RICERCA ITALIANA     

Nanostrutture unidimensionali di semiconduttore e dispositivi microfluidici

Abstract

Questo progetto definisce un piano comune di ricerca fra la DEAS, Università di Harvard attraverso NSEC, il NEST (National Enterprise for nanoScience and nanoTechnology) della Scuola Normale Superiore di Pisa e il NNL (National Nanotechnology Laboratory) dell'Università di Lecce, sulle seguenti aree di ricerca: semiconduttori unidimensionali (1D) e dispositivi microfuidici. La ricerca sarà focalizzata sulle proprietà ottiche e di trasporto degli stati di edge 1D nel regime Hall quantistico e dei sistemi 1D basati su nanofili di semiconduttore ottenuti tramite crescita catalitica. Si punterà anche alla realizzazione di nuovi dispositivi microfuidici applicabili in proteomica e fotonica.

Gli stati di edge offrono i vantaggi del trasporto balistico su distanze macroscopiche grazie alla inibizione dello scattering per elettroni condensati in una fase Hall quantistica incomprimibile. Il fuoco della ricerca sarà la visualizzazione tramite microscopia a sonda di scansione del flusso elettronico all'interno di una costrizione nanofabbricata da una eterostruttura tramite nanolitografia e metallizzazione, nel punto in cui due stati di edge Hall quantistici frazionario vengono portati in prossimità. Nel visualizzare il flusso elettronico nella regione di interazione, si punterà a determinare la natura correlata di questi stati 1D. Gli ambiziosi obiettivi saranno quindi la verifica del comportamento caratteristico dei liquidi di Luttinger e la diretta visualizzazione>>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Fabio BELTRAM, Scuola Normale Superiore di PISA

Obiettivo del Finanziamento

La presente proposta si focalizza su sistemi 1D a semiconduttore di particolare interesse per le loro proprietà fondamentali e per le loro applicazioni alla nanoelettronica coerente, alla spintronica, alla computazione quantistica e alla nanofotonica. L'attività si focalizzerà anche sulla realizzazione di dispositivi microfluidici innovativi basati su nuove tecniche di fabbricazione ed analisi su scala nanometrica, con potenziali applicazioni dalla proteomica alla fotonica. Le linee di ricerca saranno tre. La prima punterà allo studio spazialmente risolto delle proprietà dinamiche degli stati di edge 1D in nanostrutture a semiconduttore nel regime Hall quantistico fabbricate tramite litografia a fascio elettronico su eterostrutture GaAs/AlGaAs. La seconda sarà indirizzata alla realizzazione di dispositivi optoelettronici avanzati tramite crescita catalitica di nanofili di semiconduttore. La terza si focalizzerà sulla realizzazione di dispositivi microfuidici e sullo studio e controllo delle reazioni biochimiche.

Il progetto si avvarrà delle competenze complementari dei tre partner. Questo permetterà un approccio veramente multidisciplinare (le conoscenze dei partner comprendono chimica, ingegneria, fisica, scienza dei materiali e biologia); d'altra parte, grazie a questa complementarietà, ci si aspetta un efficiente trasferimento di conoscenze fra i tre istituti su problematiche, sia applicative che fondamentali, alle attuali frontiere della nanoscienza. Le. Le loro eccitazioni cariche fondamentali sono quasiparticelle di Laughlin con una carica frazionaria determinata dai valori del campo magnetico e della densità elettronica [2,3]. Diversamente, i nanofili a semiconduttore, sono più semplici da fabbricare e possono essere utili per la realizzazione di nanosistemi ibridi (basati su semiconduttori, metalli e superconduttori) con composizione controllabile su scala atomica e con dimensioni laterali fino a 20-30 nm [4]. D'altra parte, questi sistemi sono relativamente recenti, e molte questioni di scienza dei materiali rimangono ancora aperte (controllo del drogaggio, qualità dei contatti, mobilità, svuotamento dovuto alla superficie). I dispositivi microfuidici sono alla frontiera della ricerca in fisica, chimica e biologia. Le loro potenziali applicazioni possono essere già oggi previste nel rilascio controllato di sostanze chimiche e nell'introduzione di principi nutritivi e sapori per gli additivi e per i prodotti di cura personale [5]. La possibilità di controllare e monitorare le reazioni biochimiche su volumi ultra-piccoli (femtolitri) potrà portare ad importanti applicazioni in proteomica, farmaceutica e alla realizzazione di nuovi strumenti diagnostici.

