RICERCA ITALIANA     

Microsistemi a Base di Polimeri (MICROPOLYS)

Università degli Studi di Napoli "Federico II"

Abstract

La ricerca proposta in MICROPOLYS intende integrare competenze consolidate sulle tecniche di sintesi e caratterizzazioni di polimeri con quelle altrettanto consolidate di sintesi di materiali e fabbricazione di microcircuiti, realizzata con materiali inorganici.
Entrambe trovano un punto di contatto nella possibilità di essere applicate a susbtrati polimerici, garantendo una transizione continua dai micro-sistemi parzialmente poliemrici basati su silicio ricristallizzato a bassa temperatura, e sistemi esclusivamente polimerici ove ogni materiale impiegato è costituito da polimeri.
La rete di ricerca messa a punto nelle attività proposte si concentrerà su dispositivi come micro-attuatori e display, ma realizzaerà anche una rete informatici per la progettazione condivisa, che consentirà un notevole potenziamento per lo sviluppo di questi micro-dispositivi e di altri che emergeranno in futuro. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

DOMENICO ACIERNO, Universita' degli Studi di NAPOLI "Federico II"

Obiettivo del Finanziamento

Il progetto MICROPOLYS racchiude all'interno delle attività, descritte in dettaglio nel seguito, una serie di problematiche scientifiche di grande rilievo, la cui soluzione può avere notevoli ripercussioni anche in campo applicativo. Cerchiamo qui di evidenziare le maggiori questioni scientifiche, con gli obiettivi di avanzamento prefissati ed i risultati attesi.
Interfacce ibride tra polimeri e materiali inorganici
In generale, poiché si intende stratificare, per qualsiasi micro-dispositivo qui proposto, polimeri e materiali inorganici in varie combinazioni, emerge la problematica delle interfacce organico/inorganico e viceversa. Queste interfacce si collocano in varie posizioni all'interno dei circuiti e dei dispositivi, e necessitano della caratterizzazione di diverse proprietà (riportate tra parentesi):
- substrato polimerico/buffer layer di compensazione (prop. meccaniche, di adesione, di barriera chimica e gassosa)
- buffer layer/strati attivi (propr. di adesione, di barriera, propr. elettriche)
- semiconduttore/metallo (propr. di iniezione dei portatori)
- semiconduttore/isolante (stati interfacciali)
- substrato/ossido di tunnel (continuità dello strato, ed effetti sulle proprietà di tunneling delle cariche)
- dispositivi/capping layer (effetto barriera gassosa, propr. meccaniche).
Nello svolgimento delle attività del progetto il denominatore comune a tutte le suddette interfacce, che in gonuna delle calssi suddette possono essere costituite arbitrariamente di materiali polimerici o inorganici, è la caratterizzazione morfologica della interfaccia e la misura della sua rugosità.
Nel corso delle attività verranno svolte attività sistematiche di test delle caratteristiche interfacciali specifiche, con svariate tecniche analitiche. Inoltre è previsto un potenziamento generale delle tecniche di caratterizzazione morfologica delle interfacce mediante AFM. Si prevede quindi che saranno fatti importanti passi in avanti nella comprensione delle interfacce polimero/inorganico e inorganico/polimero, acquisendo una maggiore padronanza anche dal punto di vista della preparazione e della preservazione di queste interfacce dall'invecchiamento, facilitata proprio dalla coesistenza di UR con specializzazioni diverse.
L'impatto del grado di ordine sulle prestazioni dei materiali organici per l'elettronica
E' ben noto che sia i materiali organici a basso peso molecolare che i materiali polimerici organici cambiano le loro proprietà elettroniche (ad esempio la mobilità di effetto campo) in funzione del grado di ordine strutturale. Il pentacene ad esempio mostra le sue migliori prestazioni allorchè viene depositato in forma cristallina, ed i anche semiconduttori polimerici coniugati migliorano se riescono ad assumere conformazioni "regio-regolari". Sono queste le condizioni in cui i portatori di carica meglio scorrono all'interno del materiale, con un effetto di scattering (sulle interfacce molecolari, o sui punti di distorsione delle catene dei legami p-p, rispettivamente). La maggior parte degli incoraggianti risultati riportati in letteratura per i materiali organici di grado elettronico, riguardano strati depositati su substrati rigidi e cristallini.
