Proprietà quantistiche della materia: qualche applicazione

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1 Proprietà quantistiche della materia: qualche applicazione Proprietà ondulatorie della materia: microscopia elettronica Applicazione dell effetto tunnel: Scanning Tunneling Microscope Applicazioni alla nanofabricazione

2 Microscopia Ottica Arc Lamp Excitation Diaphragm Excitation Filter Ocular Objective Emission Filter

3 Principali fattori che limitano la risoluzione 1) Profondità di campo

4 2 Diffrazione Minima dimensione laterale dello spot nel punto focale dell ordine di λ x = 0.61 n sin Θ

5 Microscopia confocale Nel microscopio confocale si bypassa il problema della profondità di campo riscreano l immagine prima dell oculare, e filtrandola con un diaframma (emission pin-hole). Questa geometria consente di avere un alta risoluzione in profondità Objective Laser Excitation Pinhole Excitation Filter PMT Emission Filter Emission Pinhole

6 Microscopia a due fotoni Luce emessa in seguito all assorbimento di 1 fotone Luce emessa in seguito all assorbimento di 2 fotoni La risoluzione spaziale si può aumentare molto misurando la luce emessa dal campione in seguito all assorbimento simultaneo di due fotoni con energia nella gap-proibita, invece che di un fotone con energia maggiore della gap. A due fotoni la regione eccitata è quella in cui è grande il quadrato dell intensità del laser di eccitazione, ed è considerevolmente più piccola della regione eccitata ad un fotone (vedi foto).

7 Risoluzione massima Risoluzione in z 100 nm Xy 400 nm a 1 fotone Circa 200 nm a 2 fotoni

8 Qualche esempio Tessuto cerebrale di un topo

9 Polline La sensibilità lungo z consente di ricostruire immagini 3D (destra) partendo da diverse sezioni ad una data profondità (come quella di sinistra)

10 Immagine 3D di Collagene

11 Dimensioni e costi Microscopio tradizionale 10 k Microscopio a fluorescenza 20 k Microscopia confocale 250k Risoluzione della microscopia ottica sulla scala di centinaia di nanometri

12 1 tera = giga 10 9 = mega 10 6 = kilo 10 3 = milli 10-3 = micro 10-6 = nano 10-9 = pico = Sezione di un capello : nm Sezione di un batterio: nm Distanza interatomica in un cristallo: 0.5 nm Atomo di Idrogeno: 0.05 nm Raggio classico dell elettrone: m Lunghezza di Planck (la più piccola dimensione ipotizzata nell universo): m

13 Come appare il mondo a diverse scale di lunghezza

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22 Se si vogliono ottenere informazioni microscopiche di sistemi più piccoli di qualche centinaia di nanometri non si possono utilizzare microscopi ottici, perché non hanno la risoluzione spaziale sufficiente. Data la grande quantità di sistemi interessanti più piccoli di 100 nm questo limite è pesante. Vediamo come si supera

23 La risoluzione di un microscopio ottico (il piccolo dettaglio che può essere distinto) è dato da : x λ λ = 0.61 nm n sin Θ Il limite di risoluzione intorno alle poche centinaia di nanometri deriva dal valore della lunghezza d onda della luce visibile. E anche noto però che le particelle microscopiche si muovono con proprietà ondulatorie, con lunghezza d onda data dalla relazione di De Broglie: λ = h p = h 2mE Questa lunghezza d onda può essere ben più piccola di quella della luce visibile. Ad esempio la lunghezza d onda di De Broglie di un elettrone di energia 100 ev è di circa 0.1 nm

24 Microscopio elettronico (Ernst Ruska 1931); Nobel per la fisica nel 1986 Analogia tra microscopio ottico e microscopio elettronico Light source Electron source Anode Condenser lens Object (specimen) Objective lens VANTAGGI Elevata risoluzione spaziale < 2Å Sensibilita alla composizione chimica Tecnica diretta Intermediate image Projector lens Final image SVANTAGGI Preparazione dei campioni: tempi lunghi e possibile introduzione di artefatti Costi elevati Interpretazione non banale del contrasto delle immagini: necessita della simulazione

