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Laboratorio Stato Solido: crescita di film di fluoruro di litio ed organici per rivelatori e nano-bio-fotonica

Referente: Dr. Maria Aurora Vincenti
maria_aurora.vincenti@enea.it

tel. +39 06 9400 5668



Il Laboratorio Stato Solido studia le proprieta' ottiche di materiali luminescenti per lo sviluppo di micro-componenti e dispositivi miniaturizzati emettitori di luce; sviluppa, realizza e caratterizza nuovi rivelatori di radiazione basati su proprieta' fondamentali di film isolanti contenenti difetti elettronici, con ricadute scientifiche ed industriali nei settori della fotonica, delle micro e nanotecnologie, della bio-medicina e dell'energia.
La continua riduzione nelle dimensioni dei dispositivi fotonici e dei rivelatori di radiazione ha favorito l'utilizzo di metodi di fabbricazione a basso costo, versatili e ben assestati, quali la deposizione di film sottili per evaporazione termica. Presso il Laboratorio Stato Solido: crescita di film di fluoruro di litio ed organici per rivelatori e nano-bio-fotonica sono operativi due impianti di deposizione per evaporazione termica, nei quali vengono cresciuti film di materiali isolanti (LiF), organici (Alq3) e metallici (alluminio) su substrati amorfi (vetro e silice), cristallini (Si e ITO, Indium Tin Oxide) e plastici. Le proprietā ottiche e morfologiche dei film sono dipendenti dalla natura del substrato e dalla scelta dei principali parametri: velocitā di deposizione, spessore finale, temperatura dei substrati, pressione nella camera di deposizione. Altri aspetti come la geometria di evaporazione sono comunque rilevanti.

Fig. 1. Impianto di evaporazione termica per film di fluoruro di litio, GP20 SISTEC-Angelantoni. L'impianto di evaporazione, a due crogioli, č dedicato alla crescita di film policristallini di LiF su diversi substrati (vetro, silicio, plastica, ecc.) e con spessori controllati. I substrati, opportunamente fissati sulla piastra porta-campioni, possono essere riscaldati a differenti temperature (tipicamente tra 30°C e 350 °C) mediante quattro lampade alogene infrarosso (Ushio, 120 V - 500 W). La temperatura dei substrati č controllata mediante una termocoppia posizionata all'interno della camera da vuoto e collegata ad un regolatore di temperatura controreazionato con l'alimentazione delle lampade. La piastra porta-campioni č ruotante per migliorare l'uniformitā dei film di LiF.


Fig 2. Impianto di evaporazione termica per film organici, metallici,dielettrici, Edwards/Ionvac. L'impianto di evaporazione, a quattro crogioli, consente l'alimentazione di un solo crogiolo per volta, ma la possibilitā di alimentarli consecutivamente senza aprire la camera rende possibile crescere film sottili di differenti materiali sullo stesso substrato, realizzando strutture multistrato in alto-vuoto. L'impianto viene utilizzato per crescere su substrati amorfi (vetro, silice) e cristallini [Si(100), ITO (Indium Tin Oxide) su vetro] film sottili di materiali organici, metallici e dielettrici, in particolare tris(8-idrossichinolina) alluminio (Alq3), fluoruro di litio (LiF) ed alluminio (Al), tipicamente utilizzati per la realizzazione di diodi organici elettroluminescenti (OLED, Organic Ligth Emitting Diodes).


Rivelatori di radiazioni ionizzanti basati su film di LiF
Film policristallini di LiF cresciuti su diversi substrati sono utilizzati come rivelatori di radiazioni ionizzanti ad elevata sensibilitā. L'impianto di deposizione GP20 č dedicato alla crescita di questi film. L'efficienza di formazione dei difetti elettronici (centri di colore) indotti da radiazioni ionizzanti di varia natura č maggiore nei film di LiF rispetto ai cristalli dello stesso materiale, per cui i film policristallini sono caratterizzati da una maggiore efficienza di rivelazione.

Fig 3. Rivelatori di radiazioni ionizzanti.


Fig. 4. Film di LiF cresciuto su Si di spessore 1.7 mm.


Rivelatori di neutroni termici
Film di LiF arricchito in 6Li, spessi qualche micron, sono stati cresciuti per evaporazione termica direttamente sull'elettrodo di alluminio di rivelatori di neutroni al diamante monocristallino. Essi funzionano come convertitori di neutroni termici in particelle cariche, secondo la ben nota reazione nucleare:

6Li + n = 3H + 4He + 4.78 MeV

I rivelatori LiF-diamante consentono la rivelazione simultanea di neutroni termici e veloci, sono stabili ed affidabili e sono stati impiegati con successo nella rivelazione di neutroni emessi da sorgenti intense come il generatore di neutroni FNG presso ENEA C.R. Frascati, impianti di fusione (JET in UK) e il reattore TRIGA (ENEA C.R. Casaccia). Inoltre, film di LiF arricchito in 6Li, cresciuti su substrati di vetro ed accoppiati con fibre plastiche scintillanti, sono stati utilizzati per dimostrare la fattibilitā di un rivelatore per neutroni termici compatto e versatile con promettenti risultati.


Film nanostrutturati per catodi
Nella realizzazione di diodi organici elettroluminescenti (OLED, Organic Light Emitting Diodes) l'inserzione di uno strato ultra-sottile di LiF tra il film organico e il catodo di Al riduce in modo significativo il voltaggio di soglia degli OLED basati su film di Alq3 e PLED (Polymer Light Emitting Diode), aumentando anche l'efficienza di estrazione dei fotoni degli OLED basati su Alq3.

Fig. 5. Immagine AFM tridimensionale di un film di LiF, spessore nominale 5 nm, cresciuto su substrato di vetro (cortesia del dr. A. Rufoloni, UTFUS-COND).



Fig. 6. Immagine AFM tridimensionale di un film di LiF, spessore nominale 5 nm, cresciuto su substrato di Si(100) (cortesia del dr. A. Rufoloni, UTFUS-COND).



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Altri documenti


References:

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