RICERCA ITALIANA     

Nanoimprinting di materiali molecolari per fotonica

Politecnico di Milano

Abstract

Obiettivo di questo progetto è implementare protocolli di litografia per imprinting stato dell'arte, a basso costo, per la fabbricazione di una nuova generazione, di dispositivi laser organici ad alte prestazioni, basati su strutture a cristallo fotonico. In questi dispositivi il feedback è introdotto per mezzo del patterning diretto del mezzo attivo. Saranno approfonditi i processi fisici alla base della tecnica di nanoimprinting e il suo limite ultimo in termini di risoluzione e area litografabile, determinabili in varie classi di materiali, sia polimeri coniugati sia molecole organiche a basso peso molecolare. Tutte le nanostrutture organiche e i dispositivi nanostrutturati realizzati verranno caratterizzati per mezzo di tecniche di indagine morfologica operanti su scala nanomentrica e mediante spettroscopia ottica nel regime dei femtosecondi, al fine determinare l'effetto della nanolavorazione sulle proprietà di emissione dovute sia ad effetti di cofinamento ottico sia di modifica morfologica. Inoltre le strutture ottenute verranno caratterizzate dal punto di vista dell'applicazione fotonica, per estrarre i parametri operativi essenziali dei dispositivi. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Guglielmo LANZANI Politecnico di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il progetto mira all'implementazione di nuove tecniche litografiche (di imprinting ) per il patterning di materiali organici. A dispetto del crescente interesse in polimeri e piccole molecole coniugati, dovuto alle eccellenti proprietà in termini di modulazione del colore, flessibilità e basso costo di fabbricazione, il limite persistente per il pieno utilizzo di tali materiali in dispositivi avanzati è legato alla mancanza di tecniche litografiche ottimizzate ad hoc per essi. Tecnologie litografiche convenzionali, quali fotolitografia e litografia a fascio elettronico, non sono infatti compatibili con polimeri e piccole molecole solubili. Questo previene la possibilità di realizzare nanostrutture complesse capaci di utilizzare il confinamento della luce per aumentare le prestazioni dei dispositivi.Un passo avanti per l'optoelettronica e la fotonica dei materiali organici, e in particolare per la fabbricazione di una nuova generazione di dispositivi nanostrutturati, necessariamente passa dunque attraverso lo sviluppo di una nuova tecnologia per litografia ad alta risoluzione. Questo richiede tre attività altamente sinergiche: 1)l'indagine dettagliata delle proprietà strutturali e chimiche dei composti organici utilizzati nei processi di litografia di imprinting, con particolare attenzione alla fenomenologia della temperatura di transizione vetrosa, e alla fluidodinamica in nanocapillari; 2) un'attività di nanotecnologia finalizzata alla fabbricazione di master polimerici e a semiconduttore inorganico, con strutture <100nm, e al trasferimento delle strutture su substrati organici per mezzo di differenti litografie di imprinting. L'attività trarrà vantaggio dall'accesso alla struttura per litografia a fascio elettronico disponibile presso il partner 2; 3)la caratterizzazione avanzata dei campioni per mezzo di analisi morfologica e spettroscopica, al fine sia di investigare le variazioni nella dinamica elettro-ottica dei materiali organici in strutture otticamente confinate, sia di determinare le reali prestazioni ottenibili in dispositivi organici.
Tali attività possono portare alla realizzazione di dispositivi fotonici ultra economici, con elevate prestazioni, aventi come principio operativo sia il feedback distribuito, sia gli effetti di photonic band gap indotti dalle strutture a cristallo fotonico.
In questo progetto in particolare, ci si focalizzerà sulla fabbricazione di laser completamente plastici a feedback distribuito e a cristallo fotonico, in virtù dell'importanza strategica che tali dispositivi hanno nei paesi industrializzati per diverse applicazioni quali telecomunicazioni e illuminazione.
Obiettivi specifici del progetto sono:
1.Elucidazione dei processi molecolari coinvolti durante la litografia di imprinting e implementazione di protocolli di litografia ottimizzati per ciascuna tecnica litografica specifica e per ciascuna classe di materiali utilizzati.