25 Microscopio elettronico: le tecniche Incident beam Backscatterd electrons Secondary electrons Characteristic x Rays (EDS) La risoluzione dipende dalla velocità degli elettroni Specimen Inelastic electrons (EELS) Auger electrons Elastic electrons (HREM) Unscattered electrons λ = h p Tensione di Accelerazione (kv) Lunghezza d onda (Å) Transmitted electrons (TEM)

26 Nanocristalli di CdSe Qualche risultato. Nanocristalli di ZnO

27 Ancora ZnO microstrutturato, si vedono distintamente le diverse orientazioni delle facce cristalline

28 Microsfere polimeriche

29 Multistrati di semiconduttori differenti

30 Un cluster di un semiconduttore cresciuto in una matrice di un materiale diverso. I singoli puntini sono gli atomi dei due materiali. Si distingue anche la diversa geometria cristallina del cluster e della matrice (vedi ingrandimenti)

31 Dimensioni e costi Bassa risoluzione 200 k Risoluzione atomica 1M Dove: SEM a bassa risoluzione presente nel Dip. di Ingegneria SEM e TEM ad alta risoluzione presenti nel CNR-IMM di Lecce

32 Applicazioni dell effetto tunnel alla microscopia P riflessione m,v? P tunnel L idea di partenza: In meccanica quantistica una particella interagente con una barriera di potenziale la può attraversare anche se ha energia minore dell altezza della barriera. Questo fenomeno si chiama effetto tunnel.

33 La probabilità di tunnelling decresce esponenzialmente al crescere dello spessore della barriera di potenziale a. Trasmission coefficient ka

34 Come si fa ad avere effetto tunnel in sistemi reali Nei materiali metallici gli elettroni (a T=0 K) occupano tutti gli stati fino al livello di Fermi, lasciando vuoti quelli ad energia più alta. La distanza tra il livello di Fermi e il livello di vuoto (elettrone libero) dipende dal materiale.

35 Applicando una differenza di potenziale tra i due materiali gli elettroni più energetici nel materiale di destra si trovano ad energie in cui ci sono stati vuoti nel materiale di sinistra. I due materiali sono separati di d, e questa spaziatura rappresenta una barriera di potenziale che ostacola il trasferimento di elettroni. Gli elettroni possono però attraversare la barriera per effetto tunnel, generando una corrente misurabile. Visto che tale corrente dipende dal numero di elettroni che attraversano la barriera, e quindi dal coefficiente di trasmissione T, la corrente dipende fortemente da d, a causa della forte diminuzione di T al crescere di d.

36 Per avere alta risoluzione laterale uno dei due materiali deve essere sotto forma di punta molto assottigliata Bassa risoluzione laterale Alta risoluzione laterale

37 Tipica punta di uno Scanning Tunnelling Microscope

38 Il Microscopio a Scansione at effetto Tunnel (STM) E sensibile alla morfologia Alle proprieta elettriche locali La risoluzione è atomica: 0.3 nm Struttura schematica di un STM Atomi di nichel su ferro

39 Qualche esempio Morfologia in risoluzione atomica della grafite (sinistra) e del NaCl (destra)

40 Manipolazione su scala atomica La possibilità di interagire con i singoli atomi rende fattibile (idealmente) la manipolazione di un atomo alla volta tramite lo schema in figura: Si avvicina la punta all atomo (1), si fa passare corrente legando l atomo alla punta (2), tirandolo fino alla posizione finale (3), per poi lasciarlo li spegnendo la corrente (4) e allontanando la punta (5).

41 Questa tecnica funziona, come dimostrato dal logo IBM costituito da singoli atomi di Xenon spostati su una superficie di Nichel (110), e dal recinto di atomi di ferro su rame, assemblato progressivamente nella figura a destra in alto. Recinti quantistici: atomi di Ferro su Rame (111) Atomi di Xenon su Nichel (110)

42 Tecniche di micro e nanofabbricazione Le problematiche relative allo sviluppo di microscopi con alta risoluzione spaziale è direttamente legata alla capacità di realizzare micro e nanostrutture con tecniche litografiche

