Materiali Funzionali

Descrizione attività:

Utilizzando metodi bottom-up, top-down e approcci ibridi, si realizzano nuovi materiali anche con struttura nanometrica: materiali magnetici, ibridi organici-inorganici, carburi, allotropi del carbonio, ossidi, semiconduttori, etc. con proprietà funzionali innovative per le applicazioni nei campi dei materiali magnetici, della biomedicina, della catalisi, del fotovoltaico, del solare a concentrazione, del termoelettrico avanzato, dei sensori, dei rivestimenti. I nuovi sistemi sono prodotti come bulk, film sottili, eterostrutture, strutture nano/meso porose, nanocluster, nanoparticelle, nanocompositi e fluidi complessi.  Le tecniche di preparazione coinvolgono sintesi chimica, deposizioni da soluzione, (spin-coating, Langmuir–Blodgett, spray-coating) e deposizioni in  vuoto (PLD, Sputtering, evaporazione etc).

Le caratterizzazioni riguardano le proprietà di bulk e di superficie: strutturali, microstrutturali e morfologiche (XRD, tecniche spettroscopiche tipo XPS, analisi della composizione chimica, microscopie come AFM, SEM, FE-SEM, EDS etc.); chimico-fisiche e funzionali (magnetiche, di trasporto, ottiche, plasmoniche, elettrochimiche) e fenomenologie (test di corrosione, usura, invecchiamento, ecc.) che coinvolgono sia superfici che  interfacce.

Le attivita’ di preparazione e caratterizzazione trovano supporto in una consolidata attività teorica. Questa attività è rivolta al modelling di semiconduttori organici e metallo-organici di tipo n e p, per la realizzazione di prototipi di OFET, di materiali 2D, ossidi, semiconduttori e loro difetti, nitruri e di materiali magnetici. Per questa attività si utilizzano le risorse di HPC del consorzio CINECA o le risorse computazionali “in-house” sulle quali sono installati i codici DFT Quantum-Espresso, VASP, CPMD, Orca. Si sviluppano inoltre metodi di calcolo multiscala applicati al trasporto in sistemi complessi, quali dispositivi organici o inorganici ed ibridi con applicazioni nell’ambito del fotovoltaico, dell’optoelettronica e la bioelettronica.

Keywords: materiali funzionali, proprietà magnetiche, elettriche e ottiche, optoelettronica, fotovoltaico, solare, sintesi, teoria, caratterizzazione chimico-fisica.

ISTITUTI

COMPETENZE

FACILITIES

(IC)

  • Laboratorio attrezzato per la coltivazione di microalghe;
  • Laboratori di chimica, biochimica e biologia molecolare;
  • Laboratorio per lo studio della fotosintesi;
  • Laboratorio di biosensoristica.

(IRSA)

  • Assorbimento atomico con fornetto di grafite (THGA-AAS, Perkin Elmer AAnalyst 800) per la determinazione di metalli pesanti e metalloidi anche in tracce;
  • Assorbimento atomico accoppiato con sistema di generazione ad idruri per le misure di speciazione di composti quali Arsenico, selenio in frazioni di ppb grafite (FIAS.HG-AAS, Fias400 accoppiato Perkin Elmer AAnalyst 800);
  • Spettrometria di massa a plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS) per la determinazione multi elemento di metalli in tracce (Agilet 7500);
  • Sistema di separazione in colonna accoppiato ad ICPMS (LC-ICPMS) per speciazione di metalli e specie metallorganiche.
  • Digestore a microonde per la digestione acida ad alte temperature e pressione di materiali solidi

(ISM)

