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Dipartimento di Fisica - Politecnico di Milano

4 - Crescita epitassiale e fabbricazione di nanostrutture

Nanostrutture magnetiche

L’attività è incentrata sulla crescita di materiali artificiali nanostrutturati (in genere a strati di spessore nano o subnanometrico) e la loro caratterizzazione con varie tecniche spettroscopiche e microscopiche.

Vengono in particolare considerati materiali magnetici confinati spazialmente su scala nanometrica. Film ultrasottili con accoppiamento antiferromagnetico, film sottili di ossidi, interfacce ferromagnete/semiconduttore e multistrati di terre rare e metalli di transizione ne costituiscono esempi tipici.

Queste strutture innovative vengono realizzate mediante deposizione in vuoto su substrati monocristallini, mediante tecniche assistite da laser (PLD, Pulsed Laser Deposition) o di epitassia da fasci molecolari (MBE).

I campioni sono caratterizzati con diagnostiche in-situ quali: diffrazione di elettroni a bassa e alta energia (LEED e RHEED), spettroscopia Auger, fotoemissione eccitata da raggi X e ultravioletti (XPS, UPS), diffrazione di fotoelettroni (XPD). Le proprietà elettroniche e magnetiche vengono analizzate sempre in situ mediante spettroscopie elettroniche, anche con risoluzione in spin, e tecniche basate sull’effetto Kerr magnetoottico (MOKE). Quest’ultima tecnica viene usata anche con risoluzione spaziale (ex-situ) e a temperatura variabile (fino a 10 K) per lo studio delle fluttuazioni statistiche del processo di isteresi magnetica.

E’ attiva anche un’attività volta alla definizione laterale delle nanostrutture mediante tecniche litografiche (sia con luce che con fasci elettronici), unitamente a un cannone a fascio ionico (IBE)  per la definizione laterale dei dispositivi. Un sistema di deposizione per sputtering è disponibile per la realizzazione di contatti elettrici e la crescita di diversi materiali, anche isolanti. Misure di trasporto in un criostato all’elio con magnete superconduttore permettono lo studio delle caratteristiche elettriche e di magneto-trasporto.

Avendo a che fare con micro- e nanostrutture, è senz’altro importante disporre di tecniche microscopiche. In tal campo le attività riguardano sia microscopia ottica tradizionale (microscopia confocale), che a campo vicino (SNOM, Scanning Near Field Optical Microscopy), che altre tecniche a scansione (STM, AFM e MFM, Scanning Tunneling, Atomic e Magnetic Force Microscopy), nonché microscopia elettronica anche con sensibilità alla specie chimica (SAM, Scanning Auger Microscopy).

Le suddette tematiche sono inserite nelle attività del Centro di Eccellenza NEMAS istituito dal MIUR presso il Politecnico di Milano per l’Ingegneria dei Materiali e delle Superfici Nanostrutturati, e del Centro Interuniversitario (Politecnico di Milano-Università di Milano Bicocca) LNESS (Laboratorio di Nanostrutture Epitassiale su Silicio e per Spintronica).

 

Nanostrutture a semiconduttore

L’attività di ricerca del laboratorio di eterostrutture e nanostrutture su silicio del laboratorio L-NESS (Como) è focalizzata alla fabbricazione e caratterizzazione di eterostrutture e nanostrutture in materiale semiconduttore. Il punto di forza del laboratorio è senza dubbio la possibilità di affiancare a processi di crescita epitassiale “tradizionali” nuove tecniche di deposizione sviluppate dallo staff del laboratorio. In particolare la deposizione da fase vapore assistita da plasma a bassa energia (Low Energy Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition - LEPECVD) è quella che offre le maggiori potenzialità nel campo della micro- e opto- elettronica. La LEPECVD, è stata progettata per la realizzazione di transistor ad alta velocità basati sulla tecnologia strained silicon. Di recente la LEPECVD ha dimostrato la propria superiorità rispetto alle altre tecniche di deposizione per quanto riguarda la mobilità di lacune in eterostrutture con strained germanium. Ulteriori utilizzi prevedono la realizzazione di dispositivi optoelettronici basati sul silicio-germanio (SiGe) come fotorivelatori e guide d’onda.

In combinazione con altre tecniche di crescita come la deposizione epitassiale per fasci molecolari (Molecular Beam Epitaxy – MBE) la LEPECVD permette l’integrazione di dispositivi basati su semiconduttori di tipo III-V su silicio. In particolare ad L-NESS è attiva una linea di ricerca per la realizzazione di celle fotovoltaiche ad alta efficienza per applicazioni spaziali. Una altra combinazione di materiali diversi sono etterostrutture ossido/Si cresciutte tramite MBE per future applicazioni in microelettronica.

Il laboratorio è attivo anche nel campo della crescita di nanostrutture auto-organizzate e loro studio tramite microscopia a scansione ad effetto tunnel (Scanning Tunneling Microscopy – STM) in vuoto.

Il processo di formazione di tali nanostrutture è di natura statistica e di conseguenza la dimensione e la distribuzione spaziale delle nanostrutture ottenute non è perfettamente controllabile. La tecnica di litografia tramite fascio elettronico (electron beam lithography) in combinazione con la tecnica RIE (Reactive Ion Etching) è utilizzata non solo per la fabbricazione di strutture artificiale nanometriche, ma anche per la strutturazione di substrati prima della crescita epitassiale in modo da aumentare il controllo sulla dimensione e distribuzione spaziale delle nanostrutture.

Oltre alle attività concentrate su strutture epitassiale, nel laboratorio è stata attivata di recente una linea di ricerca dedicata alla crescita di silicio nanocristallino per celle fotovoltaiche e sensoristica tramite LEPECVD.

 

Nanostrutture all’interfaccia liquido/solido

L’attività di ricerca del laboratorio di fisica dell’interfaccia liquido/solido (Solid-Liquid Interface Nanomicroscopy and Spectroscopy - SoLINano-Sigma) è focalizzata nello studio di processi attivati sulla superficie di un elettrodo che portano alla formazione di super-strutture di adsorbati, ioni o molecole presenti nella soluzione utilizzata.

Il punto di forza del laboratorio è senza dubbio la possibilità di studiare processi di interazione in situazioni più realistiche rispetto a quanto generalmente affrontato in ambienti artificiali e controllati (vuoto). In particolare, è possibile crescere strutture tramite metodi elettrochimici ampiamente utilizzati anche in campo industriale. Di recente, ad esempio, sono state trovate nuove strategie per la protezione degli elettrodi usati nelle batterie.

La caratterizzazione delle nanostrutture è possibile tramite speciali microscopi a risoluzione molecolare/atomica operanti direttamente in liquido, quali il microscopio elettrochimico a forza atomica (EC-AFM) e ad effetto tunnel (EC-STM). Il laboratorio sarà presto potenziato anche con una tecnica spettroscopica (Raman) per la caratterizzazione chimica delle superfici durante i processi d’interazione all’interfaccia liquido/solido.



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