SCIENZA DEI MATERIALI E NANOTECNOLOGIE

Linea 1

Materiali per energetica

Coordinatore Prof. Giorgio Flor

Linea 2

Materiali per sensori e biosensori

Coordinatore Prof. Giorgio Guizzetti

Linea 3

Materiali e dispositivi per ottica, fotonica e biofotonicaCoordinatore Prof. Vittorio Degiorgio

Linea 4

Metodologie innovative per la caratterizzazione funzionale e strutturale di materiali e dispositivi

Biomateriali per ingegneria tissutale

Ø Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)

Ø Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)

Linea 1 – WP 1

• Energia distribuita

• Utenze domestiche

• Autotrazione

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)

ü preparazione e caratterizzazione dei materiali che costituiscono i tre “strati funzionali” (anodo, catodo e elettrolita) in una cella a combustibile ad ossidi solidi.

ü assemblaggio di elettrodo/elettrolitaper la preparazione di celle singole

In particolare, l’attenzione è rivolta a IT-SOFC

(temperature di utilizzo nell’intervallo 500-700°C)

- elettrolita Ce0.8Gd0.2O2-δ (CGO)

- anodo Ni-CGO cermet

- catodo La1-xSrxFe1-yCoyO3 (LSFCO)

Linea 1 – WP 1

1. Sintesi di ossidi in forma nanometrica

2. Deposizione di film di ossidi per RF-sputtering, screen-printing o tape-casting

2θ (°)

20 30 40 50 60

I (ar

.un.

)

0

200

400

600

800

CGO 500C CGO ss

3. Caratterizzazione strutturale (diffrazione di raggi X e neutronica)

4. Caratterizzazione morfologica (AFM, SEM)

5. Caratterizzazione elettrica (spettroscopia di impedenza, corrente continua)

Z' (Ω x 107)

0 1 2 3 4 5

Z''

(Ω x

107 )

0

1

2

100 Hz

ba c

120 Hz

0.01 Hz

Z' ( Ω x 104)0 1 2 3 4 5 6

Z'' (

Ω x

104 )

01

23

456

7

80 kHz0.01 Hz

103/T (K-1)

0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

logσ

[Ω-1 c

m-1]

-5

-4

-3

-2

-1

pure sample Na K Rb

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)

Linea 1 – WP 1

Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)

SHS autocostruito con controllodell’atmosfera e delle modalità di raffreddamento.

Semplice apparatoProduzione veloceBassi costiProdotti di alta purezza

Lavori sperimentali e di simulazione su materiali a base di zirconia, ossidisemplici e complessi, cermet, siliciuri, etc.

Linea 1 – WP 1

Es: la zirconia cubica in bulk (dimensione di grano ~ 15 nm, ρ > 98%) mostra un cambio del meccanismo di conduzione se esposta ad umidità. La riduzione di resistività a bassa temperatura la rende confrontabile con altri conduttoriprotonici, con il vantaggio di superiore stabilità meccanica e chimica.

Zirconia, ceria,

La1-xMxMnO3(M = Na, Ca, Sr)

Carburo di boro

zirconati di bario drogati

Boruri di metalli di transizione

Spark Plasma Sintering di nanopolveri (SPS)Linea 1 – WP 1

N

N

NH

NH

N*

*n

PolyPoly--2,2’2,2’--(2,6(2,6--pyridine)pyridine)--5,5’5,5’--bibenzimidazolebibenzimidazole

N

N

OH

Si OO

CH2

CH2

CH2

** n

Filler basico attivosintesi sol-gel

SiO2-Im (%)

0 10 20 30 40 50

σ12

0°C (S

/cm

)

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

after leachingbefore leaching

SEM – Mappa Si

L’aggiunta del filler determina un incremento di conducibilità dopo lavaggio di un fattore 103!

Linea 1 – WP 2

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)

Collaborazione con Chimica Organica

Biosensori

Graphite latticeof silicon pillars

Γ

Μ

Κ 0.5 µm 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80

0.4

0.6

0.8

1.0

Ref

lect

ance

Energy (eV)

pulito HSA BSA

Cristalli fotonici (PhC) di piccola superficie (100x100 µm2) possono essere utilizzati come biosensori grazie alla presenza di intense risonanze estremamente sensibili alle condizioni ambientali (es.: risonanze plasmoniche di superficie, SPR, o SERS)

La risonanza fotonica di un PhC silicio-su-isolante (SOI) mostra rilevanti shift in energia in seguito a esposizione a differenti analiti

Linea 2 – WP 3

Analisi di proteine, frammenti di DNA e oligonucleotidi.

N.B. Cristalli fotonici: dielettrici artificiali con indice di rifrazione periodico su scala sub-micrometrica

Nanostrutture di cristalli fotoniciconsentono di modulare e incrementare fortemente l’emissione di luce alla lunghezza d’onda strategica di 1.5 µm (telecomunicazioni).

Γ−Μ

Γ−Κ

Γ−Κ Γ−Μ

Iinte

grat

edPL

inte

nsity

0

5

10

15

20

25

30

35

0

10

20

30

40

5060

708090100

110120

130

140

150

160

170

1800

Γ−Μ

Γ−Κ

1070 nm

Fotonica in sistemi nanostrutturati

0.72 0.76 0.80 0.84 0.88

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

PL

inte

nsity

(ar

b. u

nits

)

Energy (eV)

(x 5)

PhC, a=1070 nm PhC, a=1210 nm

Unpatterned SOI

Ref

lect

ance

(ar

b. u

nits

)

Linea 3 – WP 1 e 2

Misura di emissione di luce Si-Er

Direzioni preferenziali del cristallo fotonico

Progettazione, fabbricazione e studio di una nuova classe di nano-dispositivi fotonici avanzati per le interconnessioni ottiche e i circuiti fotonici integrati

Realizzazione dello switching ottico (commutazione) di segnali ottici per mezzo di un fascio di pompa a bassa potenza

Transistor ottico

Fotonica in sistemi nanostrutturatiLinea 3 – WP 1 e 2

Obiettivi

Nanostrutture ordinate possono incrementare la generazione di armoniche (seconda, SH, e terza, TH) della frequenza della luce incidente di almeno 3 ordini di grandezza rispetto alle strutture a superficie piana.