  • Deposition systems:
  • MWCVD system customized from an ASTEX S-1500 CVD system (2 kW power, 2.45 GHz frequency) with a programmable automation controller National Instrument Compact RIO for 24/7 deposition.
  • Hot-Filament CVD custom system, up to 4” wafers.
  • PLD system, ArF or KrF (193 or 248 nm) pulsed laser source (Lambda Physik COMPex) (Fig 3.5, right). High Vacuum chamber, Temeprature up to 700°C.
  • Fs-laser PLD system, Ti:Sapphire pulsed laser source (Spectra Physics Spitfire Pro XP, 800 nm, 3 mJ, 100 fs) having selectable repetition rate, in the range 1-1000 Hz. High Vacuum chamber, Temperature up to 400 °C.
    • Material characterization techniques:
      • SEM Cambridge Stereoscan 360 with EDS.
      • AFM Quesant Resolver 250.
      • VTEC Spectral Photoconductivity (200-1300 nm range)
      • RAMAN SPEX-Triplemate in back-scattering geometry (laser wavelength 5 nm)
    • Technological processing:
      • Leybold Z400 RF and DC Sputtering deposition technique for device
      • Mask Aligner Karl Suss MA6 + Spin-coater Suss Microtech Lab. Equip.
      • Delta 10 TT/BM for photoresist deposition
      • Wire Bonder Kulicke & Soffa mod. 4123
    • Device characterization.
      • VTEC (Vacuum & Temperature Electronic Characterization), P≈10-9 torr, 77 K<T<1300 K, with Picoammeter HP4140B, dual-voltage-source (±100 V), Keithley 6517A (Electrometer), 487 (Picoammeter), 2440 (Sourcemeter), 6220 (DC Current Source), 2182 (Nanovoltmeter), 617 (Electrometer), 3390 (Arbitrary Waveform Generator), Solartron 1255, 1260 Impedance/Gain-Phase Analyzers (10 μHz 32 MHz), HP4192A Impedance Analyzer (5 Hz 13 MHz)
      • Banco ottico con monocromatore Newport 180 1400 nm + lampade Xe e deuterio.
      • Angelantoni climatic chamber ACS Challenge 250, -40°C<T<+180°C, 10%<Humidity<98%
      • Yokogawa DLM2052 oscilloscope (2,5 GS/500 MHz) 
    • Spettroscopie Uv-Vis (trasmissione e riflessione),
    • FTIr,
    • XRD,
    • GloveBox,
    • Misure Elettrochimiche (Voltammetria ciclica etc),
    • Deposizione film alto vuoto,
    • Deposizione film spin-coating,
    • Langmuir-Blodgett,
    • Spray coating.
    • Laboratorio di sintesi chimica (sintesi idrotermale, sintesi di chimica dolce, sintesi a stato solido ad alte temperature, tecniche di Schlenk), caratterizzazione tramite UV-vis, FT-IR-ATR
    • Laboratorio Chimico attrezzato con le principali caratterizzazioni spettroscopiche (FTIR, UV-ViS).
    • Apparati di deposizione di film sottili (evaporatore, LB, Spin coating)
    • Magnetometro SQUID (Quantum Design, Hmax = 5.5 T, T = 2 – 400 K).
    • Magnetometro VSM (MicroSense, Hmax = 2 T, T = 100 – 700 K). 
    • Gestione ed utilizzo dei seguenti apparati sperimentali
      • Isteresigrafo (Laboratorio Elettrofisico AMH-300; Hmax = 2 T, RT < T < 500 K) per misure conformi alle norme IEC 60404-5, ASTM A977, IEC/TR 61807
      • Magnetometro VSM vettoriale (MicroSense) per misure di magnetizzazione in funzione della temperatura (77K -770K), campo magnetico (Hmax =2T) ed angolo (in piano 0- 360°; polare 0- 90°) su provini di diversa geometria (discoide per film sottili; cilindrica per polveri e liquidi); opzione per misure di magneto-resistenza a 4 punte for resistances (range 1 -10 k con corrente di probe variabile tra 0 – ±20 mA.
      • Magnetometro SQUID scalare (Quantum Design) per misure di magnetizzazione in funzione della temperatura ( 4K -400 K), campo magnetico (Hmax = 5.5T) 
    • MAGNETOMETRO SQUID
      • Quantum Design MPMS XL-5
      • Hmax = 5.5 T; 2 < T < 400 K o (misure magnetiche scalari in funzione di H, T, tempo)
    • MAGNETOMETRO VECTOR-VSM
      • MicroSense Model-10
      • Hmax = 2 T, 100 < T < 700 K (misure magnetiche vettoriali in funzione di H e T)
    • Spettroscopie-Raman e Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) che danno informazioni complementari sulla composizione dell’artefatto e possono essere applicate direttamente sul campione senza pretrattamento. E’ possibile avere un’analisi superficiale o stratigrafica o di una sezione del campione.
    • Diffrazione a raggi X per la caratterizzazione strutturale.
    • Microscopia ottica per la caratterizzazione morfologica della superficie del bene.
    • Laboratori chimici
    • Sistema di deposizione PLD (Lambda Physik, KrF, = 248 nm; duranta impulso = 17 ns) in grado di operare in condizione di UHV e in atmosfera controllata (O2, N2, Ar).
    • Magnetometro SQUID (Quantum Design, Hmax = 5.5 T, T = 2 – 400 K).
    • Magnetometro VSM (MicroSense, Hmax = 2 T, T = 100 – 700 K).
    • Sistema laser al femtosecondo della coherent.
    • Oscillator Vitara-T 500mW 80MHz con impulsi di larghezza temporale 20 fs (FWHM)
    • Amplificatore Legend Elite, 4 mJ, 1kHz, 35 fs
    • OPA Opera-solo, 240 -20000nm, 40 fs, da 5 – 380 microJ
    • Spettrometro di Assorbimento Transient, IB Photonics, FemtoFrame II
    • Spettrometro di Up-conversion della fluorescenza, Halcyone, Ultrafast Systems (in commodato d’uso dall’Uni Tor Vergata)
    • Linea di generazione delle armoniche superiori (fino a 90 eV, 35 fs) (in commmissioning)
    • Spettrometria di massa a tempo di volo (TOF) con sorgente VUV di sistemi in fase gassosa e liquidi o solidi evaporabili.
    • PES, XPS ,NEXAFS, Spettrometria di massa con radiazione di sincrotrone (Gas Phase Photoemission beamline a Elettra)
    • Set-up non-commerciale per lo studio di sistemi di interesse biologico (proteine, enzimi etc) in fase gassosa con sorgente electro-spray e possibilità di Electro Spray Deposition in aria o deposizione in UHV attraverso tecnica soft-landing (in costruzione).

