RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Rivelatori di particelle con alta resistenza alle radiazioni ed alto potere risolutivo in diamante sintetico ottenuto da crescita omoepitassiale

Università di riferimento

Università degli Studi "Mediterranea" di REGGIO CALABRIA - MECCANICA E MATERIALI - REGGIO CALABRIA(RC)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Giacomo Domenico Savio MESSINA

Descrizione

L'attività dell'Unità di Ricerca (UR) di Reggio Calabria riguarderà la caratterizzazione ottica del diamante a singolo cristallo e del diamante policristallino cresciuti tramite MicroWave Plasma Assisted CVD (MWPACVD) presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università di Roma Tor Vergata. Spettroscopia Raman e fotoluminescenza a diverse lunghezze d'onda (da 325 nm a 632.8 nm) saranno utilizzate estensivamente per monitorare la qualità dei campioni destinati alla realizzazione dei rivelatori previsti all'interno del presente progetto di ricerca. Verranno evidenziate le correlazioni esistenti fra i risultati della caratterizzazione ottica e la risposta dei rivelatori. Temperatura di deposizione, composizione del plasma, pressione e flusso della miscela gassosa, potenza a microonde hanno una forte influenza sulle proprietà morfologiche e cristallografiche dei campioni sintetizzati, determinandone in definitiva la qualità globale. Un'accurata caratterizzazione strutturale dei campioni è indispensabile per correlare i difetti rivelati alle condizioni di crescita e, di conseguenza, per controllarne la formazione, in vista dell'obiettivo finale di ottimizzare le proprietà del diamante omoepitassiale per le applicazioni di rivelazione. La qualità cristallografica e la purezza di fase dei film, valutate quantitativamente tramite le misure di scattering Raman, hanno infatti influenza diretta sulle proprietà di rivelazione dei dispositivi basati su diamante CVD. A una diminuzione dei difetti strutturali e delle fasi non diamante corrisponde un forte miglioramento delle caratteristiche di rivelazione. Tali difetti agiscono infatti da centri di ricombinazione per i portatori e abbassano le prestazioni del rivelatore. Ai fini della realizzazione di rivelatori per applicazioni nucleari avanzate è necessario disporre di film di alta qualità e uniformità spaziale. Tuttavia, dipendendo dalle condizioni di crescita, le caratteristiche locali dei film sintetizzati possono variare anche fortemente da punto a punto sul campione, specialmente nei campioni policristallini, mentre i film omoepitassiali possono presentare disomogeneità quali hillocks o micro-twins. Ciò potrebbe avere una forte influenza negativa sulle prestazioni dei dispositivi. Risulta quindi indispensabile effettuare una accurata indagine dell'uniformità spaziale del materiale depositato, con l'idea di individuare le condizioni di crescita più adatte ad ottenere film omogenei. La morfologia superficiale dei film depositati verrà studiata tramite microscopia ottica (UR di Reggio Calabria), microscopia a scansione elettronica (UR di Roma Tor Vergata) ed, eventualmente, con microscopia a forza atomica utilizzando un microscopio AFM presente presso il Dipartimento di Fisica dell'Università della Calabria. La variazione della qualità dei film su scala micrometrica sarà accuratamente investigata presso l'UR di Reggio Calabria tramite spettroscopia micro-Raman confocale e micro-fotoluminescenza da temperatura ambiente fino a 77 K. A causa dell'alta risoluzione spaziale (circa 1 micron) la possibile presenza di fasi non-diamante, impurità e stress meccanico potrà essere esaminata sia sulla superficie di crescita che su piani intermedi all'interno del film (depth resolution circa 2 micron). Al fine di ottenere una completa caratterizzazione dei film sintetizzati, gli studi di scattering Raman e di fotoluminescenza effettuati dall'UR di Reggio Calabria verranno affiancati da analisi complementari svolte, con diverse metodologie di indagine, dalle altre