43 Per realizzare i dispositivi l approccio attualmente utilizzato è la litografia ottica (Approccio Top-Down (lo SCALPELLO!)) Litografia ottica Il limite fisico per scrivere mediante un fascio di luce focalizzato è dato dal limite di diffrazione : x = λ 0.61 n sin Θ Nella attuale tecnologia del silicio si usa luce ultravioletta emessa da laser ad eccimeri (KrF). Il limite raggiunto per elementi in commercio è: x = 90nm

44 Il risultato finale

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48 Un esempio l Intel Pentium

49 La legge di Moore La legge di Moore stabilisce che la densità di transistor su un chip raddoppia ogni 2 anni. Questo aumento di densità, dovuto alla miniaturizzazione dei dispositivi porta ad un aumento delle prestazioni e ad una riduzione dei costi.

50 Verifica sperimentale della legge di Moore Confronto tra il numero di transistor sui chip Intel (punti blu) e l andamento esponenziale previsto dalla legge di Moore (linea rossa). Dopo il processore si nota come l aumento reale del numero di chip abbia iniziato a rallentare, e attualmente raddoppi ogni 2,5 anni (curva arancione)

51 Il numero di transistor su un chip nel tempo , ,400,000 (486 25MHz) ,000,000 (P4 2.2GHz)

52 Quanto costa un transistor? Nel 1952, anno di commercializzazione del transistor il costo di ogni dispositivo era 30 $ Nel 1965 il prezzo era sceso fino a 5 $ Attualmente 1 milione di transistor costano circa 1 $

53 Al diminuire delle dimensioni dei transistor abbiamo: Maggiore velocità di risposta dei dispositivi, perchè le distanze percorse per diffusione diminuiscono Minore potenza dissipata Un numero maggiore di transistor per chip, che consente di miniaturizzare i computer a parità di capacità di calcolo, o di aumentare le capacità di calcolo a parità di dimensioni

54 Fino a quando il tasso di crescita del numero di chip rispetterà la legge di Moore? La decrescita delle dimensioni non può procedere all infinito, perchè su piccola scala la materia è costituita da atomi di dimensioni e a distanza, per quanto piccole, comunque finite. Inoltre su piccola scala entrano in gioco processi quantistici. La previsione di Moore, di un rallentamento nel 2017, è orrimistica, dato che già adesso il tempo di raddoppio del numero di transistor è aumentato dai 24 mesi della legge di Moore a circa 36 mesi.

55 Fino a quanto possiamo diminuire le dimensioni dei dispositivi? Questo problema è stato affrontato in un celebre seminario nel 1959 da Richard Feynmann, intitolato There s a plenty of Room at the bottom An invitation to enter a New Field in Physics. Questo seminario è generalmente preso come primo passo verso lo sviluppo delle capacità di controllare e ingegnerizzare la materia su scala atomica, più nota con il nome di Nanotecnologia. Il testo integrale del seminario, davvero notevole, si trova al link

56 L inizio del seminario di Feynman:. Io vorrei descrivere un nuovo campo, in cui poco è stato fatto, ma in cui un enorme quantità di cose possono essere fatte in principio. Questo campo non ci racconterà molto di fisica fondamentale ma è più simile alla fisica dello stato solido, nel senso che ci potrebbe dire molto di grande interesse a proposito di strani fenomeni che avvengono in situazioni complesse. Inoltre un punto molto importante è che avrebbe un numero enorme di applicazioni tecniche. Quello di cui voglio parlare è il problema della manipolazione e del controllo di cose su piccola scala. Non appena faccio menzione di questo le persone mi parlano della miniaturizzazione, e di quanto è progredita oggigiorno. Mi parlano di motori elettrici delle dimensioni dell unghia del mignolo. E ci sono dispositivi in commercio, mi dicono, con i quali potresti scrivere il Padre Nostro sulla testa di uno spillo. Ma questo non è niente; questo è solo il più primitivo passo iniziale nella direzione che intendo discutere. E un mondo stupefacentemente piccolo quello che c è sotto. Nell anno 2000, quando si guarderanno indietro a quest era, si chiederanno perché si è dovuto aspettare fino al 1960 perché qualcuno iniziasse seriamente a muoversi in questa direzione.