Visti i punti illustrati finora, proponiamo tre principali obiettivi scientifici:

1) Il primo obiettivo è la visualizzazione della trasmissione di quasiparticelle a carica frazionaria attraverso una punta di contatto quantica (QPC) e l'individuazione del ruolo di ogni singolo stato di edge. Questo verrà ottenuto tramite tecniche di visualizzazione spazialmente risolta (in particolare tramite microscopia a sonda di scansione a temperature criogeniche e in alti campi magnetici) che permettono di monitorare il flusso coerente di quasiparticelle attraverso una QPC. Al fine di distinguere il contributo di ogni singolo canale di bordo alla trasmissione di quasiparticelle a carica frazionaria, i canali verranno perturbati selettivamente con una punta SPM polarizzata (questo può essere ottenuto muovendo la punta dal bordo del campione verso il suo centro) e la conduttanza della QPC verrà nel contempo monitorata. Questa attività si baserà sui risultati ottenuti dal gruppo NEST di Pisa sulla proprietà di trasporto degli stati di edge in una QPC [6]. Il programma di ricerca coordinato vedrà la partecipazione dei gruppo del Prof. Westervelt e del Prof. Halperin di Harvard. Il Prof. Westervelt in particolare ha sviluppato l'applicazione delle tecniche SPM alla visualizzazione del flusso elettronico attraverso le QPC [7]. Il Prof. Halperin è uno dei leader della teoria degli stati di edge[8].

2) Il secondo obiettivo è lo studio della dinamica elettronica coerente in nanofili a semiconduttore, la fabbricazione di ibridi nanofilo-superconduttore e lo sviluppo di nuovi dispositivi elettroluminescenti. Le specifiche competenze dei gruppi del NEST e del NNL su questi ultimi sistemi sono da tempo ben stabilite [9,10]. Il gruppo del Prof. Lieber al DEAS verrà coinvolto in questa attività: il suo gruppo è leader mondiale nella crescita catalitica di nanofili a semiconduttore e nella fabbricazione di dispositivi optoelettronici basati su questi sistemi [4,11]. Si prevedono studi dettagliati in temperatura in regime di bloccaggio coulombiano per verificare la possibilità di realizzare dispositivi a singolo elettrone a base di nanofili operanti a temperatura ambiente. Questo porterà ad un progresso nella comprensione fisica di questi sistemi e all'esplorazione di potenziali applicazioni al campo dei dispositivi quantistici e a nuove architetture elettroniche. Un ulteriore obiettivo sarà di fabbricare e dimostrare dispositivi Josephson nanoscopici ad effetto campo usando singoli nanofili contattati a due elettrodi superconduttori vicini. Verranno inoltre realizzati in collaborazione con NNL dispositivi elettroluminescenti basati su nanofili ad esempio in CdS e su materiali attivi compositi (nanofili semiconduttori/polimeri coniugati) per cui ci si aspettano lunghezze d'onda di emissione che coprano l'intero spettro visibile e vicino infrarosso. Al DEAS l'attività coinvolgerà i gruppi dei Prof. Lieber e Capasso.

3) Il terzo obiettivo è (i) di comprendere la chimica e fuidodinamica all'interno dei circuiti di capillari e di controllare la formazione e il moto delle gocce di fluido e delle reazioni chimiche al loro interno, (ii) di utilizzare nuove tecniche di fabbricazione ed analisi su scala nanometrica e di realizzare nuovi sistemi microfuidici potenzialmente utili per applicazioni dalla proteomica alla fotonica. A questa attività parteciperanno il NNL e i gruppi DEAS del Prof. Weitz e Prof. Capasso che vantano una grande esperienza in sistemi microcapillari [5] e dispositivi fotonici [12].]>>>

Durata

36 mesi