RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Nanosensori a banda fotonica proibita

Università di riferimento

Politecnico di BARI - ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA - BARI(BA)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Antonella D'ORAZIO

Descrizione

Lo scopo principale della proposta "Nanosensori a banda fotonica proibita" svolta in collaborazione con l'Università di Brescia e Lecce è dimostrare la fattibilità di un sensore di pressione a banda fotonica proibita.
Il programma di ricerca proposto si pone come obiettivi:
a) la definizione del materiale più efficace per la realizzazione del sensore a cristallo fotonico;
b) la definizione del tipo di struttura da realizzare: strutture sospese (come ad esempio membrane, ponti, ..) o multistrati o strutture ibride soft;
c) il progetto del sensore di pressione a cristallo fotonico nelle configurazioni proposte dall'Unità di Brescia (guide a lastra a cristallo fotonico) e di Bari (guide d'onda e/o microcavità a cristallo fotonico);
d)l' analisi delle prestazioni del sensore e confronto tra le due configurazioni proposte.
e) la realizzazione e caratterizzazione ottica e morfologica delle strutture progettate;
f) l'analisi della architettura complessiva del sensore e relativa caratterizzazione.
Il successo del programma di ricerca sarà basato sulla stretta collaborazione tra le diverse Unità di Ricerca che si scambieranno continuamente note tecniche, risultati numerici e sperimentali, codici di calcolo, ecc.
Rispetto al primo obiettivo, è importante sottolineare la capacità del Laboratorio di Nanotecnologie dell'Università di Lecce di poter lavorare materiali diversi come semiconduttori epitassiali (eterostrutture GaAs/AlGaAs), dielettrici (SiO2 e TiO2) e materiali organici elastici (polimeri o piccole molecole). Ciò permette di prendere in considerazione per la realizzazione del sensore diverse configurazioni di strutture a banda fotonica proibita: membrane sottile, con o senza difetto, film spessi, strutture PBG realizzate in eterostrutture.
Per descrivere il principio di funzionamento di un sensore a banda fotonica proibita (PBG, photonic band gap) è necessario ricordare alcune proprietà peculiari di un cristallo fotonico. Una struttura PBG è caratterizzata da un reticolo cristallino periodico regolare che interdice la propagazione della luce in determinati intervalli di frequenza. Le caratteristiche di una struttura a banda fotonica proibita sono fortemente condizionate dalla scelta dei materiali che permettono di definire il contrasto d'indice della struttura, dal tipo di reticolo (quadrato, rettangolare, triangolare, esagonale) dal filling factor, ecc. Quando si introduce nel reticolo periodico regolare, un difetto, lineare o puntuale, la struttura agisce da guida d'onda o microcavità, rispettivamente, generando uno stato localizzato all'interno della banda fotonica proibita. Il principio di funzionamento del sensore a cristallo fotonico si basa sulla considerazione che qualsiasi variazione dei parametri fisici o geometrici della struttura PBG (indotta, ad esempio, dalla applicazione della forza/pressione) modifica lo spettro di trasmissione dello stato localizzato. Peraltro anche un reticolo periodico regolare vede il suo spettro di trasmissione modificato per effetto dell'applicazione di una forza o pressione.
Compito dell'Unità di ricerca di Bari in questo programma di ricerca è lo studio e il progetto di un nanosensore di pressione a banda fotonica proibita realizzato mediante una guida d'onda a cristallo fotonico (difetto lineare nel reticolo periodico regolare) o microcavità (difetto puntuale).
In particolare, l'attività di ricerca dell'Unità di Bari sarà così articolata:
1) analisi dei materiali e valutazione delle variazioni dell'indice di rifrazione di ogni materiale, per effetto elastoottico, elettroottico e piezoelettrico, indotte dall'applicazione della forza;
2) studio e progetto della struttura a banda fotonica proibita proposta dall'unità di Bari;
3) analisi meccanico-strutturale del dispositivo proposto;
4) studio dell'architettura complessiva del sensore e caratterizazione del sistema.
Nel primo anno di attività si intende quindi avviare una analisi comparativa dei materiali lavorabili presso l'Università di Lecce al fine di valutare la sensibilità di ogni classe di materiale alle applicazioni della forza/pressione. Tale analisi consisterà quindi nella valutazione numerica delle variazioni dell'indice di rifrazione dei materiali per effetto elastoottico, elettroottico e piezoelettrico.
