Istituto dei materiali per l'elettronica ed il magnetismo (IMEM)

Attività di ricerca

L'IMEM rappresenta, con una buona visibilità internazionale, una delle realtà più significative nel campo della scienza e tecnologia dei materiali italiana.
Al di là di considerazioni specifiche l'Istituto sviluppa dinamiche di ricerca orientate, oltre che su temi scientifico/tecnologici di base ed allo stato dell'arte internazionale, anche su temi più strettamente di rilievo per la ricerca industriale vera e propria.
Di seguito si segnalano risultati significativi conseguiti nel periodo recente e che hanno prodotto numerose pubblicazioni scientifiche ed alcuni brevetti.

1) Nel settore delle nanotecnologie e bio-elettronica, particolare rilievo hanno avuto:
- l'estensione del concetto di Quantum Dot strain engineering di nanostrutture di InAs/InGaAs tramite l'utilizzo di barriere di potenziale di InAlAs (barrier enhancing) per confinare maggiormente i portatori nei QDot e limitare l'escape termico degli stessi dai QDot; mediante questa ingegnerizzazione della struttura a bande di QDot é stato possibile realizzare mediante MBE nanostrutture con efficiente emissione a RT estesa fino a 1.59 um, nella finestra spettrale 1.3-1.6 um di grande interesse fotonico;
- la progettazione e realizzazione, via MBE, di nanostrutture con emissione a RT estesa fino a 1.51 um e con proprietà ideali per lo studio e realizzazioni termoelettriche di applicazioni;
- la realizzazione di nanostrutture magnetiche per la progettazione di microdispositivi e memorie, nonché per l'integrazione di sensori in tecnologia planare;
- la modellizzazione e la realizzazione, via sputtering, di film metallici (Fe/FePt) nanostrutturati di tipo "exchange spring" ad anisotropia perpendicolare per impiego nella registrazione magnetica ad elevata densità e in MEMS magnetici;
- la preparazione, mediante CVD, di nuove strutture nanocristalline di ZnO. Con opportune modifiche dei principali parametri di deposizione il materiale nanocristallino è stato ottenuto con diverse morfologie: nanowires, nanosheets, nanocombs, strutture colonnari. Questa varietà di forme dimostra che ZnO combinato con processi di funzionalizzazione e a-funzionalizzazione presenta probabilmente la più ampia famiglia di nanostrutture e con caratteristiche chimico-fisiche su cui IMEM sviluppa applicazioni di impatto nella sensoristica, dispositivi piezoelettrici, optoelettronici, in fotocatalisi e in scienze biomediche.
- un terreno fecondo di sviluppi è quello dei nanosistemi per la biomedica nell'ambito del quale sono stati sviluppati sistemi e nanostrutture che permettono azioni multifunzionali nella terapia, in particolare di tumori, combinando metodi innovativi per il rilascio di farmaci, per la terapia fotodinamica nonché per l'ipertermia a RF e la visualizzazione ed il monitoraggio.

2) Nel settore dei materiali per l'energetica, vanno evidenziati i progressi conseguiti:
- nello sviluppo di una tecnica innovativa per la tecnologia di film sottili per celle e sistemi fotovoltaici. dimostrando di ottenere celle con rendimenti del 16% con film di CIGS deposti con la tecnica PED (Pulsed Electron Deposition) da noi brevettata e che permette scalabilità e sviluppi industriali, anche su substrati non convenzionali e flessibili, su cui siamo già impegnati;
- nell'individuazione della classe di materiali (leghe di Hausler e composti delle terre rare) con caratteristiche chimico-fisiche ottimali per l'effetto magnetocalorico "gigante" sulle quali sviluppano applicazioni nella refrigerazione magnetica;
- nell'ottimizzazione di un processo di deposizione (co-evaporazione termica) di nastri superconduttori di II generazione (HTS-Coated Conductors) con elevate proprietà di trasporto (Jc>10e6A/cm2). I coated conductors con tali caratteristiche sono candidati a sostituire i materiali e le tecnologie attuali nel trasporto di corrente (cavi) e nelle applicazioni di potenza (motori, trasformatori, generatori, magneti,...) con evidenti vantaggi nelle prestazioni e riduzione di peso e volume;
- nella definizione di una architettura innovativa per la realizzazione di un sistema termo-fotovoltaico di produzione di energia basato su celle fotovoltaiche di germanio ed emettitore selettivo di ossido di erbio in una matrice di fibre di allumina.
- nella messa a punto di materiali organici ed ibridi con metodologie innovative per applicazioni fotovoltaiche

3) Nel settore di microelettronica sono di particolare rilevanza:
- la messa a punto della metodologia di deposizione (MOCVD) di film di SiC policristallino cubico su substrati di silicio, da 2", di qualità ottimizzata per la realizzazione di sensori e biosensori;
Nel campo della sensoristica, si segnala:
- il calcolo ab initio delle proprietà elettroniche e strutturali di sistemi complessi di semiconduttori nanostrutturati per impiego in sensoristica avanzata (bionanotecnologia);
- la realizzazione di detectors, basati su CZT, nel range di energia 30/500 KV, di interesse particolare nel campo della "security", dello spazio e della medicina;
- lo sviluppo di elettronica organica ed ibrida di nuova generazione, basata sia su oligomeri che su polimeri, ed orientata principalmente ad applicazioni bioelettroniche, bio-sensoristiche o biomediche;
- lo studio e lo sviluppo di sistemi memristivi sia organici che a base di ossidi, in cui lo sviluppo dei materiali e dispositivi è orientato sia allo sviluppo di un'elettronica adattativa per la computazione non convenzionale, sia allo sviluppo di sistemi modello per le neuroscienze, sia per l'esplorazione di approcci potenzialmente dirompenti nella bioelettronica.