Poiché la generazione di armoniche è fortemente dipendente dalle condizioni di interfaccia, si ha anche maggiore selettività verso i materiali assorbiti.

SiliconPattern on sapphire

Hole pattern in a GalliumNitridefilm

Linea 3 – WP 2

Fotonica in sistemi nanostrutturati

sapphire pump 810 nmthird harmonic 270 nm

0th and 3rd diffracted orders: pump and TH superimposed

0 order

-1

3 2 1

3 1 0

3 1 0

Colpendo un SOI con un impulso di luce nel rosso si genera luce ultravioletta per diffrazione. La luce è rivelata nel blu su carta.

Linea 3 – WP 2Fotonica in sistemi nanostrutturati

GaN slabPHC

THG

SHG1,E-02

1,E-01

1,E+00

1,E+01

1,E+02

1,E+03

intensities, W/m2

NL intensities @ 3.5 TW/m2 pump

THG

SHG

La nanostruttura di GaN genera simultaneamenteseconda e terza armonica

Fattori di amplificazione rispetto a superficie piana di GaN :

SHG: x 260THG: x 3400

30 60 900

20

40

60

80

100

THG SHG

Non

linea

r re

spon

se

ϕ (deg)

Linea 3 – WP 2

Fotonica in sistemi nanostrutturati

INGRESSO USCITAWavelengthconverter

λs λc

Conversione di lunghezza d’onda per comunicazioni ottiche

Per la conversione ottica si utilizza il processo nonlineare di cascadingOra è una tecnica universalmente utilizzata, sviluppata dal nostro gruppo (Banfi et al, Appl. Phys. Lett. 1993)

Servono materiali con proprietà ottiche e fisiche particolari per la realizzazione di dispositivi.Cristalli ferroelettrici: LiNbO3

Nostro progetto: Stiamo studiando e sviluppando materiali innovativi ad alta efficienza non-lineare e basso danneggiamento ottico (comunicazioni a lunga distanza)

Linea 3 – WP 3

Guide d’onda in Si-Ge

Fotonica Fotonica susu siliciosilicio:Fusione tra dispositivifotonici e tecnologia

microelettronica.

Elevata precisione(<0.00001mm)

Gruppi internazionali attivi: Intel, UCLA,

Cornell University

Nostro progetto: utilizzo di strutture Silicio GermanioVantaggi:• ingegnerizzazione delle guide (scelta del drogaggio di Ge)• elevata nonlinearità• elevata compatibilità con le fibre ottiche

Linea 3 – WP 5

Circuiti optoelettronici integrati: fondamentali per sistemi fotonici di prossima generazione

Optical Tweezers: “pinzette ottiche” x l’analisi e la manipolazione di materiale biologico… SENZA CONTATTO!

Applicazione: intrappolamento e analisi delle proprietà di cellule e macromolecole biologiche.

Bio-Fotonica: “pinza” ottica in fibra

Forze derivate dalloscambio di quantità di

moto tra fotoni e particella

Linea 3 – WP 6

(Punto di equilibrio nello spazio realizzato tramite pressione di radiazione

ottica)

Progetto innovativo in campo internazionale: pinza ottica miniaturizzata basata su una struttura in fibra.Lo sviluppo di questo strumento aprirà nuove frontiere per l’analisi biologica ‘in vivo’

La fabbricazione richiede nano-lavorazioni sulla testa della fibra

Bio-Fotonica: “pinza” ottica in fibraLinea 3 – WP 6

Applicazioni della spettroscopia ottica allo stato solido alla scienza dei materiali

Angle-resolved µ-spectroscopy setup White-light Mach-ZehnderInterferometry

Misura dello sfasamento della luce

Permette la determinazione ddi indice di rifrazione e velocità di gruppo con accuratezza

molto elevata.

Caratterizzazione ottica completa di campioni microscopici:

• µ-transmittanza & riflettanza• µ-fotoluminescenza• µ-ATR spettroscopia

Linea 4 – WP 3

Biomateriali per ingegneria tissutale

Protesi di titanio microlavorato da fasci elettronici su cui è depositato un film di biovetro(SiO2/P2O5/CaO/Na2O, h ~ 10µm)mediante RF sputtering

Incisivo non trattato Incisivo immerso in bibita gasata

Collaborazione con CIT

Ricercatori attualmente coinvolti

Chimica Fisica Giorgio FLORAldo MAGISTRISGiorgio SPINOLOUmberto ANSELMI TAMBURINIPiercarlo MUSTARELLI Filippo MAGLIA

Fisica “A. Volta” Giorgio GUIZZETTIAngiolino STELLA Claudio ANDREANI Franco MARABELLI Maddalena PATRINI Gianbattista PARRAVICINIPietro GALINETTOMatteo GALLI

Ingegneria Elettronica Vittorio DEGIORGIOMarco MALVEZZIIlaria CRISTIANI Daniela GRANDOLuca TARTARA

Dottorandi attualmente inseriti nel progetto di ricerca e formazione

Tiziana CIABATTONIMarta FILIBIANEttore BERNARDIValentina MORANDIDavide MASCOLIMaria MONTAGNAJacopo PARRAVICINIAndrea TRITA(Luca PASOTTI)(Davide DACARRO)