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Dipartimento di Fisica - Politecnico di Milano

Studio delle proprietà elettroniche di film sottili molecolari tramite tecniche di spettroscopia elettronica

La attività di tesi riguarda la fabbricazione di film sottili molecolari, realizzati in ambiente controllato (alto vuoto) tramite epitassia da fasci di molecole organiche (OMBE – Organic Molecular Beam Epitaxy). La tecnica sfrutta ratei di crescita molto bassi in modo da facilitare, qualora le condizioni di interazione con il substrato lo permettano, la crescita di strati ordinati di molecole di spessore variabile da frazioni di singolo strato molecolare a multistrati. Saranno utilizzate preferenzialmente molecole aromatiche caratterizzate dalla presenza di un macrociclo, come porfirine e ftalocianine, al cui interno è possibile posizionare uno ione metallico, che ne modifica le proprietà ottiche ed elettroniche. Tali molecole, presenti anche in natura in numerosi composti colorati (ad es. clorofilla, emoglobina), sono utilizzate nel campo della elettronica ibrida organica-inorganica per la realizzazione di celle solari (es. nelle celle solari sensibilizzate con coloranti) e di sensori di gas. Con l’obiettivo di realizzare dispositivi elettronici basati su queste molecole, la ricerca in questo settore si è concentrata sullo studio di sistemi, quali film ultra-sottili, che presentano un elevato ordine cristallografico e proprietà elettroniche controllate su scala nanometrica. Scegliendo opportunamente lo ione centrale, tali molecole possono assumere un comportamento magnetico ed essere in linea di principio utilizzate all’interno di dispositivi spintronici come “bit” per l’immagazzinamento di informazioni.

La ricerca proposta, di carattere fondamentale, si concentrerà inizialmente sulla ottimizzazione delle procedure di crescita, che comprende anche la scelta e la preparazione di un substrato adeguato, tale da preservare la struttura chimica delle molecole e promuoverne la disposizione ordinata (procedura che potrebbe implicare la passivazione chimica della superficie). Successivamente si studierà la presenza di un eventuale ordine supra-molecolare e la morfologia dello strato molecolare (inclinazione del macrociclo rispetto alla superficie, crescita di uno strato “bagnante” o formazione di cluster molecolari). Per finire si procederà con la determinazione della struttura elettronica tramite tecniche di fotoemissione UV (stati pieni) e inversa (stati vuoti), con l’obiettivo di determinare la posizione energetica degli stati molecolari HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) e LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) e il loro allineamento in energia con la struttura elettronica del substrato. Qualora si utilizzassero molecole magnetiche, in combinazione con un substrato ferromagnetico, l’indagine della struttura elettronica farà uso di tecniche di spettroscopia spin-risolta. Gli interessati sono pregati di consultare la bibliografia allegata, che presenta due studi svolti dai proponenti di questa attività negli ultimi anni.

La strumentazione necessaria per portare a temine il lavoro di tesi è presente al laboratorio “VESI” di fisica delle superfici del dipartimento di fisica. È auspicabile che lo studente abbia famigliarità con le nozioni di base della fisica delle superfici, fornite nei corsi della laurea magistrale in ingegneria fisica (indirizzo nanotecnologie e tecnologie fisiche). La tesi richiederà la presenza dello studente in laboratorio a tempo pieno (da lunedì a venerdì) avrà una durata minima di sei mesi.

 

Bibliografia:

G. Bussetti, A. Calloni, M. Celeri, R. Yivlialin, M. Finazzi, F. Bottegoni, L. Duò and F. Ciccacci, “Structure and electronic properties of Zn-tetra-phenyl-porphyrin single- and multi-layers films grown on Fe(001)-p(1 × 1)O” Appl. Surf. Sci. 390 (2016) 856–862 (DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.08.137)

M. S. Jagadeesh, A. Calloni, A. Brambilla, A. Picone, A. Lodesani, L. Duò, F. Ciccacci, M. Finazzi and G. Bussetti “Room temperature magnetism of ordered porphyrin layers on Fe” Appl. Phys. Lett. 115 (2019) 082404 (DOI: 10.1063/1.5109750)



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