Ricerca | Fisica dei Materiali, Dispositivi innovativi e Nanotecnologie

Laboratorio di ricerca su grafene e materiali 2D

In seguito alla (ri)scoperta del grafene nel 2004 tramite esfoliazione meccanica, i materiali 2D hanno attirato molta attenzione nella comunità scientifica. L'attività di ricerca è finalizzata all’acquisizione di nuove conoscenze sui nanomateriali nanostrutturati per i dispositivi nanoelettronici. Le attività sono focalizzate sulle proprietà elettriche ed optoelettroniche di grafene, nanotubi di carbonio (CNT), fosforene, GeAs e dicalcogenuri di metalli di transizione bidimensionali (TMDs) come MoS 2 , ReS 2 , WSe 2 , WS 2 , PdSe 2 , PtSe 2 , ReSe 2 , eccetera. Grazie alla loro struttura ultrasottile, di uno o pochi strati atomici, i materiali 2D consentono architetture di dispositivi e applicazioni non realizzabili con materiali 3D convenzionali. Esempi sono canali di spessore atomico ultra-scalati per transistor a effetto di campo (FET) e FET tunneling, eterostrutture di van der Waals, eterostrutture ibride, ecc. A questo proposito, il ruolo dei materiali, l’architettura del dispositivo, i contatti, e le condizioni ambientali sui dispositivi sono oggetto di indagine. La ricerca si occupa di diversi aspetti relativi alla metodologia, alla caratterizzazione sperimentale, alla proposta di nuove architetture e alla fabbricazione di dispositivi su chip per lo sviluppo di dispositivi optoelettronici innovativi, fotorilevatori, ecc.

I membri del nostro gruppo di ricerca sono esperti nella sintesi, fabbricazione, caratterizzazione di nanofili, nanotubi, grafene e materiali 2D e loro applicazioni in nuovi dispositivi e sensori elettronici. Vengono studiate sistematicamente le proprietà elettriche fondamentali e le potenziali applicazioni di dispositivi basati su materiali bidimensionali. I nanodispositivi sono studiati al variare di diversi paramentri, come la temperatura nel range 77-450 K, la pressione dell'aria da quella atmosferica a 10 -6 mbar, l'ambiente con gas controllato, nonché sotto irraggiamento di fascio di elettroni o ioni.

Altre aree di maggiore interesse per il laboratorio sono lo studio di materiali a bassa dimensione per applicazioni per emissione di campo, memorie non volatili, celle solari e sensori.

Responsabile: prof. A. Di Bartolomeo, E-Mail: adibartolomeo@unisa.it

Membri del gruppo di ricerca:

• Dr. F. Giubileo (CNR-SPIN), E-Mail: filippo.giuboile@unisa.it
• Dr.ssa N. Martucciello (CNR-SPIN), E-Mail: nadia.martucciello@unisa.it
• Dr. A. Kumar, E-Mail: akumar@unisa.it
• Dr.ssa O. Durante, E-Mail: odurante@unisa.it

Transistor ad effetto di campo (FET) basati su materiali 2D

Il grafene e i materiali 2D sono oggetto di studi approfonditi come alternativa al Si per il canale dei transistor a effetto di campo (FET) su scala nanometrica. Il canale ultrasottile rende possibili dispositivi immuni dagli effetti di canale corto; l'elevata mobilità dei portatori di carica del grafene e di altri materiali 2D può comportare un'elevata frequenza di funzionamento. Pertanto, la necessità di migliorare le prestazioni dei FET ha reso il grafene e alcuni specifici materiali 2D candidati eccellenti come materiali conduttivi in applicazioni nanoelettroniche. Il gruppo indaga il comportamento dei dispositivi concentrandoci sul ruolo dei loro difetti intrinseci ed estrinseci e sull'interazione con i contatti metallici. Inoltre, le proprietà di trasporto vengono esplorate su un'ampia gamma di temperature, pressioni e sotto irraggiamento di elettroni.

