RICERCA ITALIANA     

Crescita e proprietà di nanocristalli quasi-unidimensionali di ossidi semiconduttori

Università degli Studi di Lecce

Abstract

La presente proposta riguarda un progetto di ricerca di base il cui scopo principale è il seguente: (i) lo sviluppo di nuove tecniche di sintesi/fabbricazione per la crescita auto-organizzata di nanocristalli quasi unidimensionali (1D) di ossidi metallici di semiconduttore (MOX) a larga gap; la comprensione dei principali meccanismi di crescita e (iii) lo studio degli effetti della bassa dimensionalità e delle interazioni gas-superficie sulle proprietà elettroniche, vibrazionali ed ottiche. In particolare, il progetto intende studiare e sviluppare metodi di auto-organizzazione di nanocristalli quasi 1D free-standing sia orientati secondo direzioni cristallografiche (epitassiali) che casuali (non epitassiali) basati su processi di deposizione chimica da fase vapore (CVD) o sull'innovativo abbinamento tra metodi CVD e strumenti avanzati di nano-fabbricazione come la nano-fabbricazione a fascio di ioni focalizzato. Saranno impiegate entrambe le tecniche di crescita assistita da catalizzatore, il cosiddetto meccanismo vapore-liquido-solido, che la crescita cristallina senza catalizzatore. In aggiunta all'attività di crescita/nanofabbricazione, per la prima volta la ricerca sarà orientata alla modellizzazione termo/fluido-dinamica ed atomica di nanocristalli quasi 1D auto-organizzati. Le potenzialità delle tecnologie di crescita/nano-fabbricazione proposte saranno specificatamente focalizzate sulla realizzazione sia di nanocristalli (nanorod) epitassiali 1D, eterostrutture 1D ed >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Nicola LOVERGINE Università degli Studi di LECCE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Scopi del progetto sono: i) lo sviluppo di nuove tecniche di sintesi e nanofabbricazione per la crescita auto-organizzata di nanocristalli quasi 1-dimensionali (1D) di ossidi metallici (MOx) semiconduttori a larga gap ii) la comprensione dei loro meccanismi di crescita iii) lo studio degli effetti di bassa dimensionalità sulle proprietà elettroniche, vibrazionali e ottiche. Il progetto si propone di investigare e sviluppare metodi di auto-organizzazione di nanocristalli quasi 1D free-standing sia cristallograficamente orientati (epitassiali) sia non epitassiali, basati su processi di deposizione chimica da vapore (CVD) o sulla combinazione di CVD con tecniche di nanofabricazione. Le potenzialità delle tecnologie proposte saranno focalizzate sulla realizzazione sia di nanocristalli 1D epitassiali (nanorod), sia di array ordinati e etero-strutture 1D, come pure di grandi insiemi di cristalli 1D non epitassiali (nanowire e nanobelt) depositati uniformemente su larghe aree. Applicazioni a lungo termine comprendono l'optoelettronica UV, la fotonica e nuovi sensori ottici di gas. Si intende studiare le proprietà dei nanorods e dei nanowire/nanobelt avendo una particolare attenzione agli effetti di ridotta dimensionalità e al confinamento quantico degli stati elettronici e fononici. Oltre che ottenere dati sperimentali sulle proprietà fisiche dei nanocristalli quasi 1D di MOX, la caratterizzazione delle proprietà morfologiche, strutturali ed ottiche delle strutture nanocristalline >>>

Risultati parziali attesi

L'elenco dei risultati intermedi attesi al completamento della FASE I è il seguente:

- Validazione funzionale di precursori per la crescita CVD di nanorod e nanobelt di MOX semiconduttori a larga gap di elevata qualità
- Definizione di una procedura di trattamento del substrato e delle specifiche di preparazione del catalizzatore metallico prima della deposizione
- Definizione dei valori dei parametri di crescita CVD (temperatura, flussi di gas, pressioni, etc.), delle procedure di crescita per la VLSE di nanorod epitassiali altamente orientati di ZnO, MgO e ZnMgO
- Definizione dei valori dei parametri di crescita CVD (temperatura, flussi di gas, pressioni, etc.), delle procedure di crescita per crescita di nanowire/nanorod di ZnO di elevata qualità e di SnO2 su larghe aree di substrato
- Descrizione quantitativa delle condizioni termo/fluido-dinamiche dei reattori CVD e controllo incrociato dei risultati previsti con quelli ottenuti sperimentalmente
- Definizioni quantitative morfologiche e strutturali di nanorod/nanobelt in funzione delle condizioni di crescita e confronto con la descrizione della nucleazione 1D in termini di modello atomistico
- Completamento dell'apparato sperimentale per misure di scattering Raman risonante
- Completamento dell'apparato sperimentale per caratterizzazione PL visibile di MOX a larga gap
- Dimostrazione di effetti di confinamento quantistico sulle propriet >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

I nanocristalli a semiconduttore quasi uni-dimensionali (1D) rappresentano l'avanguardia dell'attuale fisica e tecnologia dello stato solido. Questi sistemi, che presentano 2 dimensioni confrontabili con la lunghezza d'onda degli elettroni o dei fononi, mostrano effetti di confinamento quantistico: singolarità nella densità degli stati, funzioni d'onda di tipo quasi-molecolare che si estendono su grandi distanze, alta efficienza di luminescenza e bassa soglia di emissione laser. Inoltre, il loro elevato rapporto superficie-volume consente di sfruttare il ruolo degli stati di superficie (ed i loro cambiamenti legati all'ambiente in cui sono immersi) nei fenomeni ottici di eccitazione/ricombinazione dei portatori.
Sinora i sistemi a semiconduttore 1D non sono stati molto studiati, mentre strutture bidimensionali (buche quantiche) sono state investigate per più di due decenni e sistemi quasi zero-dimensionali (0D) come i punti quantici, sono stati al centro della ricerca per un decennio. Il motivo principale di tale differenza è nella difficoltà di fabbricare nanocristalli 1D. Di recente, tali strutture sono state depositate e stabilizzate sulla superficie 3-dimensionale (3D) di un substrato, con la loro dimensione maggiore sul piano della superficie [1], con la conseguenza che le interazioni col substrato possono essere dominanti sull'effetto 1D. Attualmente, nanocristalli 1D che presentano un'interazione trascurabile col substrato possono essere realizzati con metodi >>>