L'attività di ricerca nel primo anno proseguirà con l'analisi ed il progetto del sensore in guida d'onda a cristallo fotonico. Per tale attività si utilizzeranno i codici di calcolo già a disposizione del Gruppo di ricerca e il codice alle differenze finite nel dominio del tempo (FDTD) tri-dimensionale che l'Unità di Brescia svilupperà ad hoc per il progetto. Tale metodo, se da un lato risulta essere oneroso in termini di occupazione di memoria e, nel caso di strutture tri-dimensionali, di tempo di calcolo, ha il vantaggio di consentire con una sola simulazione la valutazione degli spettri di riflessione e trasmissione. Per la definizione dei parametri caratteristici (contrasto d'indice, filling factor, tipo di reticolo, tipo di difetto) della struttura a cristallo fotonico, proposta da questa Unità operativa, si terrà conto anche della diversa risposta delle strutture PBG al tipo di polarizzazione. Sulla base delle considerazioni tecnologiche che perverranno da Lecce, saranno valutate le diverse tipologie di substrato di partenza (membrana sottile sospesa, film spesso, eterostruttura). Saranno quindi valutati gli spettri di riflessione e trasmissione delle strutture con difetto (guide d'onda o microcavità) in assenza dello sforzo applicato. Successivamente saranno valutati gli spettri di trasmissione per ogni struttura sottoposta a sforzo/pressione considerando le variazioni dell'indice di rifrazione dei materiali considerati, precedentemente calcolate. Le variazioni degli spettri di trasmissione permetteranno di valutare la sensibilità di ogni struttura al variare della forza applicata.
Obiettivi parziali attesi dalle attività svolte da questa Unità di ricerca nel corso del primo anno saranno quindi: caratterizzazione numerica dei materiali e definizione delle loro proprietà in termini di sensibilità alle variazioni indotte dagli effetti elettroottici, piezoelettrici, elastoottico. Sulla base dei risultati ottenuti dalla caratterizzazione dei materiali, scelta del tipo di struttura (membrana sottile, ponte, film spesso,ecc). Caratterizzazione elettromagnetica e progetto della struttura a banda fotonica proibita che costituisce il nanosensore proposto da questa Unità.
L'analisi elettromagnetica sarà completata, nel secondo anno di attività, da una analisi strutturale per tener conto delle deflessioni indotte sulla struttura, del tipo membrana sospesa o ponte, sottoposta a pressione. Tale analisi sarà effettuata con un codice di calcolo commerciale "Structural Mechanics Module- Femlab", già in possesso dell'unità di ricerca. Il codice consente di specificare il tipo di carico come estensione (puntuale, superficiale o di volume) ed esamina anche casi di applicazioni di carichi non uniformi o tempo-varianti. Il codice FEMLAB, basato sul metodo agli elementi finiti, consente peraltro di integrare i risultati dell'analisi strutturale con l'analisi elettromagnetica e di verificare come la deflessione della struttura modifica le caratteristiche di propagazione dell'onda elettromagnetica. Tale codice sarà messo a disposizione dell'Unità di Brescia per l'analisi meccanico strutturale della configurazione esaminata a Brescia, essenzialmente costituita da due slab a cristallo fotonico accoppiate.
Le prestazioni del sensore progettato, in termini di sensibilità e stabilità, saranno confrontate con quelle della struttura di Brescia. Le specifiche finali di progetto saranno quindi fornite dalle Unità di Bari e Brescia all'Unità di Lecce che provvederà alla fabbricazione e alla caratterizzazione ottica e morfologica delle strutture a cristallo fotonico progettate.
I risultati sperimentali forniti dall'Unità di Lecce saranno quindi confrontati con quelli numerici e sarà valutato l'effetto delle eventuali imperfezioni di fabbricazione, che si presentano come difetti aggiuntivi, sulle prestazioni del nanosensore sia dal punto di vista elettromagnetico sia strutturale. Nel corso del secondo anno sarà avviato lo studio dell'architettura complessiva del sensore, essenzialmente costituita da una sorgente, dall'elemento sensibile, dal sistema di attuazione della forza o pressione e dal sistema di rilevazione del segnale trasmesso. Uno stadio particolarmente delicato, cui sarà dedicata particolare attenzione, è il sistema per l'applicazione della forza, date le dimensioni nanometriche del sensore. Tale attività sarà effettuata in stretta collaborazione con l'Università di Lecce e comprenderà la caratterizzazione dell'intero sistema.
Obiettivi parziali attesi dalle attività svolte da questa Unità nel corso del secondo anno saranno: caratterizzazione meccanico-strutturale delle strutture progettate, test sui dispositivi realizzati a Lecce, valutazione delle non idealità dei nanosensori progettati dovuti a imperfezioni nel processo di fabbricazione e relativo feedback sul progetto. Definizione dell'architettura del sensore nel suo complesso e valutazione delle prestazioni in termini di sensibilità, precisione, riproducibilità , tempo di risposta, costo, dimensioni, facilità di elaborazione del segnale di risposta.