Unità di Ricerca. Misure di lunghezza di raccolta, cioè della distanza media percorsa dai portatori di carica prima di essere intrappolati da un difetto, verranno effettuate presso l'UR di Roma Tor Vergata su rivelatori di particelle alfa costruiti con gli stessi film di diamante. Questo parametro diagnostico è infatti un indicatore sensibilissimo alla qualità globale dei film e deve correlarsi con i parametri di qualità dedotti dalla caratterizzazione ottica. L'UR di Catania analizzerà i campioni con il metodo nucleare, recentemente messo a punto [31-33], bombardando con particelle di diversa energia e quindi profondità di penetrazione, fornendo così informazioni quantitative sull'efficienza dei rivelatori e sul loro potere risolutivo. La strumentazione attualmente disponibile presso l'Unità di Ricerca di Reggio Calabria permette la realizzazione di misure di fotoluminescenza con lunghezza d'eccitazione fino a 325 nm (3.81 eV). Tali misure permettono di rivelare la presenza dei più comuni centri fotoluminescenti quali complessi silicio-vacanza (a circa 1.681 eV), complessi azoto-vacanza ( a circa 1.945 eV, 2.156 eV, 2.463 eV), la cosiddetta banda A (a circa 3 eV) e aggregati di azoto più complessi a circa 2.95 eV. I risultati dell'analisi ottica andranno confrontati con i risultati delle misure di catodoluminescenza effettuate dall'UR di Roma Tor Vergata. Gli OBIETTIVI SPECIFICI del programma di Ricerca dell'Unità di Reggio Calabria possono essere riassunti nei seguenti punti: 1)Caratterizzare, tramite spettroscopia Raman e fotoluminescenza, i film di diamante CVD a cristallo singolo cresciuti dall'Unità di Roma Tor-Vergata sotto differenti condizioni sperimentali. 2) Identificare le condizioni di crescita adatte ad ottenere film omoepitassiali di alta qualità 3) Evidenziare le correlazioni fra le spettroscopie Raman e di fotoluminescenza e le proprietà di rivelazione dei film dedotte dalle altre Unità con differenti tecniche di caratterizzazione (risposta alle particelle alfa, metodi nucleari). FASI DELLA RICERCA L'attività di ricerca dell'Unità di Reggio Calabria sarà articolata in tre fasi successive e verrà svolta in stretto coordinamento con le altre unità di ricerca. FASE 1 (sei mesi) La fase iniziale del programma di ricerca prevede l'accurata caratterizzazione di campioni policristallini cresciuti sotto condizioni ottimizzate presso l'Unità di Roma Tor Vergata. Verranno introdotti opportuni fattori di qualità che, fornendo un'adeguata parametrizzazione degli spettri, consentiranno un confronto quantitativo dei differenti campioni analizzati. Dai diversi campioni verrà selezionato, per qualità cristallina e purezza di fase, un numero ristretto di film policristallini destinati alla realizzazione di rivelatori di radiazione ionizzante allo stato dell'arte. Il confronto con i risultati ottenuti dalle altre Unità permetterà di stabilire le prestazioni limite dei rivelatori basati su diamante policristallino. Risultati previsti in fase 1 e interazioni con le altre Unità di Ricerca: - Serie ristretta di film di diamante policristallino di alta qualità (UR di Roma Tor Vergata), caratterizzati tramite spettroscopia Raman e fotoluminescenza (UR di Reggio Calabria), catodoluminescenza (UR di Roma Tor Vergata) e metodi nucleari (UR di Catania), da utilizzare per la realizzazione di dispositivi rivelatori di radiazione allo stato dell'arte. - Individuazione di fattori di qualità per il confronto quantitativo di differenti campioni. FASE 2 (dodici mesi) Questa fase del programma di ricerca prevede la caratterizzazione di film di diamante omoepitassiale cresciuti sotto differenti condizioni di deposizione. In questa fase la collaborazione con l'Unità di Roma Tor Vergata, che si occupa della crescita dei film, sarà strettissima. Infatti, la crescita di film omoepitassiali con un nuovo set-up sperimentale richiede una nuova accurata ottimizzazione delle condizioni di crescita. Verrà studiata l'influenza di parametri di deposizione