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Nuovi materiali per l’elettronica e l’energetica

Daniele MarréUniversità di Genova-Dipartimento di Fisica

via Dodecaneso 33 16146 Genova

I.N.F.M. – LAMIACorso Perrone 24 16152 Genova

Seminario orientamento 28/02/06

L’elettronica e l’energetica attuali si basano essenzialmente su materiali disponibili in natura (elementi)

Rame per trasporto energia

Silicio per l’elettronica

Niobio (o altri superconduttori) per magneti

Le proprietà funzionali di questi materiali sono influenzate da difetti strutturali e dalla presenza di altri elementi (sostituzioni chimiche o impurezze)

Es. resistività del Silicio dipende dalla concentrazione di sostituzioni chimiche

( ) TkE

B

g

eT 20ρρ =

Es. resistività del Rame dipende dalla quantità di impurezze

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 50 100 150 200 250 300

T (K)

R/R

(273

K)

Ricerca ed investimenti essenzialmente per

• migliorare le proprietà strutturali• migliorare la purezza

Studio (misura) delle proprietà funzionali

Comprensione dei parametri che le influenzano

Modelizzazione teorica

Ingegnerizzazione delle proprietà

Ottimizzazione delle proprietà per le diverse applicazioni passa attraverso:

Nell’ultimo decennio sono stati scoperti nuovi materiali molto più complessi per composizione e struttura con nuove o “potenziate” proprietà funzionali

La nuova sfida scientifico-tecnologica è quindi:•Comprendere l’origine delle loro proprietà

•Comprendere il legame intimo tra composizione chimica, struttura e proprietà•modificare le proprietò a livello atomico per adattare a applicazioni

Es. Bi2Sr2Can-1CunOx superconduttore ad alta temperatura di transizione (110K), fino a 38 atomi nella cella elementare

O

PbTiO3:Isolante Piezoelettrico SrTiO3:

Isolante con alta costante dielettrica

BaTiO3:Isolante ferroelettrico (La,Ba)MnO3:

Metallo ferromagnetico,Isolante antiferromagnetico,Isolante paramagnetico

Gruppo del Laboratorio di Fisica delle Basse Temperature del DIFI e del laboratorio LAMIA – INFM Laboratorio Materiali Innovativi e Artificiali dell’ Istituto Nazionale per la Fisica della Materia

Group Leader Prof. A.S. Siri24 ricercatori (universitari e INFM)5 Post docs8 Dottorandi5 Laureandi

Collaborazioni accademiche con:Università di Roma I, Roma II, Napoli, Parma, Salerno, Torino, Cagliari, Ginevra, Augsburg, Twente, Delft, Amburgo, Yale, Goteborg, Trondheim, Cambridge, Osaka, IBM (Zurigo), ....

e industriali con: ESAOTE, ANSALDO SC, Columbus SC, CESI (Enel), ALCATEL..

Nuovi materiali per l’elettronica

“Oxide electronics”Tutte le proprietà fisiche (funzionali) conosciute sono riscontrabili in composti ossidi ed in particolare negli ossidi dei metalli di transizione.

Studi di carattere fondamentale per comprendere i meccanismi alla base delle diverse proprietà fisiche

Ottimizzazione e ingegnerizzazionedelle proprietà per scopi applicativi in dispositivi elettronici

Interessanti prospettive applicative integrati nell’elettronica attuale (nuove funzionalità) o al posto dell’elettronica del silicio

Legge di Moore (INTEL)La complessità dei chipRaddoppia ogni 18 mesi

Riduzione dimensioni

Presto raggiunto limite fisico Si

Le perovskiti sono materiali funzionaliLe perovskiti sono materiali funzionali

0 20 40 60 80 1000

5

10

15

20

(La1.85Sr0.15)CuO4 thin film

Res

ista

nce

[Ω]

Temperature [K]

A.J. Millis Nature 392 (1998)

A B O

“La cella cristallina puòcontenere diversi tipi di

cationi A e B”Oxygen octahedral

TitanatiTitanati PbPb((ZrZr,Ti)O,Ti)O3 3 , BaTiO, BaTiO33, SrTiO, SrTiO33(Ferroelettrici, isolanti, semiconduttori)

Manganiti La0.7Sr0.3MnO3(Materiali a magnetoresistenza

colossale)

Cuprati (La,Sr)CuO4 , YBCO(Superconduttività)

B metallometallo di di transizionetransizione

A Terra rara, MetalloMetalloalcalinoalcalino

Il Il mondomondo magicomagico delledelle perovskitiperovskitiABO3 A, B cationi

-10 -5 0 5 10-40

-20

0

20

40

P (μ

C/c

m2 )

V (V)

OxideOxide ElectronicsElectronicsPossibilità di fare eterostrutture epitassiali

Dispositivi elettronici: transistors ad effetto di campo

SrTiO3insulating

SrTiO3-dsemiconducting

SourceGate

Drain

Channel

Modello a capacitore

Applicando una tensione V agli elettrodi si accumula una carica sugli stessi proporzionale alla capacità del dispositivo