2.Determinazione del limite di risoluzione ultimo per ciascuna tecnica litografica e classe di materiali .
3. Investigazione dettagliata delle modifiche indotte in materiali organici confinati otticamente in nanostrutture, mediante spettroscopia risolta in tempo nella scala dei 100-femto secondi e tecniche di caratterizzazione morfologica operanti su scala nanometrica.
4. Realizzazione mediante litografia di imprinting di dispositivi laser organici nanostrutturati ad alte prestazioni o basati su principi specifici ai materiali in uso (per esempio la flessibilità meccanica).
5.Caratterizzazione avanzata delle strutture laser per mezzo della determinazione di tutti i parametri caratterizzanti (sezione d'urto di guadagno, perdite in cavità, soglia laser e di emissione spontanea amplificata (ASE),polarizzazione, divergenza e stabilità dell'emissione, accordabilità).
Il progetto si avvale della collaborazione di un gruppo con esperienza nel campo della nanotecnologia e fabbricazione dei dispositivi (partner -002), con un gruppo con esperienza nella foto-fisica molecolare e caratterizzazione avanzata. Entrambi i gruppi sono impegnati nell'esplorazione e implementazione di nuove tecniche litografiche per la realizzazione di dispositivi ottici economici, flessibili ad alte prestazioni, basati sul confinamento ottico in strutture fotoniche.
La composizione eterogenea del team garantisce il raggiungimento degli obiettivi, che sono di forte rilevanza sia dal punto di vista della comprensione di base della dinamica elettro-ottica dei composti organici, sia dal punto di vista della fabbricazione a basso costo, in modalità parallela, di dispositivi. Si presume di ragiungere un grado di risoluzione e riproducibilitànella realizzazione dei dispositivi a livello preindustriale. La sinergia tra composti organici opportunatamente ingegnerizzati, nanotecnologia, modelling morfologico e ottico, e caratterizzazione sarà uno strumento unico per arrivare a una nuova classe di dispositivi ottici organici nanostrutturati. Per il raggiungimento di questo obiettivo il progetto passerà attraverso una serie passi intermedi: i) chiarificare la fisica fondamentale dei sistemi molecolari alla base dei processi di litografia; ii) studiare in dettagliato gli effetti della nanostrutturazione dei materiali sulle proprietà fotofische dei semiconduttori organici; iii) valutare le proprietà e i parametri utili per l'applicazione in fotonica e fornire gli elementi necessari per il disegno di nuove geometrie per i dispositivi.
L'approccio seguito contribuirà a colmare gran parte del divario tuttora esistente tra dispositivi basati su materiali organici e la controparte inorganica, mantenendo dall'altra parte le caratteristiche uniche in termini di flessibilità e basso costo. <<<

Risultati parziali attesi

1 100x100mm2 master di semiconduttori inorganici e/o metalli con strutture sub-
micrometriche; aspect ratio>1 (masters-1) [mese 3]
2 Analisi morfologica su scala nanometrica dei master fabbricati [mese 4]
3 Trasferimento delle strutture dei masters-1 su film di polimeri e piccole molecole non
termoplastiche mediante Nanoimprinting e Soft Embossing [mese 6]
4 Allestimento del set-up per NSOM risolto nel tempo. Caratterizzazione fotofisica di base dei materiali da usarsi nella realizzazione delle nanostrutture [mese 8]
5 Analisi morfologica e fotofisica su scala nanometrica delle strutture organiche realizzate mediante imprinting [mese 8]
6 3x3mm2 Master di semiconduttori inorganici e/o metalli con strutture sub-micrometriche;
aspect ratio>1 (masters-2) [mese 9]
7 Trasferimento delle strutture dei masters-2 su film di polimeri e piccole molecole non
termoplastiche mediante Nanoimprinting e Soft Embossing [mese 12]
8 Valutazione delle proprietà fotoniche (emissone, guadagno) dei materiali nanostrutturati [mese 14]
