Descrizione del modulo "Metodologie innovative per lo studio ed il controllo delle proprietà (opto)elettroniche di materiali e dispositivi multifunzionali (MD.P04.026.003)"

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  • Descrizione del modulo "Metodologie innovative per lo studio ed il controllo delle proprietà (opto)elettroniche di materiali e dispositivi multifunzionali (MD.P04.026.003)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Sviluppo di nuove classi di dispositivi o materiali per applicazione in campo sensoristico e bio-sensoristico. In particolare, è di interesse la realizzazione di biosensori label-free, a basso costo, basati sull'impiego di transistor organici con possibile integrazione di layer cellulari funzionali. L'uso dei transistor organici potrebbe consentire, infatti, di ottenere in via diretta una trasduzione elettrica dell'attività metabolica e/o elettrogenica dei sistemi cellulari considerati. Questa possibilità può avere dirette conseguenze sullo sviluppo di strumenti diagnostici point-of-care, di semplice impiego ed elevata selettività; -Avanzamento della conoscenza umana; -Sviluppo di nuove tecnologie di fabbricazione e analisi. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Le tematiche sono incentrate sull'uso di metodi emergenti per lo studio e lo sviluppo di sistemi multifunzionali. Il campo d'indagine sarà comunque ristretto a specifici materiali, in grado di distinguersi per il loro crescente interesse, il grado di innovazione e di multifunzionalità, il possibile impiego nelle applicazioni di (opto)elettronica, energetica e spintronica. Tali materiali appartengono a due classi principali: a) Carbon-based: Polimeri azo-benzenici, oligomeri e polimeri semiconduttivi (es. Poltiofeni, Perileni, Picene), bio-polimeri, film silicio-carbono, composti con caratteristiche di trasporto elettronico e/o ionico; b) Ossidi: ossidi convenzionali conduttivi e semiconduttivi (ZnO, TiO2) e ossidi a forte correlazione elettronica: manganiti (La0.7Sr0.3MnO3, BiMnO3,) cuprati (es. La2-xSrxCuO4), multiferroici (BiFeO3, BiMnO3) e interfacce basate su gas di elettroni bidimensionali (LAO/STO), con sensibilità allo strain, a campi elettrici e magnetici, al doping elettronico o chimico. Una parte delle attività sarà dedicata all'utilizzo di tecnologie fisiche per lo sviluppo di materiali e dispositivi di interesse per la biosensoristica. (literal)
Competenze
  • Accanto a metodologie classiche di caratterizzazione delle proprietà strutturali e morfologiche (AFM, diffrazione a raggi X) e di trasporto elettrico (misure I-V, C-V, effetto di campo), il Modulo si distingue per l'uso e lo sviluppo di tecniche avanzate di sintesi e indagine. Tra le principali competenze, si ricordano: -Crescita di film sottili ed eterostrutture basate su composti organici, ossidi o ibridi mediante deposizione da fase vapore (sputtering, evaporazione Joule o a fasci supersonici, PLD); -Tecniche di microscopia e spettroscopia ottica (microscopia e spettroscopia di generazione di seconda armonica, microscopia ottica confocale, spettroscopia di foto- ed elettro-luminescenza); -Tecniche di spettroscopia e d'indagine strutturali con luce di sincrotrone (Spettroscopia per scattering inelastico di raggi X e di assorbimento di raggi X, Dicroismo lineare e magnetico, Diffrazione di superficie ad angoli radenti); -Tecniche d'indagine spettroscopica e morfologica avanzate mediante microscopia a scansione di sonda (microscopia e spettroscopia a campo prossimo, Scanning tunnelling Spectroscopy, Kelvin probe microscopy, Piezoforce Microscopy); -Tecniche litografiche. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Individuazione di semiconduttori organici (con particolare riferimento a quelli tipo n) con alti valori di mobilità dei portatori (tra 0.1 e 1 cm2/volt*sec) ed elevata stabilità elettrica in aria. Tale obiettivo mira a rendere disponibili per il ciclo produttivo semiconduttori organici affidabili per la fabbricazione di circuiti elettronici complessi e con prestazioni ottimizzate (uso della logica CMOS); Ricaduta nella tecnologia delle tecniche spettroscopiche per l'analisi di materiali; Sviluppo di prototipi di dispositivi a effetto di campo basati su sistemi a forte correlazione elettronica; Sviluppo di sistemi multifunzionali di ossidi basati sull'effetto magnetoelettrico; Sviluppo di dispositivi per l'energetica basati su materiali organici, multiferroici e ferroelettrici innovativi (literal)
Tecnologie