Responsabile: prof. A. Di Bartolomeo, E-Mail: adibartolomeo@unisa.it

Membri del gruppo di ricerca:

• Dr. F. Giubileo (CNR-SPIN), E-Mail: filippo.giuboile@unisa.it
• Dr.ssa N. Martucciello (CNR-SPIN), E-Mail: nadia.martucciello@unisa.it
• Dr. A. Kumar, E-Mail: akumar@unisa.it
• Dr.ssa O. Durante, E-Mail: odurante@unisa.it

Fotorilevatori

Il gruppo di ricerca si occupa anche dello sviluppo e della caratterizzazione di una nuova generazione di fotorivelatori ad ampia risposta spettrale e compatibili con gli attuali processi di microfabbricazione, basati su eterogiunzioni tra materiali 2D, come grafene o i TMD, ed il silicio. Negli ultimi anni, gli sforzi si sono concentrati sugli studi di fisica e sul miglioramento delle prestazioni dei fotorilevatori basati sui materiali 2D. Ad esempio, di recente, il gruppo ha riportato che i transistor ad effetto di campo con platino diseleniuro (PtSe 2 ) bidimensionale mostrano conduttività elettrica di tipo p e la coesistenza di fotoconduttività positiva e negativa. Il predominio di un tipo di fotoconduttività sull'altro è controllato dalla pressione ambientale. Infatti, la fotoconduttività positiva osservata nell'alto vuoto si converte in fotoconduttività negativa quando la pressione viene aumentata. Inoltre, calcoli numerici confermano che le molecole di ossigeno fisisorbite sulla superficie di PtSe 2 agiscono come accettori. Il desorbimento delle molecole di ossigeno dalla superficie, causato dall'irradiazione della luce, porta a una diminuzione della concentrazione di portatori di carica e quindi della conduttività del canale. La comprensione del trasferimento di carica che avviene tra le molecole di ossigeno fisisorbite e il film PtSe 2 costituisce un modo efficace per modulare la densità dei portatori e le proprietà ottiche del materiale.

Responsabile: prof. A. Di Bartolomeo, E-Mail: adibartolomeo@unisa.it

Membri del gruppo di ricerca:

• Dr. F. Giubileo (CNR-SPIN), E-Mail: filippo.giuboile@unisa.it
• Dr.ssa N. Martucciello (CNR-SPIN), E-Mail: nadia.martucciello@unisa.it
• Dr. A. Kumar, E-Mail: akumar@unisa.it
• Dr.ssa O. Durante, E-Mail: odurante@unisa.it

Memorie con materiali 2D

Si prevede che l'architettura informatica convenzionale disponibile non sarà in grado di memorizzare i dati per future applicazioni di elaborazione ad alta intensità di dati. Per risolvere questo problema, sono in corso ricerche approfondite e calcoli per le unità di memoria non volatile. Le memorie non volatili possono archiviare dati anche quando viene rimossa l'alimentazione e quindi sono utilizzate principalmente nei gadget elettronici. A questo proposito, i materiali 2D, grazie alle loro caratteristiche uniche e notevoli, possono fornire soluzioni per progettare i dispositivi di memoria di prossima generazione. D'altra parte, sono allo studio anche varie sfide e potenziali strategie a livello di selezione di materiali 2D, dispositivi, stabilità, circuiti, e architettura. Il gruppo di ricerca si occupa anche di dispositivi basati su materiali 2D per applicazioni di memoria per esplorare la capacità di immagazzinamento della carica, il tempo di conservazione dei dati e la resistenza a cicli di scrittura/lettura e cancellazione, etc. Le misurazioni dei dispositivi vengono effettuate in condizioni estreme per esaminare il degrado della cella di memoria.

Responsabile: prof. A. Di Bartolomeo, E-Mail: adibartolomeo@unisa.it

Membri del gruppo di ricerca:

• Dr. F. Giubileo (CNR-SPIN), E-Mail: filippo.giuboile@unisa.it
• Dr.ssa N. Martucciello (CNR-SPIN), E-Mail: nadia.martucciello@unisa.it
• Dr. A. Kumar, E-Mail: akumar@unisa.it
• Dr.ssa O. Durante, E-Mail: odurante@unisa.it

