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Laboratorio sintesi di film nanostrutturati e spettroscopia elettronica

Referente: Dr. Antonino Santoni
antonino.santoni@enea.it

tel. +39 06 9400 5362



Il laboratorio di sintesi di film nanostrutturati e spettroscopia elettronica è dedicato alla crescita ed allo studio di film sottili ed interfacce con strutture nanometriche. I film sottili nanostrutturati hanno un interesse intrinseco nella ricerca di base ed importanti applicazioni tecnologiche. La tematica di ricerca su cui è basata l'attività del laboratorio consiste nello studio e nella crescita di materiali a base di silicio e nella sintesi di interfacce con strutture controllate a livello nanometrico. Le applicazioni possono essere individuate principalmente nel campo della fotonica, dei sensori, del fotovoltaico e delle tecnologie innovative per display. Una morfologia superficiale controllata a livello di micro- e nano-strutture è auspicabile particolarmente per le applicazioni in cui sono richiesti una bassa riflettività e una grande superficie specifica. Le interfacce metallo-polimero sono importanti nell'ottimizzazione dei catodi per dispositivi fotonici quali, ad esempio, OLED (Organic Light Emitting Diodes).

Strumentazione
I film sottili vengono cresciuti mediante la tecnica Chemical Vapour Deposition (CVD) anche assistita da laser. Per la sintesi e studio di interfacce vengono usate anche le tecniche Physical Vapour Deposition (PVD) e Pulsed Laser Deposition (PLD).

Fig. 1. Sistema UHV di crescita CVD e di analisi per spettroscopia elettronica.


Il laboratorio dispone di una sistema ad ultra-alto vuoto (UHV) non commerciale costituito da una camera di crescita ed una camera di analisi collegate tra loro (Fig. 1). Un laser ad eccimeri funzionante a 248 nm o 193 nm e' in grado di irraggiare il bersaglio con un fascio di fotoni con densità di energia di circa 200mJ/cm2 e durata d'impulso di circa 15ns. La camera di deposizione e' equipaggiata con 4 celle di effusione e con un sistema di controllo per l'immissione di 4 differenti tipi di gas.
La camera di analisi dispone di un analizzatore di elettroni emisferico, di una sorgente di fotoni a 1486.6eV (Al Ka) monocromatizzata e di una non monocromatizzata di energia 1253.6eV (Mg Ka) . L'analisi dei film cresciuti può essere effettuata in-situ mediante tecniche di superficie quali X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Auger Electron Spectroscopy (AES), Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS). Crescita di nanofili di silicio
Materiali nanostrutturati come i nanofili ed i nanotubi suscitano grande interesse a seguito delle loro molteplici possibili applicazioni nel campo della fotonica, elettronica e, recentemente, del fotovoltaico. Similmente offrono l'opportunita' di profonda innovazione nel campo dei sensori e dei dispositivi ad emissione di campo.

Fig 2. Immagine SEM di nanofili cresciuti su un substrato di Si(111) atomicamente pulito.


In questo laboratorio sono stati cresciuti film costituiti da nanofili di silicio mediante la tecnica CVD, di cui un esempio e' visibile in Fig.2. Il gas precursore usato e' il disilano che e' stato immesso nella camera di crescita a pressioni variabili dell'ordine di 1 mbar. La sintesi e' stata effettuata su substrati di natura diversa quali, ad esempio, Si atomicamente pulito, ossido di silicio, Si policristallino e Si amorfo. La crescita dei nanofili avviene per mezzo dell'azione mediatrice di un catalizzatore metallico deposto sulla superficie del substrato mediante PVD. I diversi stadi di sintesi delle nanostrutture sono monitorati mediante XPS in-situ nella camera di analisi.

La Fig.3 mostra spettri XPS registrati dopo la deposizione del catalizzatore metallico su una superficie di silicio ossidato (linea rossa) e dopo la crescita dei nanofili (linea blu). I dati mostrano che lo strato iniziale di Au e' metallico e che quindi non c'e' interazione col substrato. Dopo la crescita CVD dei nanofili si osserva un netto spostamento chimico delle strutture Au4d, che indica che la crescita di nanofili e' associata con la formazione di un siliciuro metallico.

Fig 3. Linea rossa: Spettro XPS di Au su ossido di silicio. Linea blu: Stesso spettro dopo la crescita CVD di nanofili di silicio.


La Fig.4 presenta nanofili di silicio del diametro di circa 10nm. Cio' dimostra come la sintesi di nanofili su substrati opportuni puo' essere ottimizzata per la creazione di fili di diametro estremamente piccolo.

Fig. 4. Immagine SEM di nanofili di silicio cresciuti su un substrato di silicio ossidato.



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