+++++++++++++++++

--------------------

dACVCQ rεε0 =∗= con

Costante dielettricaisolante

Variando il numero di cariche nel semiconduttore se ne modifica la conducibilità

ma μσ ne=Conducibilità densità carica mobilità

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

105

106

107

108

109

1010

RSD

(Ω)

EG (KV/cm)

ISD 1 nA 10 nA 100 nA

Sfruttando l’altacostante dielettrica εr del SrTiO3 Si riescono ad accumularesulle armature sino a 1020

cariche /cm3

ZnO conduttore come elettrodo metallicoSrTiO3 isolante come dielettricoZnO semiconduttore come canale

Dispositivo ad effetto di campo:•Più di 5 ordini di grandezza di modulazione della resistenza

Dispositivi realizzato interamente con ossidi

700 600 500 400 3000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0

Gate

Gate

Source Drain

Tran

smitt

ance

[%]

Wavelength [nm]

ZNO5501A STO Substrate

Photon energy (eV)

Gate

Gate

Source Drain

Dispositivi ottici: DISPLAYS, LASERS...

LED (LASER) con emissione dal verde all’ultravioletto

L’alto gap energetico rende i materiali trasparenti nel visibile

Ossidi Ferroelettrici:Materiali che esibiscono un momento di dipolo elettrico spontaneo derivante da una asimmetria nei centri di massa della distribuzione di cariche positive e negative.

Pb(Zr0.20,Ti0.80)O3

Polarizzazione rimanente Pr ~ 10÷60 μC/cm2

Campo Coercitivo Ec~ 100 kV/cm

Pb

Pb

O

Pb

O

Pb

O

Ti

O

Pb

O

Pb

O

Pb

Pb

Ciclo di isteresi ferroelettrico

-100.0 -75.0 -50.0 -25.0 0.0 25.0 50.0 75.0 100.0Applied voltage on the ferroelectric capacitor (V)

-4.0E-6

-3.0E-6

-2.0E-6

-1.0E-6

0.0E+0

1.0E-6

2.0E-6

3.0E-6

4.0E-6

Cha

rge

on th

e fe

rroel

ectri

c (C

)

PZT ceramic

f=100HzVcoer=40VQrem=3uCQsat=3.5uC

Pb

Pb

O

Pb

O

Pb

O

Ti

O

Pb

O

Pb

O

Pb

Pb

Pb

Pb

O

Pb

O

Pb

O

Ti

O

Pb

O

Pb

O

Pb

Pb

Applicazioni in DATA STORAGE: Memorie ferroelettriche e switches

0 50 150 2001.0x104

1.5x104

2.0x104

2.5x104

3.0x104

3.5x104

Cha

nnel

Res

ista

nce

(Ω)

Time (min.)

30

-15

15

-30

0 Gat

e Vo

ltage

Ferroelectric

n-doped STO

GatePulse

In eterostrutture con semiconduttori:Cambiamento della resistenza del canale semiconduttore in seguito

all’applicazione di impulsi di tensione ai capi del ferroelettrico

Vantaggi:•Alta velocità di scrittura (<ns)•Non volatile•Stabilità a lungo termine

La, Sr, Ca

Mn

O

Struttura perowskite

Complessi diagrammi di fase

struttura cristallina

magnetismoproprietà

di trasporto

ManganitiL1-xAxMnO3

L del gruppo dei lantanidiA terra alcalina divalente

Per effetto dell’interazione di Hund, i quattro elettroni del

manganese hanno lo stesso spin: corrente polarizzata in spin

Gli elettroni di conduzione passano da uno ione manganese all’altro attraverso il siti dell’ossigeno (meccanismo di doppio scambio). La larghezza di banda èdeterminata dall’angolo Mn-O-Mn.Gli elettroni delocalizzati favoriscono l’accoppiamento ferromagnetico degli ioni Mn.

Dimensioni catione pressione chimica distorsioni reticolari J-T ordinamenti di carica e magnetici

⇓Complessi diagrammi di fase e coesistenza di più fasi

Angolo Mn-O-Mn larghezza di banda mobilità accoppiamento magnetico tra ioni manganese attraverso lo spin degli elettroni di conduzione

ferromagnetismo⇓

magnetoresistenza colossale

AFM MFM

Resistenza bassa

r r

R R

s

s

r

rR

Rs

s

Resistenza alta

Applicazione: valvole di spin

Applicazioni in DATA STORAGE: memorie magnetiche , hard disk...

Architettura dei futuri Hard disk IBM

Superata la fase di manipolazione della carica (Elettronica) si va verso la manipolazione degli spin SPINTRONICA

Deposizione di film sottili e eterostrutture

La deposizione di film sottili consente l’integrazione di piùmateriali con diverse proprietàfunzionali in un’ unica struttura

Ossidi cristallini

eterostrutture epitassiali

Oxide electronics e nanotecnologie

100 nm

Ossido ferroelettrico

Film magnetico

Manipolazione delle proprietà degli ossidi su scala nanometrica tramite microscopia a forza atomica

Prof. J-M. Triscone, DPMC, Università di Ginevra

Pb

Pb

O

Pb

O

Pb

O

Ti

O

Pb

O

Pb

O

Pb

Pb

Oxide Electronics e nanotecnologie: nanodispositivi

AFM nanolithography

Cosa succede applicando questa tecnica agli ossidi?

