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Sintesi di Carburo di Silicio a temperatura ambiente

Il Carburo di Silicio (SiC), è un semiconduttore che ha proprietà chimico/fisiche uniche e tali da renderlo ideale per applicazioni per ricoprimenti indurenti e protettivi, in optoelettronica e sensoristica. E' di fatto l'alternativa più promettente al Silicio per l'elettronica ad alta potenza/alta frequenza ed operante in condizioni proibitive (temperatura, radiazioni, agenti chimici aggressivi), mentre la sua biocompatibilità apre nuovi scenari per applicazioni nel biomedicale. Inoltre, essendo uno dei substrati di riferimento per la crescita di grafene, il SiC è sicuramente un candidato molto promettente per lo sviluppo di una elettronica basata proprio sul grafene.
Nonostante l'utilizzo di diversi approcci per la sua crescita, la sintesi di SiC ad alta qualità e bassa difettività è ancora oggi una sfida aperta. Uno dei parametri più critici è la temperatura del processo, tipicamente più alta di 1100K, tale da generare diversi fenomeni indesiderati durante la crescita ed anche alti costi di produzione.
La eteroepitassia di SiC su Silicio è molto interessante poiché porta alla formazione del politipo cubico (3C), che ha potenzialmente le migliori proprietà elettroniche. Tuttavia, le differenze di parametro reticolare e dilatazione termica portano ad una alta difettività nel film di carburo, che potrebbe essere ridotta diminuendo sensibilmente la temperatura di sintesi. La tecnica di Epitassia da Fasci Molecolari (MBE) usando la molecola di buckminsterfullerene (C60) come precursore di carbonio si è rivelata un buon approccio per la sintesi di SiC a 1200K ca.
Nei laboratori IMEM di Trento abbiamo dimostrato la sintesi a temperatura ambiente (300K) di 3C-SiC nanocristallino sulla superficie Si(111)7x7 grazie all'attivazione cinetica del processo tramite l'utilizzo di fasci molecolari supersonici di C60 (SuMBE). Grazie ad un processo di accelerazione aerodinamica, l'energia cinetica traslazionale del fullerene può raggiungere valori fino a 60eV, tali da indurre processi chimico/fisici fuori dall'equilibrio termodinamico durante la sintesi del film grazie a questi fasci molecolari ipertermici. Sono state condotte analisi in situ di spettroscopie elettroniche (XPS, UPS, LEED) ed ex situ di microscopia (AFM, TEM) che hanno dimostrato la presenza di nanoisole cristalline di 3C-SiC e una soglia di attivazione del processo di formazione del carburo attorno ai 35eV per il C60.
Inoltre, grazie alla collaborazione con il gruppo teorico LISC della Fondazione FBK di Trento è stato simulato l'impatto C60-Si(111)7×7 con la teoria del Funzionale Densità (DFT), mostrando come la rottura del fullerene (passo fondamentale per la formazione del SiC) alle energie cinetiche trovate sperimentalmente sia possibile andando oltre l'approssimazione di Born-Oppenheimer usando una dinamica molecolare non adiabatica (NA-MD) per intrecciare correttamente i moti nuclei ed elettronici.
Questo lavoro è stato pubblicato sul Journal of the American Chemical Society (http://dx.doi.org/10.1063/1.4774376) e ha avuto la copertina del Journal of Chemical Physics. Di fatto, il nostro studio apre scenari impensabili fino a poco tempo fa, con la possibilità di realizzare film completi di SiC a temperatura ambiente, anche su substrati che non sopportano alte temperature (come i polimeri), utilizzando un approccio di crescita in codeposizione, ovvero con più fasci supersonici di precursori a base sia carbonio che anche silicio.

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