Fisica dei semiconduttori e dei cristalli avanzati

Il gruppo ha lo scopo di sviluppare processi innovativi per futuri dispositivi a semiconduttore e altri materiali avanzati usando le proprie competenze riguardo alle caratterizzazioni strutturali ed elettriche e di modellizzazione. L’attività sperimentale si basa su diversi laboratori al DFA per il processing, quali un Cluster per Pysical vapor deposition (sputtering ed e-beam), Direct Laser Writing, Rapid e Laser Thermal Processing, un laboratorio chimico e diverse tecniche di caratterizzazione, quali Secondary ion mass spectrometry, High resolution X-ray diffraction, Van der Pauw - Hall anche a temperature criogeniche, AFM e tecniche correlate (c-AFM, KPFM, SMM, etc), Spettroscopia Raman, misure ottiche. Oltre a queste, presso i vicini Laboratori Nazionali di Legnaro il gruppo ha accesso, nell’ambito di una convenzione tra UNIPD-DFA e INFN-LNL ad altre facilities quali Rutherford Backscattering Spectrometry/ Nuclear Reaction Analysis in configurazione di channeling, una camera pulita e laboratorio chimico, e ulteriori apparati di sputtering. Inoltre, il gruppo accede a facility internazionali di luce di Sincrotrone (ESRF, ELETTRA). 

Staff

Professoresse e Professori di II fascia: Marco Bazzan, Davide De Salvador, Andrea Gasparotto, Enrico Napolitani, Andrea Sanson
Ricercatrici e Ricercatori: Enrico Di Russo, Valeria Milotti, Francesco Sgarbossa
Personale tecnico: Nicola Argiolas, Luca Bacci, Sara Carturan, Giorgio Delfitto, Gianluigi Maggioni, Carlo Scian

Assegniste/i e Borsiste/i

Stefano Bertoldo, Alessandro Venier

Dottorande/i

Daniele Demeneghi, Daris Fontana, Zhouhe Li, Filippo Nicolasi, Giulia Maria Spataro, Alessandro Tonon, Davide Valzani,

Collaboratrici e collaboratori esterni

Chiara Carraro (INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro), Walter Raniero (INFN, Laboratori Nazionali di Legnaro)

Attività di ricerca

  Iperdrogaggio di semiconduttori del gruppo IV per le tecnologie dellinformazione, la fotonica e l’energia

L’attività è finalizzata allo sviluppo di materiali con proprietà nuove, basati sui semiconduttori del gruppo IV (Si, Ge, SiGe, GeSn…), per migliorare le prestazioni dei dispositivi del futuro  in diversi campi quali nanoelettronica, fotonica (rilevazione, emissione e modifica della luce nell’infrarosso), fotovoltaico, plasmonica, informazione quantistica, sensoristica, etc… A tale scopo, studiamo processi basati sull’irraggiamento con impulsi laser ultrabrevi (decine di nanosecondi) nell’UV, in combinazione con tecniche di physical vapor deposition, per incorporare droganti con un controllo sulla nanoscala oltre i limiti imposti dalla fisica della solubilità solida di equilibrio (iperdrogaggio). I processi inducono rapide transizioni di fase (liquido/solido, amorfo/cristallino) caratterizzate da fenomeni fisici su scala nanometrica estremamente interessanti.
Contatti: Enrico Napolitani, Enrico Di Russo, Davide De Salvador

  Sintesi e modifica di semiconduttori quantistici bidimensionali

Negli ultimi anni vi è un interesse crescente nei materiali quantistici bidimensionali, ed in particolare nei Transition Metal Dichalcogenides (TMD), quali MoS2, MoSe2, WS2, etc Essi, a differenza del più noto grafene, sono dotati di energy gap, proprietà che li rende estremamente interessanti come potenziali sostituti del silicio nei futuri dispositivi nanoelettronici ad alte prestazioni. Il gruppo ha l’obiettivo di studiare metodologie per sintetizzare materiali TMD, modificare le loro proprietà, e realizzare dispositivi, combinando processi laser impulsati nell’UV, tecniche di physical vapor deposition e microlitografia. L’attività è finalizzata ad applicazioni in diversi campi, quali nanoelettronica, fotovoltaico, fotocatalisi, informazione quantistica.
Contatti: Enrico Napolitani, Enrico Di Russo

  Sviluppo di detectors al Ge iperpuro per la rivelazione di raggi gamma

Da alcuni anni il gruppo si occupa di sviluppare la tecnologia Pulsed Laser Melting, applicata alla fabbricazione di detector gamma al Germanio iperpuro. Tali detector sono gli strumenti di elezione per la spettroscopia nucleare ad alta risoluzione e attualmente non possono essere prodotti con segmentazione fine resistente alla radiazione. Questo significa, più in dettaglio, che non è attualmente possibile avere detector con contatti isolati, sensibili alla posizione dell’interazione dell’interazione gamma e che siano contemporaneamente scaldabili per riparare il danno da radiazione che normalmente i detector subiscono quando usati in esperimenti di fisica nucleare o applicazioni spaziali.  Il gruppo, in collaborazione con i Laboratori Nazionali di Legnaro, ha dimostrato che la tecnologia PLM, permette di superare tale scoglio, realizza e testa innovativi prototipi basati su questa tecnologia e sta investigando il trasferimento tecnologico alla principale industria europea leader mondiale per la produzione di questa tipologia di dispositivi.
Contatti: Davide De Salvador.