Diodi a barriera Schottky

Negli ultimi anni, il grafene è stato uno dei materiali più studiati per diverse proprietà uniche ed eccellenti. Grazie alle sue proprietà fisiche e chimiche e alla facilità di manipolazione, il grafene offre la possibilità di integrazione con la tecnologia dei semiconduttori per lo sviluppo di dispositivi elettronici di prossima generazione. In questo contesto, la comprensione dell'interfaccia grafene/semiconduttore è di grande importanza poiché può costituire un dispositivo autonomo versatile, nonché l'elemento costitutivo di sistemi elettronici più avanzati. Manca ancora una comprensione approfondita della fisica e delle potenzialità dell'eterogiunzione grafene/silicio. Gli studi degli ultimi anni, a cui il gruppo ha dato un contributo significativo, hanno dimostrato che il grafene può formare giunzioni con materiali semiconduttori 3D o 2D che hanno caratteristiche rettificanti e si comportano come ottimi diodi Schottky. La principale novità di questi dispositivi è l'altezza della barriera Schottky regolabile, una caratteristica che rende la giunzione grafene/semiconduttore un'ottima piattaforma per lo studio dei meccanismi di trasporto dell'interfaccia così come per applicazioni come fotorivelatore, cella solare, sensore chimico e biologico, ecc.

Responsabile: prof. A. Di Bartolomeo, E-Mail: adibartolomeo@unisa.it

Membri del gruppo di ricerca:

• Dr. F. Giubileo (CNR-SPIN), E-Mail: filippo.giuboile@unisa.it
• Dr.ssa N. Martucciello (CNR-SPIN), E-Mail: nadia.martucciello@unisa.it
• Dr. A. Kumar, E-Mail: akumar@unisa.it
• Dr.ssa O. Durante, E-Mail: odurante@unisa.it

Sensori

Grafene, nanotubi di carbonio (CNT), fosforene, nitruro di boro esagonale (h-BN) e dicalcogenuri dei metalli di transizione bidimensionali (TMDC) hanno attirato un'attenzione significativa come materiali sensibili in dispositivi per la misura di temperatura, pressione, gas, sostanze chimiche, ecc. Grazie ai progressi nel processi di sintesi e nel controllo strutturale, nuove funzionalità possono essere aggiunte ai dispositivi tramite l’ingegnerizzazione dei difetti, del drogaggio e della fabbricazione di eterostrutture tra vari nanomateriali bidimensionali. A causa della natura planare, i materiali 2D sono facili da integrare in tecnologie planari già esistenti. Oltre ai materiali 2D, anche altri nanomateriali come i nanotubi di carbonio mostrano un certo grado di controllabilità. A causa dell'ampio rapporto superficie/volume e dell'elevato numero di siti di reazione, i materiali nanostrutturati sono molto sensibili allo stato superficiale. Inoltre con la funzionalizzazione o i difetti dei materiali, è possibile modificare la chimica della superficie e quindi adattare la selettività per rispondere in determinate condizioni con un'elevata sensibilità. Di recente, il gruppo ha utilizzato film autosostenuti di nanotubi di carbonio, noti come buckypaper, come elemento sensibile a basso costo per il rilevamento di temperatura, pressione, goccioline d'acqua e alcol. Le caratteristiche elettriche del buckypaper sono molto sensibili alle condizioni ambientali. La conduttanza di un buckypaper, ad esempio, aumenta all’aumentare della temperatura o quando viene applicata una pressione e diminuisce sotto sforzo di trazione o per esposizione a goccioline d'acqua.

Responsabile: prof. A. Di Bartolomeo, E-Mail: adibartolomeo@unisa.it

Membri del gruppo di ricerca:

• Dr. F. Giubileo (CNR-SPIN), E-Mail: filippo.giuboile@unisa.it
• Dr.ssa N. Martucciello (CNR-SPIN), E-Mail: nadia.martucciello@unisa.it
• Dr. A. Kumar, E-Mail: akumar@unisa.it
• Dr.ssa O. Durante, E-Mail: odurante@unisa.it