4) Nel settore dell'innovazione di materiali, si segnala:
- la realizzazione di film ibridi organico-inorganici per ablazione termica e spin coating. Film a struttura cubica a base di stagno, metilaminina e alogeno hanno mostrato proprietà di trasporto di interesse per potenziali applicazioni in dispositivi FET. Ugualmente i composti a base di CuCl/ibrido presentano proprietà di fotoluminescenza nel UV estremamente interessanti per applicazioni in dispositivi optoelettronici.
- La realizzazione di strutture ibride a base perovskitica di grande interesse per esempio per il fotovoltaico.
Infine, nel settore della innovazione tecnologica, si segnala:
- la messa a punto di una metodologia innovativa di crescita di cristalli (2" di diametro) di CZT mediante solidificazione direzionale con l'impiego di ossido boro che evita gli effetti dell'interazione crogiolo/cristallo, comunemente presenti nelle usuali tecnologie.
- la realizzazione di nastri superconduttori (HTS-CC) con struttura innovativa, caratterizzata da un singolo buffer layer (ceria drogata). L'architettura, così semplificata, comporta una consistente riduzione dei costi di produzione, pur mantenendo elevate proprietà strutturali (mismatch reticolare) e di "effetto barriera" alla diffusione ionica;
- la realizzazione di un sistema innovativo per l'ossigenazione di YBCO nei nastri superconduttori. L'innovazione consiste nell'utilizzo di flussi gassosi supersonici nel processo di ossidazione dei nastri. Il procedimento (brevettato), basato sul semplice principio dell'espansione (supersonica) di un gas attraverso un ugello opportunamente dimensionato, può essere esteso a lavorazioni che richiedono elevate adesioni delle specie gassose;
- la messa a punto di crescite ALD (Atomic Layer Deposition) ottimizzate per strati di ossidi dispositivi memristivi e per l'elettronica.

La produzione scientifica, si posiziona a buoni livelli (tra i migliori in ambito CNR e non solo) con una produzione media che, dopo un calo negli anni 2007-2010 ha visto una consistente ripresa attestandosi intorno alle 80-90 pubblicazioni ISI/anno, frutto anche della maturazione di nuovi indirizzi di ricerca che hanno contestualmente portato anche ad una crescita molto significativa delle citazioni/anno che hanno superato le 550 l'anno scorso e nell'impatto medio delle riviste che si è attestato intorno a 4. L'Istituto è titolare di 5 brevetti attivi e ne ha in fase di deposito altri 3.

L'organizzazione

In coerenza con un'impostazione degli obiettivi di ricerca orientati sia alla ricerca di base che all'impatto sul sistema produttivo, IMEM ha organizzato la propria attività su 8 commesse che originariamente afferivano a due diversi Dipartimenti: Materiali e Dispositivi (DMD) ed Sistemi di Produzione (DSP).

Al Dipartimento Scienze fisiche e tecnologie della materia (DSFTM) afferiscono:
- Progettazione, preparazione e studio di materiali magnetici funzionali (resp.le Dr.ssa Franca Albertini)
- Sviluppo, caratterizzazione strutturale e modelling di strutture avanzate per elettronica (resp.le Dr. Giancarlo Salviati)
- Nanoscienze: crescita di materiali, funzionalizzazioni e dispositivi (resp.le Dr. Roberto Verucchi)
- Proprietà delle superfici e dei cluster di materiali nanostrutturati (resp.le Dr.ssa Letizia Savio)

Al Dipartimento Ingegneria, ICT e tecnologie per l'energia e i trasporti (DIITET) afferiscono:
- Nuovi sistemi elettronici per il manufacturing (resp.le Dr. Roberto Mosca)
- Materiali e processi per applicazioni in energia (resp.le Dr. Edmondo Gilioli)
- Sistemi per la conversione di energia (resp.le Dr. Claudio Ferrari)
- Acquisizione di Segnali (resp.le Dr. Andrea Zappettini)

Con la riorganizzazione in corso dei Dipartimenti l'afferenza al DIITET nell'ambito del quale le attività hanno trovato collocazione andranno valorizzate con partecipazione diretta a progetti/programmi di altri Dipartimenti ed in particolare di DSFTM e DSCTM (Scienze chimiche e tecnologie dei materiali).
L'organizzazione summenzionata per diversi aspetti richiederà una rivisitazione anche profonda con la definizione dei nuovi regolamenti che si presume modificheranno ruoli e modelli organizzativi.