NANOTECNOLOGIE

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Nel 2001 la Sezione di Bologna è stata iniziatrice, in ambito INFN, dell’attività di ricerca e sviluppo nel campo delle nanotecnologie. L’obiettivo è quello di sfruttare le proprietà dei materiali nanostrutturati per applicazioni d’interesse specifico dell’ente, ma anche di potenziale interesse industriale. Infatti, le nanotecnologie consentono la sintesi di strutture su scala nanometrica o, più precisamente, laddove una dimensione è sub-micrometrica, tipicamente inferiore a 100 nm. Sono scale di grandezza che anticipano la frontiera della microelettronica e che consentono di scoprire e sfruttare nuove proprietà della materia.

 

I principali filoni di attività sono:

  • Sintesi di allumina nanoporosa.
    Mediante anodizzazione elettrochimica di alluminio è possibile creare uno strato superficiale di ossido, con struttura porosa a “nido d’ape”. Tale strato può avere uno spessore compreso tra alcune centinaia di nm, sino a decine o centinaia di micron. La struttura a nido d’ape ha un passo variabile da 50 a 500 nm, che dipende dalle condizioni anodizzazione, mentre il diametro dei pori è indicativamente pari alla metà del passo. Con opportuni accorgimenti, la matrice di pori può raggiungere una regolarità molto elevata. In questo modo si ottengono matrici di nanopori con elevato grado d’ordine, anche su scala millimetrica, che possono avere molteplici applicazioni: ad esempio si possono utilizzare come cristalli fotonici o come stampi per la sintesi di altre nanostrutture, come nanoparticelle, nanofili o nanotubi di carbonio.
  • Sintesi di nanofili metallici.
    Mediante processi di elettrodeposizione su matrici di allumina porosa è possibile creare nanofili metallici con particolari proprietà opto-elettroniche: per una radiazione elettromagnetica con lunghezza d’onda molto superiore al diametro del nanofilo e per specifiche frequenze di risonanza (nel range UV-VIS-IR) dipendenti della geometria, si osserva un elevato assorbimento e la capacità di trasportare la perturbazione lungo il nanofilo, come in una guida di luce.

L’impiego di nanofili metallici ha trovato svariate applicazioni, ad esempio:

    • iperassorbimento in interazioni laser-materia per la formazione di plasmi d’interesse astrofisico
      L’esperimento PLANETA (2017-2019) ha investigato la produzione di plasma mediante ablazione laser di bersagli nanostrutturati. Usando due laser di tipo Nd-YAG a 1064 e 532 nm di lunghezza d’onda, vengono sparati impulsi di durata 6 ns su bersagli con nanofili metallici incorporati in una matrice di allumina porosa e il plasma risultante viene analizzato con diversi rivelatori. I plasmi creati in questo modo sono interessanti in termini di accoppiamento laser-nanostruttura, in quanto sembrano portare alla produzione di un plasma caldo, denso e di lunga durata (centinaia di ns), tale da raggiungere condizioni adeguate per la fusione nucleare e per studi di interesse astrofisico.
    • ottimizzazione di rivelatori di radiazione (es. i Silicon Drift Detector) in efficienza quantica a specifiche frequenze
      L’esperimento REDSOX2 (2016-2018), ha investigato l’applicazione di nanotecnologie su dispositivi di tipo SDD, al fine di incrementare l‘efficienza quantica dell’attuale rivelatore nel range UV, ad esempio per applicazioni nella lettura di luce di scintillazione. In particolare è stata verificata la possibilità di incrementare l’efficienza quantica nel vicino ultravioletto (∼ 380 nm), mediante la formazione di una matrice di nanofili di Ag ad elevata trasmittanza, che viene posta sulla finestra d’ingresso del rivelatore, sopra un sottile strato di ITO (Indium Tin Oxide). Il doppio strato ha anche funzione di layer antiriflesso. Lo studio ha evidenziato che è possibile ottenere una risonanza di assorbimento plasmonico vicina a 380 nm.
    • iperassorbimento di radiazione elettromagnetica (es. lo spettro solare) e trasporto del calore in applicazioni industriali.
      Una possibile applicazione è stata sperimentata preliminarmente (in collaborazione con una azienda), mediante un trattamento superficiale basato su matrici di nanofili metallici. Tali matrici realizzano una superficie ad elevatissimo assorbimento per lo spettro UV-VIS-IR, anche in condizioni di elevata densità di potenza e per tempi lunghi. Nell’applicazione di test era quindi richiesto che l’elevata assorbanza rimanesse costante nel tempo in condizioni altamente degradanti.

  • Sintesi di nanotubi di carbonio.
    Mediante Deposizione Chimica da Vapore (CVD) è possibile creare nanotubi di carbonio, con diametro compreso tra 1 e 100 nm e lunghezza di svariati micron. Tali nanotubi mostrano eccellenti proprietà elettriche, come l’elevata conducibilità e la capacità di emettere elettroni per effetto tunnel, sotto l’azione di un campo elettrico. Essi possono essere creati in  forma libera (freestanding) oppure confinati in matrici regolari di allumina porosa.

L’impiego di nanotubi di carbonio ha trovato svariate applicazioni, ad esempio:

    • emettitori di elettroni in sorgenti di ioni.
      Gli esperimenti CANTES (2009-2010) ed ESOPO (2011-2013) hanno investigato la tecnica della “sorgente ausiliaria di elettroni” in sorgenti di ioni di tipo ECRIS (Electron Cyclotron Ion Source) e di tipo MDIS (Microwave Discharge Ion Source) mediante l’impiego di cannoni elettronici basati su catodi a nanotubi di carbonio. In questi studi si è sfruttata la resistenza dei nanotubi di carbonio al danneggiamento da plasma per verificare che in una sorgente di ioni a confinamento magnetico l’iniezione di elettroni ausiliari  è in grado di aumentare la densità elettronica del plasma e  la distribuzione dello stato di carica, e di ridurre la concentrazione (indesiderata) di elettroni di alta energia.

    • emettitori di elettroni in applicazioni industriali. 
      Sono stati realizzati campioni di catodi freddi (in collaborazione con una azienda) per l’applicazione in tubi a raggi X innovativi, sfruttando la bassa divergenza del fascio, l’elevata miniaturizzazione e la prontezza emissiva dei nanotubi di carbonio.
    • rivelatori di radiazione ad elevata risoluzione spaziale.
      L’esperimento NANOCHANT (2003-2005) ha sperimentato la realizzazione di un rivelatore di particelle ionizzanti ad elevata risoluzione spaziale, basato sull’accoppiamento tra uno strato attivo basato su giunzioni di silicio segmentate in pixel e una matrice ordinata di nanotubi di carbonio aventi la funzione di collettori di carica con segmentazione ultra fine.

Il gruppo di ricerca: Marco Cuffiani, Luciana Malferrari, Alessandro Montanari, Fabrizio Odorici.

Le collaborazioni: l’attività di ricerca avviene in collaborazione con diversi istituti, tra cui il CNR-IMM-Bologna, INFN-LNS-Catania, INFN-Trieste e IAP-Frankfurt. Le applicazioni sin qui sperimentate, oltre alle tecniche elettrochimiche, hanno integrato molte competenze, tra cui: aspetti di ottica, elettronica, interazioni radiazione-materia, fisica dei plasmi, simulazione e costruzione di sistemi elettrostatici per la generazione ed il controllo di fasci di elettroni di bassa energia.

Sono disponibili temi per tesi e tesi magistrale (info: Fabrizio Odorici).

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