Nel progetto MICROPOLYS verranno analizzati materiali rappresentanti di entrambe le due classi. Pertanto sarà più diretto confrontare l'efficacia di eventuali strati intermedi appositamente realizzati per impartire un ordinamento ai soprastanti materiali attivi. L'utilizzo e lo studio del comportamento di eventuali strati intermedi di ordinamento è ancora più rilevante per la integrazione con substrati polimerici, che sono generalmente disordinati.
La ricristallizzazione laser del silicio depositato a bassa temperatura
La ricristallizzazione veloce tramite irraggiamento laser sembra il metodo più adatto per realizzare materiali semiconduttori inorganici su substrato polimerico dotati delle migliori proprietà. Tuttavia esiste il problema di limitare, eventualmente a zero, la concentrazione nel materiale dell'idrogeno e di altri gas residui, che possono condurre alla formazione di bolle ed all'ablazione del film di silicio depositati per PECVD, durante il rapidissimo evento della fusione/ricristallizzazione. Pertanto è interessante determinare, su substrati polimerici, la concentrazione massima di idrogeno (CH) sopportabile dai processi di cristallizzazione senza l'insorgere di fenomeni di ablazione, e l'eventuale ruolo della microstruttura del materiale amorfo precursore. Questa determinazione risulta più facile in MICROPOLYS, potendo incrociare i risultati provenienti dai materiali prodotti con due tecniche: ECR-CVD e sputtering forniscono infatti materiali precursori dotati di differente contenuto di idrogeno e differenti microstruttura.
Deposizione di nanoparticelle di silicio in matrice solida, a bassa temperatura
Esistono molte informazioni sulla tecnica di produzione di questi sistemi a partire da ossidi di silicio substechiometrici, sottoposti a processi ad alta temperatura, in cui le particelle di silicio finiscono per segregare rispetto alla matrice solida di SiO2. Generalmente questi processi vengono realizzati su silicio cristallino, e sono allo studio per la realizzazione di dispositivi a singolo elettrone e TFT "floating-gate". Il processo di realizzazione dello stesso sistema, a bassa temperatura, mediante cristallizzazione laser, è oggetto di esigue informazioni bibliografiche, ma potrebbe portare alla realizzazione di celle di memoria "floating-gate" anche su polimero. In MICROPOLYS possono essere sintetizzati e studiati strati dielettrici con nanocristalli di silicio dispersi (con dimensione 5-20 nm) a partire da strati di SiOx, depositati mediante ECR-CVD e sputtering, sottoposti a trattamenti laser opportuni. Le proprietà elettriche verranno investigate attraverso tecniche convenzionali ed altre più innovative quali il tunneling AFM (TUNA). Il comportamento elettronico del materiale viene esaminato con lo studio di memorie flash a film sottile, basate su floating gate di nanocristalli di silicio, adottando una configurazione tipo EEPROM con spessori dell'ossido di tunnel dell'ordine di 10 nm. La realizzazione di efficaci celle di memoria aprirebbe la strada a funzioni complesse per i microsistemi parzialmente polimerici, e rappresenta un allargamento dell'impiego di tecnologie a film sottile al campo dei circuiti integrati.
Compromessi ottimali per la deposizione del silicio su polimeri
Non è nota la temperatura di processo ottimale che fissi il miglior compromesso tra: l'incremento della temperatura di processo sopportabile (senza ammorbidirsi) dai nuovi polimeri, e il decremento della temperatura di processo sopportabile dai materiali inorganici (senza detrimento per le prestazioni elettriche). Anche la fratturazione del film, l'adesione e la esistenza ai cicli termici sono una funzione complicata della temperatura di processo.
Poiché nel progetto esisteranno interazione tra esperti di entrambi i settori, sarà possibile fare sostanziali passi in avanti anche in questo settore, estendendo i campi di applicazione del silicio e quelli dei polimeri speciali.
Le problematiche dei display
1) TCO inorganici del tipo degli ossidi metallici a base di In, Zn, Sn rappresentano lo standard per la realizzazione di dispositivi emettitori e display, correntemente realizzati su substrati di vetro ed altre lamine inorganiche. Il passaggio a susbtrati polimerici flessibili, trasparenti e non, richiede un aumento della flessibilità degli strati, senza remissione sulle prestazioni elettriche. La miscelazione di TCO inorganici ed organici (es: polianilina), che possiedono inferiori proprietà elettriche, deve assestarsi sul giusto compromesso tra elasticità e performance elettro-ottiche. La individuazione di TCO organici o misti capaci di comportarsi come un buon contatto iniettante tra semiconduttori polimerici conduttori di elettroni, appena accennata nella letteratura esistente, aprirebbe la strada a display monocromatici e policromatici completamente trasparenti.
