RICERCA ITALIANA     

Progettazione di nuovi materiali nanostrutturati per applicazioni electroniche ed ottiche attraverso la teoria a principi primi e la simulazione

Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia

Abstract

La nanotecnologia e le nanoscienze riguardano la scienza dei materiali e le sua applicazioni su scala nanometrica. Più che una nuova specifica area, la nanoscienza rappresenta un nuovo modo di pensare. Il suo potenziale rivoluzionario sta nella multidisciplinarità intrinseca e sviluppo e successi dipendono fortemente dagli sforzi comuni e dalle fruttuose interazioni.I materiali nanocristallini mostrano proprietà fisiche nuove come conseguenza della stretto legame tra confinamento quantico e correlazione elettronica. Queste proprietà offrono la possibilità di progettare nuovi ed interessanti materiali per una varietà di applicazioni tecnologiche. In particolare nello sviluppo di dispositivi ottici e di trasporto innovativi e di celle solari di nuova generazione. Per progettare nanomateriali con specifiche proprietà e fabbricare dispositivi optoelettronici nanodimensionali con comportamento desiderato, è necessario capire le proprietà strutturali, elettroniche e ottiche ad un livello completamente quanto-meccanico. La teoria gioca un ruolo cruciale perchè una precisa conoscenza delle eccitazioni elettroniche rappresenta un passo fondamentale verso la innovazione,la progettazione e la fabbricazione di materiali e dispositivi alla nanoscala permettendo di cambiare finemente le proprietà secondo le necessità delle applicazioni tecnologiche. Questo progetto vuole integrare e sviluppare le capacità di ricerca di 4 gruppi che hanno competenze complementari nello studio ab-initio di >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Stefano Ossicini Università degli Studi di MODENA e REGGIO EMILIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Obbiettivo scientifico di questo programma è il sostanziale miglioramento e sviluppo di un approccio teorico “a comprensione atomica” per la determinazione delle proprietà strutturali,elettroniche e ottiche di sistemi nanostrutturati e a bassa dimensionalità.Per raggiungere tale scopo integreremo e svilupperemo le capacità di ricerca di 4 gruppi nel campo della sci enza di base dei sistemi su nanoscala e dei materiali avanzati. Questi gruppi in passato hanno collaborato attivamente e con successo in numerosi progetti nazionali. Inoltre i nodi di Roma e Milano già provengono da un Network di Eccellenza Europeo(NANOQUANTA), mentre i nodi di Modena e Napoli sono attivi nel Network Europeo Psik “Calcoli di Struttura Elettronica di Solidi e Superfici”. Attraverso l’attiva collaborazione e la potente combinazione di teoria quanto-meccanica e simulazioni avremo a che fare con studi sperimentali di nanoscienze e direttamente con processi strutturali,elettronici e ottici tecnologicamente rilevanti. Sono disponibili numerosi codici computazionali per questo programma:oltre ai codici pubblici,useremo un certo numero di codici sviluppati,tutti o in parte,all’interno dei nostri gruppi. Ci focalizzeremo fortemente sullo sviluppo sia di metodi teorici che di algoritmi. In particolare useremo la teoria perturbativa a molti corpi(MBPT) e del funzionale densità dipendente dal tempo(TDDFT),metodi che hanno mostrato progressi impressionanti. Studieremo l’eccitazione di nanoaggregati usando le >>>

Risultati parziali attesi

Uno scopo primario è lo sviluppo di nuovi strumenti teorici e computazionali per una descrizione migliorata della correlazione elettronica, dello spin e delle proprietà ottiche. Questi strumenti mirano a capire la relazione tra i cambiamenti sperimentalmente osservati nelle proprietà ottiche e le modificazioni strutturali collegate del materiale in esame. Un altro punto chiave di questo progetto sarà l’applicazione di questi strumenti a numerosi sistemi coinvolti in molti dei presenti sviluppi di punta: nella nanotecnologia, nella fabbricazione di dispositivi a semiconduttore, nella computazione quantistica, nella bio-funzionalizzazione, e nelle applicazioni fotovoltaiche. Ci aspettiamo un forte impatto sulla ricerca di base e applicata relativamente a sistemi importanti per i dispositivi optoelettronici completamente compatibili con l’elettronica convenzionale, sistemi per la conversione di luce solare in potenza elettrica e in generale nel campo della nanotecnologia.
Riguardo lo sviluppo dei nuovi mezzi teorici e computazionali i maggiori risutati attesi riguardano:
i) il calcolo delle funzioni di risposta MBPT usando l’approssimazione GW e la soluzione dell’equazione di Bethe-Salpeter (BSE), che contiene esplicitamente la dinamica delle coppie elettrona-buca. Saremo in grado di sviluppare approssimazioni che migliorino l’efficienza senza sacrificare l’accuratezza quantitativa;
ii) la ricerca e sperimentazione di nuove approssimazioni per il kernel >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La fabbricazione di dispositivi a semiconduttore mostra una notevole tendenza alla miniaturizzazione, guidata da molte innovazioni scientifiche e tecnologiche. La dimensione dei componenti dei dispositivi sta ora raggiungendo la scala nanometrica, che è l’attuale limite tecnologico di fabbricazione. Questa limitazione può essere superata sostituendo i componenti a semiconduttori inorganici tradizionali con singole nanostrutture, come nanocristanni nc), nanofili nw), nanotubi nt), o molecole organiche [1]. Per esempio, durante il decennio passato, numerosi scoperte hanno aumentato le speranze di usare nanostrutture di silicio come un materiale ottico attivo [2]. L’idea base è stata di avvantaggiarsi della dimensionalità ridotta della fase nanocristallina [3]. Nuovi dispositivi contenenti nanostrutture di silicio hanno attirato gli sforzi dei ricercatori per le loro caratteristiche ottiche nella branca fotonica [3]. Essendo stato dimostrato il guadagno ottico da Si-nc ingabbiati in una matrice di SiO2 [4,5], la possibilità di usare il silicio per l’optoelettronica sta diventando credibile. E’ stata sviluppata una efficiente iniezione elettrica di portatori da Si-nc in matrice[6]. ]. E’ stato realizzato il primo laser Raman al Si [7] usando guide d’onda di Si come mezzo di guadagno ed è stato migliorato [8] impiantando impurezze, convertendo il Si in un materiale con conduzione di elettroni (lato n) e buche (lato p). Anzi i Si-nw stanno emergendo come potenti mattoni >>>