9 Analisi dei limiti dei processi di nanopatterning di composti organici luminescenti e con
guadagno ottico [mese 15]10 Disegno e fabbricazione di laser a feedback distribuito operanti al primo e secondo ordine
nella regione del visibile con soglia laser ridotta [mese 18]
11 Caratterizzazione delle proprietà fotoniche del dispositivo [mese 20]
12 Disegno e fabbricazione di laser a feedback distribuito su substrati flessibili ad emissione
modulabile meccanicamente [mese 20]
13 Caratterizzazione delle proprietà fotoniche del dispositivo [mese 22]
14 Esplorazione di laser a cristallo fotonico (e quasi cristallo) 2D realizzati mediante tecniche
di imprinting [mese 22]
15 Caratterrizzazione dei dispositivi a cristallo fotonico [mese 24] <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il tema della miniaturizzazione dei componenti elettronici e opto-elettronici rappresenta un punto critico fondamentale per lo sviluppo della moderna tecnologia. La relazione tra riduzione delle dimensioni e tempo è stata lineare negli ultimi cinquanta anni. Ogni 15 anni, la dimensione minima è stata ridotta di un ordine di grandezza e il livello di integrazione aumentato di tre ordini di grandezza. Finora la tecnologia usata con più successo per la realizzazione di micro e nano-strutture è stata la fotolitografia. E'ben noto comunque, che la litografia ottica sotto i 100nm è limitata dalla diffrazione, e dall'opacità dei materiali che costituiscono le lenti e i substrati delle fotomaschere. Altre litografie avanzate, come la litografia a fascio ionico e a fascio elettronico, sebbene caratterizzate da una risoluzione estrema (sotto 50nm), lavorano in modalità seriale, dunque non sono compatibili con processi di produzione di massa che permetterebbero la commercializzazione a basso costo di dispositivi nanostrutturati. Oltre ciò, queste tecniche hanno diversi limiti: non possono essere facilmente utilizzate per superfici non planari, sono fortemente dipendenti dal materiale da litografare, e non permettono il controllo della chimica delle superfici litografate, specialmente quando gruppi funzionali complessi, quali quelli necessari in chimica, biochimica e biologia, sono coinvolti. Infine, esse normalmente richiedono processi di attacco chimico che possono difficilmente essere utilizzati con materiali soft ed eventualmente solubili quali sono la gran parte dei materiali organici. Tutti questi elementi rendono molto complesso l'utilizzo di tecniche nanolitografiche per materiali organici, limitando un ampio impiego degli stessi nel campo dell'elettronica e optoelettronica di largo consumo. Questo aspetto è in forte contrasto con l'eccezionale crescita che sta avendo invece la tecnologia dei dispositi basati su polimeri e piccole molecole coniugate. Questi materiali si stanno infatti rivelando elementi chiave per la generazione, trasmissione e l'immagazzinamento di informazioni ottiche, sensori e tecnologia dell'imaging, a causa del loro basso costo, della flessibilità strutturale intriseca, della facilità di processing e di modulazione delle proprietà elettro-ottiche. In particolare, tema centrale e oggetto di intensa ricerca sono i laser a stato solido organici. Questo in virtù della potenzialità di realizzare una sorgente compatta di basso costo operante su una larga gamma di lunghezze d'onda nel range del visibili/vicino infrarosso, con proprietà particolari di accordabilità (sfruttando per esempio proprietà tipiche della plastica), integrabilità (per esempio in fibre e guide d'onda di plastica) e bassa tecnologia di fabbricazione. Diversi materiali organici con guadagno ottico sono stati finora impiegati in studi pionieristici della fisica di molte classi di risonatori laser quali laser a feedback distribuito (DFB) [M.Berggren et al. APL,72,410 1998], DBR lasers [N.Tessler et al. Nature 382,695, 1996] e whispering-gallery mode laser [K.Yoshino et al. Superlattice and Microstructures, 25,325, 1999]. In particolare, strutture particolarmente promettenti si sono rilevate le strutture laser DFB [M.Gaal et al.Adv.Mater. 