  Cristalli per esperimenti di channeling

L’esperienza maturata nella lavorazione e caratterizzazione di cristalli ha posto le basi per sviluppare una interessante tematica di ricerca che riguarda l’interazione coerente di fasci accelerati con materiali cristallini.: Cristalli con curvature opportunamente modulate tramite svariate tecniche (holder meccanici, film litografati, film che inducono stress prodotti per PLM…)  possono essere usati per deflettere fasci accelerati anche ultra-relativistici, con innovativi risvolti applicativi per le tecnologie degli acceleratori, la produzione di radiazione e detector di particelle ultrarelativistiche. Il gruppo, in collaborazione con i Laboratori Nazionali di Legnaro, costruisce e testa dispositivi cristallini principalmente di germanio ed esegue esperimenti a LNL, all’università di Mainz (MAMI) e al CERN, nell’ambito di collaborazioni e progetti nazionali dell’INFN e internazionali.
Contatti: Davide De Salvador, Francesco Sgarbossa

  Leghe di semiconduttori per dispositivi emettitori di luce, elettronica di potenza e fotovoltaico

I semiconduttori composti, principalmente da elementi dei gruppi III-V, III-N (nitruri), II-VI e altre leghe contenenti metalli come Cu e Zn, sono materiali strategici: grazie alle loro proprietà sono utilizzati per realizzare dispositivi in vari ambiti, quali emettitori di luce visibile LED e Laser (Nitruri), dispositivi per elettronica di potenza (nitruri, ossido di gallio, SiC), celle solari per applicazioni nel fotovoltaico (II-VI).
Per tutti questi materiali gli ambiti di ricerca sono vari, ed affrontano i vari step necessari alla realizzazione di dispositivi con maggiori efficienze, minori costi e maggiore sostenibilità ambientale. A titolo di esempio citiamo alcune problematiche affrontate: introduzione, attivazione e stabilità di droganti tramite processi di diffusione, impiantazione ionica, laser processing, trattamenti termici (ad esempio Mg e C in leghe di nitruri GaN, AlGaN, InGaN, selenio e rame in leghe II-VI); deposizione, mixing e drogaggio di strutture multistrato di leghe di semiconduttori per dispositivi fotovoltaici a film sottile ad alta efficienza (CIGS, CdTe, CZTS, antimoniuri); implementazione di nuovi droganti (Si, Ge) e studio dei processi di attivazione in ossidi di gallio utilizzati per dispositivi elettronici di potenza.
Contatti: Andrea Gasparotto, Enrico Napolitani

  Controllo dell’espansione termica dei materiali

L'espansione termica dei materiali è un problema in molte applicazioni tecnologiche che richiedono stabilità termica. Materiali diversi a contatto tra loro, infatti, possono espandersi in maniera diversa, causando problemi come la rottura dei materiali stessi. Nel design di nuovi materiali è quindi importante riuscire a controllare l'espansione termica. Negli ultimi due decenni, dopo la scoperta di materiali non convenzionali con proprietà di espansione termica negativa (NTE) su un ampio range di temperatura, l'obiettivo di controllare l'espansione termica è diventato fattibile e il numero di studi su questo argomento è cresciuto rapidamente. In questa attività di ricerca vengono studiati tutti quei fenomeni fisici connessi alla NTE e i metodi possibili per il controllo dell’espansione termica. Nell’ambito di questa attività di ricerca, il gruppo partecipa regolarmente a esperimenti presso importanti laboratori internazionali di luce di sincrotrone, tra cui ESRF (Grenoble) ed ELETTRA (Trieste).
Pubblicazioni selezionate:
- Nature Comm. 14, 4439 (2023).
- J. Am. Chem. Soc. 142, 6935 (2020).
- Nature Comm. 8, 14441 (2017).
Contatti: Andrea Sanson

  Materiali per l’energia

In questa linea di ricerca si studiano materiali di interesse funzionale per applicazioni legate all’energia, con un particolare focus sui materiali termoelettrici e ferroelettrici, tra cui i relaxor. L’attività di ricerca si concentra sull'analisi della correlazione tra la struttura e la dinamica locale e le proprietà funzionali di questi materiali, con l'obiettivo di migliorarne le prestazioni e l'efficienza.
Anche nel contesto di questa attività di ricerca, il gruppo partecipa a esperimenti presso facilities internazionali di luce di sincrotrone (ESRF, Elettra).
Pubblicazioni selezionate:
- J. Am. Chem. Soc. 146, 3498 (2024).
- Adv. Energy Mater. 11, 2100661 (2021).
Contatti: Andrea Sanson

  Trasporto di carica in ossidi ferroelettrici

Se paragonati con altri materiali di interesse tecnologico, la nostra comprensione dei meccanismi di fotogenerazione e trasporto di carica negli ossidi ferroelettrici è ancora limitata, e allo stesso tempo di estrema importanza per molte importanti applicazioni che vanno dall'ottica nonlineare allo sfruttamento dell'energia solare. L'attività di ricerca in questo settore è rivolta allo studio teorico e sperimentale dell'auto-localizzazione e del moto di portatori di carica (polaroni), principalmente in Niobato di Litio, tramite preparazione di campioni dedicati, analisi con tecniche ottiche ed elettriche e modellizzazione teorica dei risultati.
Contatti: Marco Bazzan, Davide De Salvador