Proprietà delle emissioni di campo

L'emissione di campo (field emission, FE) è un fenomeno di tunneling quantistico in cui gli elettroni passano da un materiale emettitore (catodo) ad un anodo attraverso la barriera di potenziale del vuoto per effetto di un campo elettrico elevato. Per un dato materiale, i catodi con proporzioni maggiori e bordi più affilati producono correnti di FE più elevate. I catodi freddi a emissione di campo sono i componenti chiave della nanoelettronica del vuoto ed offrono grandi vantaggi rispetto ad altre sorgenti di elettroni basati su effetti termoionici o fotoelettrici. Le nanostrutture sono considerate promettenti emettitori di campo per applicazioni commerciali come schermi piatti, elettronica del vuoto, tubi di potenza a microonde, sorgenti di elettroni, ecc. Per lo studio della FE il gruppo adotta due diversi approcci: il primo è relativo all'applicazione delle tecniche di microscopia a scansione di sonda e consiste nell’usare la sonda del microscopio come controelettrodo che premette la caratterizzazione delle proprietà di FE su scala nanometrica; il secondo approccio sperimentale consiste nel realizzare il dispositivo emettitore di campo all'interno di un microscopio elettronico a scansione in cui sono installati due nanomanipolatori, uno dei quali è usato come anodo. Inoltre, l'uso di una unità di misura e di potenza (SMU) ad alta precisione, consente l'accesso a misure ad alta risoluzione. Nello sforzo di realizzare nuove sorgenti di elettroni, il gruppo realizza indagini sistematiche dell'emissione di campo di materiali a bassa dimensione, come grafene, nanotubi di carbonio, nanofili, nanofibre di SnO 2, MoS 2 , GeAs, ecc. Questi materiali producono correnti di emissione di campo elevate e stabili, dimostrando così la loro idoneità come emettitori di campo.

Responsabile: prof. A. Di Bartolomeo, E-Mail: adibartolomeo@unisa.it

Membri del gruppo di ricerca:

• Dr. F. Giubileo (CNR-SPIN), E-Mail: filippo.giuboile@unisa.it
• Dr.ssa N. Martucciello (CNR-SPIN), E-Mail: nadia.martucciello@unisa.it
• Dr. A. Kumar, E-Mail: akumar@unisa.it
• Dr.ssa O. Durante, E-Mail: odurante@unisa.it

I Laboratori MaSTeR-Lab

I Laboratori MaSTeR-Lab comprendono tre facilities realizzate in collaborazione dal Dipartimento di Fisica e dall’Istituto SPIN del CNR e destinate alla fabbricazione ed alla caratterizzazione di materiali innovativi. La linea di fabbricazione è attiva nella produzione di films sottili di ossidi superconduttori ad alta temperatura critica di tipo electron-doped per la realizzazione di dispositivi elettronici. I films vengono prodotti mediante sputtering DC od AC in camera ad alto vuoto dotata di piattaforma riscaldata in grado di raggiungere temperature fino a 800 °C. Completano la facility un forno orizzontale per il trattamento dei campioni in vuoto od in atmosfera controllata con temperature fino a 1000 °C, ed una postazione per la caratterizzazione delle proprietà di trasporto elettrico in liquido criogenico. Le due facilities di caratterizzazione dispongono di sistemi criomagnetici cryogen‑free per lo studio delle proprietà di trasporto elettrico e termico dei materiali in alto campo ed a bassissime temperature. La facility CFM9T dispone di un criostato equipaggiato con inserto a temperatura variabile operante nel range 1.6 – 300 K e con magnete superconduttore per generazione di campi fino a 9 T. In questo sistema si conducono misure per lo studio dei fenomeni connessi al trasporto di corrente elettrica in una vasta gamma di materiali. In particolare si conducono ricerche in fisica di base dei superconduttori. La facility CFM16T, realizzata nell’ambito del progetto NAFASSY dal CNR-SPIN in collaborazione con il Dipartimento, è equipaggiata con un sistema criomagnetico cryogen-free progettato per la caratterizzazione delle proprietà di trasporto elettrico e termico di materiali superconduttori di rilevanza dal punto di vista delle applicazione in alto campo e/o alta potenza. In questo sistema è possibile eseguire misure in un range di temperatura estremamente ampio che va da 50 mK a 650 K ed in alti campi magnetici (fino a 16 T), con la possibilità di variare la posizione del campione rispetto alla direzione del campo magnetico.