quali pretrattamento del substrato, temperatura di deposizione e concentrazione della miscela gassosa sulla qualità ottica ed elettronica dei film omoepitassiali depositati. Microscopia ottica ed a forza atomica saranno applicate allo studio dell'uniformità superficiale dei film, mentre la spettroscopia Raman e di fotoluminescenza, a diverse temperature e lunghezze d'onda di eccitazione, saranno applicate allo studio della qualità cristallina, della purezza di fase e dell'incorporazione di impurità nei campioni omoepitassiali. I risultati di queste misure verranno confrontati con le misure di catodoluminescenza effettuate dall'Unità di Roma Tor Vergata. L'omogeneità spaziale dei film verrà accuratamente investigata accoppiando lo spettrometro micro-Raman confocale con uno stadio di traslazione motorizzato XY con passi di movimento sub-micrometrici controllato da computer, già presente presso l'UR di Reggio Calabria. Verranno realizzate "mappe Raman" dei campioni omoepitassiali che, fornendo un'immagine della distribuzione locale della larghezza e della posizione spettrale della riga diamante, possono dare informazioni quantitative sull'omogeneità spaziale dei campioni. La variazione della qualità del film omoepitassiale dalla superficie di crescita verso l'interfaccia con il substrato verrà accuratamente analizzata tramite microscopia Raman confocale a diverse profondità. I risultati dell'analisi potranno essere correlati con la risposta dei campioni bombardati con particelle di diversa profondità di penetrazione. Risultati previsti in fase 2 e interazioni con le altre Unità di Ricerca: - Accurata selezione di film di diamante omoepitassiale di alta qualità, pienamente caratterizzati tramite microscopia ottica, spettroscopia micro-Raman, micro-fotoluminescenza (UR di Reggio Calabria) e catodoluminescenza (UR di Roma Tor Vergata), destinati alla realizzazione dei prototipi di rivelatori che saranno caratterizzati con metodi nucleari dall'Unità di Catania. - Individuazione delle migliori condizioni di crescita al fine di ottenere film omoepitassiali di tipo "detector-grade" (UR di Reggio Calabria, UR di Roma Tor Vergata e UR di Catania). FASE 3 (sei mesi) In questa fase dell'attività di ricerca verranno approfondite le tematiche e le tecniche di analisi sviluppate durante le due precedenti fasi. Verranno analizzati comparativamente i risultati ottenuti, con tecniche di caratterizzazione complementari, dalle Unità di Ricerca coinvolte nel progetto, allo scopo di mettere in luce possibili correlazioni esistenti e chiarire il ruolo dei parametri di crescita nel determinare le proprietà ottiche ed elettroniche dei film. In particolare, la lunghezza di raccolta, parametro diagnostico sensibilissimo alla qualità del film, misurato dall'Unità di Roma Tor Vergata irradiando i campioni con particelle alfa di alta energia, verrà correlata ai parametri spettroscopici ricavati dalla caratterizzazione Raman e dalle misure di fotoluminescenza. In questa fase verranno anche caratterizzati i campioni di diamante CVD omoepitassiale cresciuti sotto condizioni ottimizzate su substrati di diamante CVD omoepitassiale non "detector-grade", cioè su quei campioni, cresciuti durante la precedente fase 2, che non hanno superato la selezione di qualità. Risultati previsti in fase 3: - Miglioramento del presente know-how sulla sintesi di film di diamante CVD di alta qualità e approfondimento delle conoscenze di base relative ai fenomeni che influenzano le proprietà di rivelazione di dispositivi al diamante. - Identificazione dei parametri spettroscopici più idonei a paragonare la bontà di diversi film di diamante come rivelatori. - Report finale sulla caratterizzazione dei film di diamante omoepitassiale e policristallino, e confronto quantitativo fra le loro proprietà di rivelazione. - Pubblicazione dei risultati scientifici ottenuti nel biennio di attività su riviste a diffusione internazionale e partecipazione a congressi nazionali e internazionali.