PHo d S Laboratory PHysics of defects in Semiconductors

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1 PHo d S Laboratory PHysics of defects in Semiconductors Cosa studiamo? Semiconduttori o Elementari o Wide gap o Organici Dispositivi quantistici Nanostrutture Come? Spettroscopie ottiche Spettroscopie a raccolta di carica Tecniche microscopiche

2 Silicio nanocristallino per applicazioni nel campo dell Energia Solare Fotovoltaica Progetti finanziati dall UE Nanocristalli di Si in matrice di Si amorfo 1000 nm Caratterizzazione del materiale con AFM

3 Wide gap GaN: laser blu Sony: DVD recorder che contengono 5 volte i dati dei vecchi DVD recorder basati sui laser rossi λ blue < λ red Dimensione più piccola del bit di informazione registrato Rivelatori di radiazione: SiC, CdZnTe, GaAs o Rivelatori per UV, raggi X e gamma o Elevata stabilità termica o Applicazioni spaziali, mediche e industriali. Dispositivi quantistici o Transistor ad alta velocità o Laser a quantum wells p- GaN MQ W n- GaN

4 Studio di composti basati su InN Celle solari. Il gap energetico diretto di In 1-x Ga x N copre gran parte dello spettro solare. Le celle solari basate su questa lega ternaria possono essere molto efficienti (30-40%)!!! Segregazione di In in AlInN studiata mediante AFM

5 Elettronica Organica Lo sviluppo di nuovi dispositivi elettronici basati su semiconduttori organici (a base di C, H e O) sta aprendo la strada ad applicazioni innovative: display flessibili, celle solari stampate a getto di inchiostro su pellicole trasparenti o colorate a piacere, sensori biocompatibili La fisica dei processi di trasporto elettronico di questi materiali è ancora da comprendere e viene studiata mediante tecniche sperimentali Viene studiato in particolare dettaglio il processo di impiantazione ionica (introduzione nel reticolo di ioni estranei sparati ad alta energia) per modificare la proprietà strutturali ed elettriche del semiconduttore organico.

6 Cristalli Molecolari Organici Caratterizzazione sperimentale di Cristalli Singoli Molecolari (CSM) cresciuti da soluzione (low-cost e bio-compatibili) proprietà strutturali (impacchettamento molecolare anisotropo) proprietà elettroniche (mobilità dei portatori di carica elettrica) proprietà vibrazionali (frequenza di oscillazione dei legami molecolari) Sviluppo di nuovi dispositivi basati su CSM: mobility [cm 2 /Vs] axis c axis b axis a crystals sensori chimici ad alta sensibilità sensori di radiazioni ionizzanti (raggi X, alfa e beta)

7 Materiali nanostrutturati I can hardly doubt that when we have some control of the arrangement of things on a small scale we will get an enormously greater range of possible properties that substances can have. R.P. Feynman (1959)

8 Materiali nanostrutturati Le proprietà fisiche di un materiale cambiano drasticamente quando le sue dimensioni diventano inferiori a una qualche lunghezza caratteristica: cammino libero medio, estensione di una funzione d onda, parete di dominio. Multistrato (2-D) Nanofili (1-D) Nanoparticelle (0-D)

9 Proprietà elettriche di nanostrutture a semiconduttore 1 µm Dimensioni nanometriche 70 nm Studio della variazione dello spigolo di assorbimento con il diametro del nanofilo per l effetto Franz-Keldysh (alto campo elettrico presente nel nanowire)

10 Materiali nanostrutturati: metalli e magnetismo Temi di ricerca Materiali magnetici Idruri metallici o Interazione di scambio o Trasporto di spin o Transizioni di fase o Meccanismi cinetici Sintesi di Nanostrutture Tecniche sperimentali Magnetometria, Spettroscopia anelastica Calorimetria, spettrometria di massa Raggi X e microscopia elettronica Camere di crescita

11 Proprietà magnetiche di nanostrutture I materiali magnetici nanostrutturati sono impiegati nel settore dei trasporti, della registrazione di dati, della sensoristica, in campo elettronico e medico. Ossido di Fe Fe

