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
- Biotecnologie algali, nanotecnologie e biosensoristica per la gestione sostenibile delle risorse biologiche, la protezione della salute e dell’ecosistema.(IC)
- Metalli/metalloidi in ambienti acquatici: mobilizzazione mediante processi biogeochimici e metodologie di rimozione in acque destinate al consumo umano (IRSA)
- Studio strutturale con tecniche di diffrazione di Raggi X di materiali funzionali con proprietà magnetiche, elettriche e ottiche (ISM).
- Design, sintesi e caratterizzazione di materiali magnetici avanzati per applicazioni nel campo dell’energia (termoelettricità e magneti permanenti). (ISM).
- Sintesi di nuove molecole organiche e metallorganiche funzionali con proprietà di trasporto di carica, di assorbimento e/o di fluorescenza per dispositivi optoelettronici. (ISM)
- Sintesi e caratterizzazione di materiali ibridi e nano strutturati, nanoparticelle e nano cluster. Sintesi e caratterizzazione di materiali per l’accumolo di energia elettrica. Indagine di decomposizione e studi morfologici su inchiostri per tatuaggi (ISM)
- Sintesi chimica di magneti permanenti e riciclo d’elementi di terre rare da magneti permanenti esausti. Sintesi di Grafene ossido. Sintesi di nanocompositi a base di CNTs (ISM)
- Preparazione chimica e caratterizzazione materiali nanostrutturati (ISM)
- Sviluppo di eterostrutture e nanocompositi magnetici innovativi (ISM)
- Caratterizzazione funzionale di materiali magnetici per applicazioni nel campo dell’energia e della spintronica (ISM)
- Metodi magnetici per datazione, studi di provenienza, studio di tecniche di produzione di manufatti di interesse archeologico. Tecniche di diagnostica ottica LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) per la caratterizzazione elementale, sia superficiale che stratigrafica, e micro-Raman pe rla caratterizzazione chimica della superficie applicate a pigmenti, superfici pittoriche e reperti metallici (ISM)
- Design, sintesi e caratterizzazione di materiali magnetici nano/micro strutturati (particelle e film) per applicazioni in biomedicina (ISM)
- Studio della dinamica ultraveloce e manipulazione di materiali con impulsi laser al femtosecondo (ISM)
- Struttura, energetica e dinamica di molecole di interesse biologico di complessità crescente: radiation damage, radiozensibilizzatori e biosensori (ISM)
- Il lab DiaTHEMA sviluppa materiali per dispositivi in optoelettronica, rivelazione di radiazione ionizzante e conversione di energia solare in ambienti ostili. (ISM)
- Coherent optics in mesoscopic materials (C.O.M.MA.) (ISM).
- Sviluppo di processi di fabbricazione e di metodologie di caratterizzazione chimico-fisica, morfologica e strutturale di sistemi nanostrutturatiavanzati impiegati nei campi del fotovoltaico, meccanica, sensoristica e nano medicina (ISMN).
- Sviluppo di tool scientifici per il modelling del trasporto elettronico in nanostrutture e nano-dispositivi; calcolo di interazioni elettrone-fonone e phonontransport con applicazioni dall’elettronica molecolare; calcolo di proprietà elettroniche di materiali nanostrutturati (quantum-dots, nanofili); Fisica delle superfici e catalisi (ISMN).
- Fabbricazione di nano-materiali e nano-sistemi con proprietà funzionali innovative di interesse tecnologico per il manufatturiero sostenibile (ISMN).
FACILITIES
- Laboratorio attrezzato per la coltivazione di microalghe;
- Laboratori di chimica, biochimica e biologia molecolare;
- Laboratorio per lo studio della fotosintesi;
- Laboratorio di biosensoristica.
- 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
- 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).
- Material characterization techniques:
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- 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 K6-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.
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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 :
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- 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;
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Per la fabbricazione di film sottili :
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- 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.