57 I punti principali da chiarire: Le leggi fisiche pongono dei limiti alla miniaturizzazione? Su scala molto piccola compaiono effetti quantistici, e non si possono diminuire le dimensioni al di sotto di quelle atomiche Come si possono usare sistemi nanoscopici per immagazzinare dati Come si realizzano Nano - macchine Come si realizzano dispositivi elettronici a scala atomica e molecolare LE ABILITA RICHIESTE: Scrivere (costruire) su scala atomica Leggere (vedere, misurare interagire) su scala atomica

58 A che punto è arrivata la miniaturizzazione dei transistor Il grafico riporta l evoluzione nel tempo delle dimensioni minime dei costituenti di transistor FET. Si può notare dei dispositivi attualmente in commercio (90 nm) non sia molto lontano dalle dimensioni (circa nm) per cui gli effetti quantistici diventano dominanti.

59 Come si realizzano nanostrutture Struttura schematica di un FIB In linea di principio è possibile usare tecniche litografiche per realizzare oggetti di dimensioni minime qualsiasi, a patto che la lunghezza d onda utilizzata sia sufficientemente piccola. Per raggiungere il regime dei nanometri non si utilizza radiazione elettromagnetica per scrivere le strutture, perché è difficile avere sorgenti di luce con emissione in questo intervallo spettrale. Si sfruttano invece le proprietà ondulatorie delle particelle, dotate di lunghezza d onda di De Broglie che facilmente si può portare a valori nanometrici. I due sistemi più diffusi di questo tipo usano fasci di elettroni (EBL Electron Beam Lithography) e il FIB (Focused Ion Beam). A parità di energia gli ioni usati dal FIB hanno lunghezze di De Broglie più piccole degli elettroni dell EBL, avendo massa più grande

60 Qualche esempio Immagine Nano-colonne di Germanio cresciute su Silicio tramite un FIB. Si noti il marker delle dimensioni in basso a destra

61 500 nm Il FIB può anche essere usato per creare strutture tridimensionali, usando la reattività chimica del fascio di ioni per indurre localmente reazioni chimiche che rimuovano il semiconduttore

62 Altro esempio dei risultati ottenibili sfruttando la possibilità di indurre reazioni chimiche locali. In questo caso il FIB combinato con un EBL è stato usato per creare un foro di circa 200 nm di diametro, all interno del quale è stato fatto crescere una nanocolonna di Platino di circa 50 nm di diametro. Nanostrutture di questo tipo sono degli efficienti emettitori di elettroni con diverse possibili applicazioni

63 Un approccio alternativo Per avere informazioni sulla morfologia di una superficie spesso non serve guardarla, ma basta sfiorarla. Su scala atomica l avvicinamento porta a forze dipolo-dipolo di tipo Van der Waals tra la punta del microscopio e il campione, fortemente dipendenti dalla distanza punta-campione, e quindi dalla morfologia superficiale. Il microscopio che sfrutta questo principio va sotto il nome di Atomic Force Microscope. Dato che l interazione di Van der Waals dipende dalla sesta potenza della distanza tra punta e campione, se tale distanza è dell ordine del nanometro lo strumento è sensibile a variazioni morfologiche su scala atomica.

64 Esempi di misure ottenibili con un AFM Punta di un microscopio AFM

65 Applicazione dell AFM alla litografia La punta dell AFM può essere usata per depositare con grande risoluzione linee di inchiostri fatti con molecole, con un ruolo analogo a quello del fotoresist nella litografia tradizionale. L idea è simile a quella che fa funzionare una penna biro, però in questo caso le linee che si scrivono sono larghe pochi nanometri L idea I risultati

66 Altri esempi di micro e nanofabbricazione Microchip 3D Scacchiera di microlaser Un FET

67 Esempi di fabbricazione di dispositivi meccanici micrometrici (Micromachining) La capacità di realizzazione di realizzare microstrutture è particolarmente rilevante anche in meccanica, grazie al ridotto peso degli attriti su scala micrometrica. L immagine a destra rappresenta un tipico microsistema meccanico 50 µm

68 Confronto di dimensioni tra un microingranaggio e un acaro della polvere

69 Altri esempi ed applicazioni si possono trovare sul sito