Responsabili:

• prof.ssa A. Nigro, E-Mail: anigro@unisa.it
• Dr. Gaia Grimaldi (CNR-SPIN), E-Mail: gaia.grimaldi@spin.cnr.it

Membri del gruppo:

• Dr. Antonio Leo, E-Mail: aleo@unisa.it
• Dr. Masood R. Khan, E-Mail: mkhan@unisa.it

Laboratorio LAMBDA

Fra le attività di ricerca sperimentale nell’area della Fisica della Materia, lo studio delle proprietà magnetiche di diverse tipologie di materiali, in presenza sia di campi DC che di campi AC, viene affrontato presso il laboratorio “LAMBDA” (“Laboratory for Analysis of Materials Behaviour in Dc and Ac fields”). I materiali vengono studiati in un intervallo di temperatura da 3 K a 400 K, con campi DC fino ad un massimo di 9 Tesla, e campi AC in un intervallo di frequenze da circa 1 Hz a 10 kHz. In particolare, vengono analizzati materiali superconduttori, focalizzando lo studio sui comportamenti dinamici dei quanti di flusso magnetico che si creano al loro interno in presenza di un campo magnetico esterno, e sull’interazione di tali quanti con le impurità ed i difetti cristallini dei materiali, così da acquisire non solo conoscenze relative alla fisica di base di questi sistemi, ma anche ottenere informazioni sui parametri di fabbricazione su cui agire per migliorare le loro proprietà di trasporto elettrico e le potenzialità applicative laddove è richiesto l’utilizzo di alte correnti elettriche (ad esempio, nella generazione e gestione dell’energia elettrica, nel trasporto di persone e merci, nella diagnostica medica, nella ricerca, …). Inoltre, vengono studiate le proprietà magnetiche di diverse tipologie di materiali magnetici, sotto forma di film sottili per l’utilizzo nei dispositivi optoelettronici, e di nanoparticelle magnetiche con vari ricoprimenti funzionali per la loro applicazione nel campo della biomedicina, dell’ecologia e dell’immagazzinamento di energia.

Responsabile: prof. M. Polichetti, E-Mail: mpolichetti@unisa.it

Proprietà elettriche di film sottili ed eterostrutture basate su materiali superconduttivi

[Carmine Attanasio]

• Studio sperimentale delle proprietà di trasporto elettrico di strutture ibride artificiali basate su film sottili di materiali superconduttivi convenzionali.
• Studio della coesistenza tra ordinamento superconduttivo e ferromagnetico.
• Studio della proprietà di trasporto in film superconduttori sottili in cui sia presente un array periodico di difetti e superconduttività in sistemi 1-dimensionali.

Scanning Probe Microscopy and Nano-Matter

[Fabrizio Bobba; Anna Maria Cucolo]

• Studio della configurazione e della dinamica di vortici superconduttivi in ibridi Superconduttore/Ferromagnete tramite Magnetic Force Microscopy a basse temperature.
• Studio delle proprietà elettro-meccanice di film sottili e nanostrutture di ossidi conduttivi tramite tecniche di microscopia a scansione di sonda.
• Studio di biomateriali e biofilm tramite tecniche di microscopia e spettroscopia a scansione di sonda

Studio sperimentale e teorico fenomenologico di superconduttività mesoscopica

[Giovanni Carapella]

• Studio sperimentale e teorico fenomenologico (Ginzburg Landau dipendente dal tempo) di superconduttività mesoscopica in strutture realizzate alla nano-scala mediante litografia da fascio elettronico.

Graphene and 2D materials for nanoelectronics

[Antonio Di Bartolomeo]

• Fenomeni di trasporto elettrico in dispositivi a base di grafene e/o nanotubi di carbonio.
• Materiali mono (1D) e bidimensionali (2D).

Studio delle proprietà di trasporto in materiali superconduttori

[Angela Nigro]

• Misure termiche ed elettriche in alto campo magnetico al variare della temperatura per lo studio dei materiali
• Fabbricazione di film sottili di materiali superconduttori ad alta temperatura critica e studio delle loro proprietà elettroniche nella fase normale e superconduttiva.

Superconductive Devices and Fluctuation Phenomena

[Sergio Pagano]

• Ricerca sperimentale su dispositivi superconduttivi e nanostrutture, per la rivelazione di segnali ottici ed elettronica superconduttiva.
• Studio dei meccanismi di fluttuazione elettrica in materiali e dispositivi avanzati.

Analisi delle proprietà magnetiche AC e DC in materiali magnetici e superconduttori

[Massimiliano Polichetti]

• Studio sperimentale delle proprietà magnetiche di materiali superconduttori e magnetici in campo AC e DC, su campioni in forma di bulk, single crystal, policristalli, films, nastri e nanopolveri.
• Analisi della dinamica dei quanti di flusso magnetico, mediante l’utilizzo di tecniche di magnetizzazione DC e di suscettività magnetica AC multiarmonica.