ModificaModificadelladellasuperficiesuperficie

11 μm x 11 μm

11 μm x 11 μm

11 μm x 11 μm

La La parteparte ““modificatamodificata puòpuò essereessere rimossarimossa con con opportuniopportuniattacchiattacchi acidiacidi

Acid Acid solutionsolution

11 μm x 11 μm11 μm x 11 μm

Possibilità di “disegnare circuiti su scale nanometriche”: Nanolitografia

Fabrication of in-plane Side Gate Field Effect Transistor

12 μm X 12 μm

Drain

Gate 1Gate 1 Gate 2Gate 2

Source

Controllo della densità di portatori in un filo conduttore tramite

effetto di campo

Carica elettrica indotta Carica elettrica indotta tramite accoppiamento tramite accoppiamento

capacitivo tra Gate e canalecapacitivo tra Gate e canale

Capacità proporzionale allaCostante dielettrica delsubstrato:

C ∼ 10 X εr pF /m

Nuovi Materiali per l’Energetica

INFM - Laboratorio LAMIADIFI – Laboratorio fisica delle basse

temperature

G. Grasso

Produzione

Consumi

Energia

Smog

Riduzione della CO2

Fonti rinnovabili di energia

Sistemi più efficienti Dispositivi innovativi

Superconduttori

Materiali a resistenza elettrica nulla: applicazioni elettrotecniche ad elevatissimo rendimento

Termoelettrici

Materiali ad elevato potere termoelettrico:Conversione di energia termica in elettrica

La superconduttività esiste solo al di sotto di una

temperatura critica

TC

• Sono state osservate correnti persistenti indotte in anelli superconduttori per tempi superiori all’anno• Si è stimato che tali correnti possono persistere per tempi maggiori di 100’000 anni

Espulsione del campo e levitazione

Cosa succede agli elettroni sotto TC

• La temperatura critica separa due stati distinti: lo stato superconduttore e lo stato normale

• Al di sotto di Tc prevale la forza attrattiva tra gli elettroni e si formano coppie

Caratteristiche tipiche di un superconduttore

R

TTc

R

IIc

T<Tc

Ic

HHc2

T=cost<TcHc2

TTc

Storia dei materiali superconduttori

1960 1970 1980 1990 20000

30

60

90

120

MgB2

NbTiNb3Al

Bi-Sr-Ca-Cu-O

Y-Ba-Cu-OTe

mpe

ratu

ra c

ritic

a [K

]

Anno

LN2

MgB2

Liquidocriogenico

Temperatura diebollizione [K]

Densità del liquido[Kg/m3]

Calore specificovolumetrico [kJ/dm3]

Espansionerelativa

He 4.2 125.0 2.6 758

H2 20.4 70.7 31.5 848

Ne 27.1 1207.3 103.7 1445

N2 77.4 808.6 150.6 700

MgB2 e H2

Liquidi criogenici

I nuovi superconduttori si presentano come piccoli granelli monocristallini

Pulizia della superficie dei grani

Particella di MgB2

Elevato grado di compattazione

Riempimento del tubo

Metodo PIT per la fabbricazione di cavi superconduttori in MgBMetodo PIT per la fabbricazione di cavi superconduttori in MgB22

+

B Mg MgB2

Deformazione a freddoDeformazione a freddo

trafilatura

laminazione Produzione di nastri

L’ottimizzazione del procedimento di lavorazione termo-meccanicadel conduttore consente di raggiungere una configurazione ottimale

Considerata la loro natura altamente

bidimensionale, gli ossidi

superconduttori ad alta temperatura

necessitano di un’interfaccia per poter

essere ‘utilizzati’

MgB2 metodo PIT Y(123) metodo IBAD

Sistemi MRI con Ansaldo Superconduttori S.p.A.

Fault Current Limiter con CESI S.p.A. (Enel ricerche)

Forno a induzione SINTEF Research (N)

Prototipi in MgB2 in fase di sviluppo al LAMIA

Sinergie:

Laboratorio LAMIA dell’INFM a) sviluppa e brevetta la tecnologiab) caratterizza e qualifica il conduttore Columbus Superconductors

industrializza i processi di fabbricazione e commercializza il superconduttore in MgB2

Ansaldo Superconduttori è un end-user privilegiato del conduttore fabbricato da Columbus Superconductors

Stato presente e futuro:MgB2 e l’Idrogeno MgB2 per l’MRI

MgB2 per garantire e per risparmiare energia(cavi, trasformatori, limitatori di corrente, ecc.)

MgB2 nei grandi motori