2) Un punto ancora aperto nella realizzazione di OLED e TFT interamente polimerici (con esclusione dei contatti metallici) è la competizione tra i materiali organici a basso peso molecolare ed i materiali polimerici organici. Sembra che entrambi consentano di realizzare dispositivi con prestazioni equivalenti, ma le problematiche di deposizione ed il relativo metodo di controllo della organizzazione microscopica sono significativamente differenti: i primi possono essere depositati con metodi evaporativi sotto vuoto, ed i secondi per spinning da soluzione. Pertanto i primi hanno interfacce nette e pulite, i secondi interfacce influenzate dalle reazioni chimiche generate dai solventi. Un obiettivo scientifico assai interessante è quello di comparare le due classi di materiali, mediante gli stessi dispositivi di test e gli stessi laboratori di test, quindi con l'ambizione di compiere un sostanziale passo in avanti nella comparazione dei due materiali, assai difficile da rintracciare altrove, e suscettibile di importanti conseguenze nelle scelte applicative.
3) E' assai importante integrare la realizzazione del dispositivo con la applicazione di opportuni strati sigillanti, per impedire la degradazione in aria dei materiali organici e polimerici. Lo stesso TCO, utilizzato come strato finale, potrebbe comportarsi come uno strato sigillante in grado di limitare il fenomeno dell'invecchiamento. Lo studio delle proprietà sigillanti dei TCO inorganici, organici e misti, o di altri strati di copertura, fornirebbe un ausilio alla applicazione di questi materiali. A questo studio, ENEA può aggiungere i risultati dei suoi studi sull'allungamento del tempo di vita dei polimeri elettroluminescenti, realizzato con i fenoli.
La modellizzazione dei comportamenti elettrico e meccanico
Esiste una forte interazione tra la caratterizzazioni elettriche ed elettrico-funzionali dei materiali e dei dispositivi e l'attività di generazione di robusti modelli matematici per componenti, prima, e per circuiti, poi. Ci si pone il problema caratteristico di quanto sia possibile utilizzare alcuni processi di trasporto noti per i semiconduttori inorganici (trasporto di carica in bande estese, coesistenza di grani cristallini conduttivi e gusci amorfi isolanti nei materiali ricristallizzati, scattering sui bordi di grano) per rendere conto dei fenomeni di trasporto dei semiconduttori organici, dotati di filamenti conduttivi nei polimeri (la spina dorsale coniugata p dei polimeri), di un rilevante scattering intermolecolare nei semiconduttori molecolari e di fenomeni di hopping generalmente rilevanti, anche a temperatura ambiente. In questi casi, potrebbe essere necessario ricorrere ad alcuni concetti sviluppati per i semiconduttori inorganici amorfi (pseudo-gap, continuo di stati nella gap, stati localizzati, ecc.) per la modellizzazione del trasporto nei codici di simulazione.
Un altro obiettivo del progetto è quello di delineare metodi di misura, codificazione e controllo elettrico o termico, per i comportamenti meccanici dei materiali, facendo affidamento a software di calcolo alle differenze finite, del tipo ANSYS.
Sensori e micro-sensori di gas su substrati trasparenti
Assai interessante è la realizzazione di sensori per gas a lettura ottica e di dispositivi optoelettronici a base di nanocristalli di ossidi. A questo scopo si svilupperanno architetture di dispositivi realizzati su substrati trasparenti quali polimeri, vetri o ITO (Indium Tin Oxide) che non comportino l'uso di elevate temperature. In particolare si intendono realizzare due tipi di sensore per gas: 1) un sensore sensibile alle variazioni nello spettro d'assorbimento dei nanocristalli in presenza del gas; 2) un sensore che utilizza la variazione della risonanza plasmonica di superficie per rivelare l'adsorbimento delle molecole del gas su film sottili di nanocristalli. Inoltre verranno anche messi a punto dispositivi optoelettronici che sfruttano le proprietà elettrocromiche di nanocristalli di ossidi quali il TiO2. I sensori verranno realizzati in versione non integrata (cioè con l'utilizzo di sorgenti e rivelatori macroscopici); tuttavia i materiali attivi sono depositabili in forma selettiva sui substrati, quindi la collaborazione con i laboratori dediti ai microsistemi potrebbe portare alla identificazione di sensori microscopici integrati, realizzati in versione monolitica.<<<

Durata

36 mesi