  • I materiali d'interesse sono depositati in forma di film sottili e di sistemi multilayer, con presenza di interfacce organiche e inorganiche, utilizzando tecniche di deposizione da fase vapore e tecniche chimico-fisiche. La caratterizzazione elettrica si basa sull'uso di strumentazione specializzata (multimetri, pico-amperometri, LCR meter) e il possibile ricorso a processi per la deposizione di contatti metallici (per sputtering o evaporazione) e a sistemi di bonding per la micro-contattazione. Le caratterizzazioni avanzate dei materiali includono la diffrazione a raggi X in configurazione Bragg o ad angolo radente, basate anche sulla radiazione di sincrotrone. Tra le altre tecnologie sviluppate, si citano la spettroscopia RIXS e, in particolare, lo Spettrometro AXES per spettroscopia di emissione di raggi x, installato presso ID08 di ESRF e lo spettrometro SAXES presso ADRESS a Swiss Light Source. E' inoltre in corso la progettazione di un nuovo spettrometro (ERIXS) per ID08 di ESRF che dovrebbe rappresentare il punto di riferimento a livello mondiale. Sono, infine, ampiamente usate di tecniche litografiche e di soft-lithography per la realizzazione di microcanali in PDMS. (literal)
Obiettivi
  • - Controllo dei gradi di libertà (opto)elettronici e magnetici di materiali multifunzionali mediante effetto di campo elettrico e magnetico; - Doping elettronico di semiconduttori organici e inorganici; - Transizione di fase in sistemi a forte correlazione elettronica e in composti organici mediante la tecnica \"electric double layer\"; -Effetti magneto-elettrici per la manipolazione degli spin e della carica in sistemi multiferroici; - Fabbricazione di eterostrutture organiche (es. T6/Perilene), inorganiche (es. LAO/STO) o ibride con proprietà multifunzionali, trasferimento di carica, dimensionalità ridotta e grado di conduzione elettrica modulabile con campi elettrici e/o magnetici; - Bilayer ferroelettrici/magnetici (es. LSMO/BFO) per dispositivi magnetoelettrici; - Realizzazione di transistor organici elettricamente stabili in aria e con possibile risposta ambipolare mediante combinazione di semiconduttori di tipo p ed n; - Sistemi epitassiali con transizioni di fase al variare dello strain (Es. SMO strained); -Sviluppo di tecnologie di interesse biosensoristico, basate sull'uso di dispostivi organici e/o tecniche fotolitografiche e/o sistemi di deposizione innovativi. (literal)
Stato dell'arte
  • I ricercatori sono leader in Italia nello studio dell'effetto di campo in materiali a forte correlazione elettronica e negli organici di tipo n, nell'uso e nello sviluppo di tecniche spettroscopiche (RIXS, XAS) mediante luce di sincrotrone (presso SLS e ESRF), e nella spettroscopia a scansione di sonda (STM/STS). In riferimento alla spettroscopia laser, le tecniche di maggior uso sono basate sulla luminescenza (statica o time-resolved) a temperatura variabile e sulla generazione di seconda armonica (SHG) in film e multilayers. Un set-up di microscopia SHG nonlineare, in linea con i migliori standard internazionali, è dedicato allo studio dei fenomeni di trapping e charge-transfer in FET organici. Inoltre, è condotta regolarmente un'attività di sviluppo e utilizzo di apparati di microscopia a scansione in campo prossimo e di microscopia confocale laser a scansione. Un sistema MAPLE è utilizzato per la deposizione di composti macromolecolari di scarsa solubilità. Nel campo delle applicazioni biosensoristiche, si segnala l'impiego di processi di soft-lithography per la realizzazione di micro canali in PDMS e lo sviluppo di tecniche lab-on-chip. (literal)
Tecniche di indagine
  • Nell'attività del Modulo, si fa ricorso principalmente a: - Tecniche di caratterizzazione elettrica di tipo volt-amperometrico nel regime DC, con particolare riferimento a quelle basate sull'effetto di campo mediante barriere dielettriche a stato solido o soluzioni elettrolitiche; - Tecniche di spettroscopia d'impedenza per la modellizzazione della risposta elettrica di materiali e dispositivi; - Spettroscopie ottiche ed elettrottiche su diverse scale di risoluzione spaziale e temporale: assorbimento ottico ed IR, spettroscopia di luminescenza risolta in tempo, in temperatura ed eccitazione; - Microscopia confocale ed in campo prossimo a scansione; - Spettroscopia e microscopia di seconda armonica; - Spettroscopia di assorbimento (XAS) e spettroscopia a scattering risonante inelastico di raggi X (RIXS) mediante luce di sincrotrone; - Microscopia e spettroscopia a scansione di sonda, scanning tunnelling microscopy (STM), Kelvin probe (KFM) ed Electrostatic Force Microscopy (EFM), anche in condizioni criogeniche; - Spettroscopie in fotoemissione elettronica e a diffusione anelastica X; - Diffrazione di superficie (GXID). (literal)
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