2003,15,pag 1165; M.R.Weinberger et al Adv.Mater. 2004,16,pag 130] e l'uso di poly(ethylene-terephtalate) (PET) Bragg-foils ha permesso la fabbricazone di dispositivi flessibili meccanicamente [C.Kallinger et al. Ad.mater.10,920, 1998]. Come mezzi attivi laser sono stati depositati per spin coating sia polimeri coniugati solubili quali ladder-type poly(p-phenylene) (LPPP), sia piccole molecole quali 4-dicyanmethylene-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyryl)-4H-pyran (DCM) e per evaporazione tris (8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq3) su Bragg-foil. Comunque, nonostante l'enorme potenzialità di questi dispositivi in applicazioni di basso costo quali trasmissione dati a breve distanza, proiettori TV, etc, molti problemi devono ancora essere risolti e il loro utilizzo in applicazioni commerciali è ancora lontano. Esistono applicazioni ben definite in fotonica per dispositivi a pompaggio ottico, per esempio mediante diodi (amplificatori a larga banda, laser accordabili, ecc.), ma rimane un problema quello del pompaggio elettrico. Finora non vi è stata infatti dimostrazione di dispositivi laser organici pompati elettricamente. Una possibile soluzione è quella di ridurre estremamente la soglia laser al fine di limitare i portatori di carica da iniettare necessari per l'azione laser (dunque riducendo il degrado del materiale e l'auto assorbimento polaronico). L'approccio che proponiamo in questo progetto può contribuire per ciò che riguarda l'utilizzazione di componenti a cristallo fotonico 1 e 2D, ad altissima risoluzione, direttamente integrate nel mezzo attivo. In simili dispositivi la soglia laser risulterà estremamente ridotta, e così i limiti nell'emissione dovuti a effetti di diffrazione, permettendo dunque un passo in avanti essenziale verso l'iniezione elettrica, di grande valore per l'industria.
In questo quadro la necessità di sviluppare nuove tecniche nanolitografiche, economiche, veloci, operanti in modalità parallela,compatibili con materiali solubili e soft, è un punto cruciale per una nuova generazione di dispositivi organici. Una nuova classe di tecniche non-fotolitografiche, chiamate litografie di imprinting, recentemente si è rivelata avere tutti questi requisiti. Le litografie di Imprinting sono caratterizzate dall'avere tutte come elemento chiave uno stampo (fabbricato mediante tecniche litografiche seriali)che trasferisce la struttura al substrato. Questa procedura permette di fabbricare in modalità parallela nanostrutture identiche usando materiali organici soft e flessibili. La litografia di imprinting è potenzialmente una tecnica di produzione di massa a basso costo con la capacità di produrre strutture con dimensioni minori di 50nm su substrati maggiori di 6 pollici.
E' importante sottolineare l'esistenza di importanti ricadute dello sviluppo di tecniche di litografia di imprinting su tutta una serie di potenziali beneficiari non strettamente correlati con la fabricazione di dispositivi fotonici organici. In particolare possono esserci ripercussioni nel processo produttivo di diversi dispositivi optoelettroci inorganici. Dispositivi quali per esempio laser DFB basati su Fosfuro di Indio, implicano la realizzazione di strutture nanometriche mediante costosa litografia a fascio elettronico. L'implementazione di tecniche litografiche ad alta risoluzione e riproducibilità potrà permettere la generazione di maschere di photoresist in maniera semplice ed economica con una riduzione sostanziale dei costi. Ancora ricadute si possono avere nei settori dell'optoelettronica organica e della sensoristica.