12 Sistemi Magnetici Nanogranulari Nanoparticelle magnetiche disperse in un diverso materiale (matrice) Nanoparticelle di Co in matrice di Al 2 O 3 Materiali magnetici soft (sensori) Materiali magnetici hard (magneti permanenti) Materiali a magnetoresistenza gigante Effetti di finite-size (superparamagnetismo) Effetti delle interazioni magnetiche (dipolare, di scambio)

13 Nanostrutture e energia: accumulo di idrogeno L idrogeno potrebbe diventare il vettore energetico e il combustibile del futuro.. Processo simile alla condensazione di vapore Reversibilità, sicurezza Transizione di fase metallo-idruro: un gas condensato nel cristallo!

14 Preparazione di nanostrutture: Inert Gas Condensation (Bottom-up) Nanoparticelle metalliche: Fe, Ni, Pd, Mg Nanocompositi Solidi nanocristallini

15 Preparazione di nanostrutture: Macinazione Meccanica (Top-down) Materiali nanocristallini metallici (es. Mg, Fe, Ni) Materiali compositi nanogranulari (es. Ni/NiO, Co/CoO)

16 Aspetti Teorici Sistemi elettronici e di spin fortemente correlati Recentemente sono diventati sperimentalmente importanti sistemi unidimensionali e bidimensionali (nanotubi di grafene, superconduttori ad alta temperatura, reticoli ottici). Partendo da una modellizzazione descritta da una Hamiltoniana si utilizzano tecniche analitiche e numeriche per una analisi delle proprietà fisiche del sistema, quali diagrammi di fase, funzioni di correlazione, trasporto, ecc..

17 L + H= H = tt { {[c [ ci iσ σc i i 1σ + 1 σ [1[1 x n x( ni + i σ σ n ni i 1 σ + ) hc + ]] un + n }} i i i= i= 1,σ σ Aspetti Teorici Analiticamente si utilizzano tecniche di molti corpi e di teoria dei campi Numericamente si utilizzano algoritmi numerici di simulazione basati sulle proprietà delle matrici densità ridotte

18 Aspetti Teorico/computazionali La cosiddetta Teoria del Funzionale Densita' e gli algoritmi da essa derivati sono attualmente lo strumento numericamente piu' efficiente ed accurato per lo studio quantitativo di diversi sistemi di materia condensata. Sfruttando infrastrutture di calcolo ad alte prestazioni fino a centinaia di processori (ad es. CINECA) si analizzano a livello quantistico le proprieta' strutturali e dinamiche di nanostrutture a partire dai costituenti atomici. In figura: Potenziali medi interni in fogli di grafene con difetti adsorbiti

19 Produzione anomala di energia da metalli idrogenati E-cat: una black-box che genera, in forma (pare) pulita, fino a 400 volte la potenza che assorbe: Un enorme? O una splendida opportunità? Sfida aperta fra due punti di vista contrastanti e contrastati. Uno studio non convenzionale su ciò che potrebbe cambiare il nostro futuro, o rivelarsi l n-esima delusione. loris.ferrari@unibo.it

20 Tesi anche presso aziende Sono possibili tesi presso aziende o in collaborazione con le medesime, su progetti applicati. Gli argomenti possono essere quanto mai differenti fra loro, col comune denominatore di richiedere conoscenze di Fisica della Materia e passione per le applicazioni. (Rif. Professor E. G. Campari)

21 Viaggi di istruzione European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), Grenoble (2000, 2002, 2005) Laboratorio ELETTRA, Trieste (2003) MEMC, Merano (Bz) (2004, 2009) Ispra, Va, JRC (EI) (2005) TASC e ELETTRA,Trieste (2006, 2010) ST Microelectronics, Agrate (MI) (2007) Centro ricerche FIAT, laboratorio Chi-Lab a Torino e ESRF Grenoble, (2008)

22 Sbocchi post-lauream: dove in particolare? Industria: piccola media impresa, settore bio-medicale, sensoristica, enti spaziali (ESA) grande impresa (es STmicroelectronics, IBM, ENI) Ricerca: enti di ricerca italiani: CNR, ENEA,etc Università e laboratori di ricerca in Italia e all estero