 (ISMN)

      •  Caratterizzazione composizionale della superficie dei materiali:ESCA (XPS, UPS, AES).
      • Spettrometro ESCALAB MkII (sorgente a doppio anodo Al/Mg, 5-channeltrons, sorgente ioni Ar+ e sorgente elettroni);
      • SpettrometroESCALAB 250X (sorgente monocromatizzata Al K6-channeltrons per la spettroscopia, multichannelplate per la microscopia XPS, sorgente HeI e HeII, sorgente ioni Ar+ e floodgun);
      • Caratterizzazione strutturale dei materiali: XRD, XRF,Spettroscopia micro RAMAN e FT-IRcon Microscopio FT-IR:
      • Diffrattometro XRDSiemens5000;
      • Spettromettro micro RamanRenishaw RM 2000 (equipaggiato con microscopio ottico Leica);
      • Caratterizzazione morfologica di superfici: microscopia elettronica SEM, microscopia a forza atomica AFMe microscopia ottica.
      • Microscopio SEM Cambridge 360(equipaggiato con spettrometro INCA 250);
      • Microscopio FE-SEM LEO 1530 (equipaggiato con spettrometro INCA 450);
      • Microscopio AFM Dimension 3100 Digital Instruments;
      • Microscopio ottico Leica MZFLIII (equipaggiato con camera digitale Leica DFC 320);
      • Caratterizzazione delle proprietà ottica: spettroscopia UV-visibile e spettrofluorimetro.
      • Spettrofotometro UV-Vis JASCO V 660 (equipaggiato con doppio monocromatore ed un fotomoltiplicatore diodo)
      • SpettrofluorimetroFluorolog3 Horiba (con lamapada standardXe da 450W come sorgente di eccitazione, doppio monocromatore, sia in eccitazione che in emissione, un portacampioni per cuvette e un detector fotomoltiplcaore (PMT)).
      • Caratterizzazione delle proprietà termiche:analisitermogravimetrica DTA e TGA.
      • Analizzatore termico StantonRedcroft STA-781.

ISMN ha laboratori attrezzati per la sintesi e la crescita di materiali avanzati organici ed inorganici nanostrutturati e per la deposizione di film sottili.

Per la sintesi chimica :

      • Laboratorio Chimico attrezzato per la sintesi di nano materiali, di sistemi inorganici ed organici e per la fabbricazione di strutture nano e mesoscopiche mediante metodi di sintesi chimica, anche in atmosfera inerte attraverso l’uso di un sistema Glove-box e di diverse linee Schlenk. Inoltre il laboratorio è dotato di apparato Spin Coater  per la realizzazione di film sottili da soluzione.
      • Laboratorio Chimico attrezzato per la sintesi di materiali ceramici per combustione in soluzione e forni ad alte temperature;

Per la fabbricazione di film sottili  :

    • Apparato Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)5 MHZ, RF fino a 250W per deposizioni di rivestimenti a base di carbonio (Diamond-Like Carbon based) e modifica via plasma delle proprietà di superficie di materiali organici e inorganici via plasma. L’apparato è dotato di linee gas per azoto, ossigeno, argon, idrogeno e metano e di una linea separata per precursori liquidi basso bollenti, di riscaldamento del campione fino a 200°C e di pre-camera per trattamento campioni
    • Apparato Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) per deposizioni di film sottili a base ossidica (i.e. TiO2, SnO, TixSnyO), dotato di differenti Linee Bubbler per evaporazione di precursori metallorganici, riscaldamento fino a 800°C e pre-camera per trattamento campioni
    • Apparato Elettrospray, dotato di un generatore di tensione TREK MODEL 610E, una pompa per siringa HARVARD APPARATUS pump 11 Elite e di una fotocamera veloce Mightex, per la produzione di film sottili e per la deposizione di nanoparticelle su opportuni substrati.