alle nanopiastrine (NPLs), di grande interesse per le loro uniche proprietà optoelettroniche e per le loro potenziali applicazioni in dispositivi di nuova generazione, come i diodi a emissione di luce (LEDs), le celle solari e i fotodetettori. La ricerca esplora tecniche avanzate di nanofabbricazione, tra cui la litografia a fascio di elettroni (EBL), utilizzata per creare pattern multicolore ad alta risoluzione di QDs. Il nucleo del lavoro consiste nell'ottimizzazione dei parametri di EBL, quali la dimensione dell'apertura, la tensione di accelerazione e la dose di esposizione, con l'obiettivo di ottenere pattern a scala nanometrica con risoluzioni dell'ordine di pochi nanometri. Lo studio impiega tecniche di deposizione come l'autoassemblaggio di tipo Langmuir e il rivestimento a rotazione (spin coating) per produrre film uniformi e privi di difetti di QDs e NPLs, necessari per una modellazione dettagliata. La ricerca esamina come le variabili del processo EBL influenzino la qualità del pattern, fornendo approfondimenti sul controllo della dimensione delle caratteristiche, della rugosità del bordo delle linee e della fedeltà del pattern. Lo studio affronta anche le sfide legate alla stabilità dei film di nanocristalli, come la migrazione dei leganti durante la modellazione e la creazione di pattern multicolore di QDs e NPLs, proponendo soluzioni a tali problematiche. Tra queste, lo sviluppo di tecniche di passivazione della superficie più efficaci e l'utilizzo di leganti speciali che migliorano la stabilità del film senza ridurre la risoluzione del pattern. La ricerca analizza le proprietà ottiche ed elettroniche delle nanostrutture modellate tramite microscopia a fluorescenza, evidenziando il loro potenziale per l'integrazione in disegni di dispositivi complessi. Questo lavoro rappresenta un avanzamento significativo nella nanofabbricazione, fornendo un solido quadro teorico e pratico per la modellazione di nanocristalli semiconduttori a scala nanometrica. Ha implicazioni rilevanti per lo sviluppo di dispositivi optoelettronici ad alte prestazioni e offre nuovi approcci per migliorare l'efficienza dei dispositivi, ridurne le dimensioni e integrare funzionalità multicolore in una vasta gamma di applicazioni.