Infine si vuole aggiungere che uno svolgimento con successo di tale progetto nel suo insieme, e in particolare il raggiungimento del limite ultimo di risoluzione in dispositivi fotonici e optoelettronici, aprirebbe la via alla fabbricazione di strutture fotoniche basate su materiali organici e dunque all'utilizzo di fenomeni quantistici come principio operativo di una nuova generazione di optoelettronica molecolare. Questo fatto, insieme alla ricchezza di materiali otticamente attivi, peculiarità dei composti organici, rende possibile la realizzazione di un forte accoppiamento tra campo elettromagnetico, cioè i modi ottici supportati dalle strutture a cristallo fotonico, e proprietà elettroniche dei materiali quali le transizioni ottiche.Si sottolinea che,finora, un alto grado di accoppiamento tra modi ottici e transizioni elettroniche, strumento essenziale per investigare le reali modificazioni a cui le proprietà di emissione sono soggette in strutture a cristallo fotonico, è stato raggiunto molto raramente (polaritoni in cavità organiche).
La caratterizzazione fotofisica ha un duplice scopo: fornire un quadro complessivo dell'interazione radiazione materia e valutare i parametri applicativi. I concetti utilizzati sono quelli validi per le molecole organiche e la materia condensata soffice. Le eccitazioni elementari sono stati di singoletto, doppietto e tripletto. La scoperta dei polimeri conduttori ha tuttavia rivoluzionato questo campo. I CP sono catene di atomi di carbonio coniugati simili a cavi quantici naturali che hanno densità di elettroni p estesa lungo la catena, quindi in una dimensione, con un raggio di confinamento dell'ordine di 0.5 nm. Questa caratteristica dà alla dinamica intra catena un carattere particolare, tra quello di una macromolecola e di un solido monodimensionale. Le interazioni inter-molecolari sono deboli, rispetto a quelle intra-molecolari, ma hanno un ruolo cruciale nelle proprietà di stato solido, soprattutto nei processi non radiativi che devono essere controllati per le applicazioni qui proposte. La caratterizzazione ottica con tecniche standard è stata usata in modo estensivo allo scopo di estrarre le proprietà generali e le prestazioni. Tuttavia sono le tecniche più avanzate, quali le spettroscopie risolte nel tempo, che offrono una visione più dettagliata sulla dinamica delle eccitazioni elementari. Scale di tempi ultrabrevi sono tipiche di questi materiali, e richiedono l'utilizzo di sorgenti laser allo stato dell'arte, diposinibili presso il partner 1 con risoluzione fino a 10 fs. La caratterizzazione avanzata fotofisca è una caratteristica del progetto ed un valore aggiunto alla ricerca proposta. La nano-strutturazione dei materiali organici può comportare modifiche a livello mesoscopico della morfologia, osservabili sulla scala spaziale del passo reticolare (100 nm), che si ripercuotono sulle proprietà ottiche. Si propone di utilizzare la tecnica della microscopia NSOM risolta nel tempo al femtosecondo (circa 100 fs e 100 nm) per sondare le proprietà ottiche di interesse (guadagno, tempo di vita degoli stati eccitati, meccanismi di de-attivazione) in funzione della posizione. Questa tecnica è ancora agli inizi per ciò che riguarda l'applicazione nel dominio del tempo e si sistemi organici, ma la sua validità come sonda strutturale e ottica è ben dimostrata.
In conclusione, si ritiene che lo sviluppo di tecniche di litografia soft sia un aspetto cruciale sia dal punto di vista della fisica fondamentale, sia da quello delle implicazioni tecnologiche. Essa permetterà una completa comprensione della fotofisica dei materiali organici in strutture a cristallo fotonico dove forti modificazioni della densità degli stati fotonici può essere indotta, e renderà possibile la progettazzione e la fabbricazione economica di una nuova generazione di dispositivi organici con prestazioni incrementate. Il progetto ha anche il merito di colmare un gap esistente con la comunità internazionale, e si candida come controparte, per ciò che riguarda i materiali organici, di importanti iniziative quali la " Ultrafast Photonics Collaboration" in UK (volta allo sviluppo di tecnologia per la comunicazione dati ultrarapida, 100 Tbit/s, che coinvolge università ed industrie e ha una forte attività nel campo dgli amplificatori organici a banda ultralarga, simili a quelli che si porpone di sviluppare qui)e altre analoghe in Germania, Stati Uniti (vedi la "Lighting Technology RoadMap" su http://www.eren.doe.gov) e Giappone. <<<