scienza dei materiali e...
Post on 16-Feb-2019
220 Views
Preview:
TRANSCRIPT
SCIENZA DEI MATERIALI E NANOTECNOLOGIE
Linea 1
Materiali per energetica
Coordinatore Prof. Giorgio Flor
Linea 2
Materiali per sensori e biosensori
Coordinatore Prof. Giorgio Guizzetti
Linea 3
Materiali e dispositivi per ottica, fotonica e biofotonicaCoordinatore Prof. Vittorio Degiorgio
Linea 4
Metodologie innovative per la caratterizzazione funzionale e strutturale di materiali e dispositivi
Biomateriali per ingegneria tissutale
Ø Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)
Ø Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)
Linea 1 – WP 1
• Energia distribuita
• Utenze domestiche
• Autotrazione
Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)
ü preparazione e caratterizzazione dei materiali che costituiscono i tre “strati funzionali” (anodo, catodo e elettrolita) in una cella a combustibile ad ossidi solidi.
ü assemblaggio di elettrodo/elettrolitaper la preparazione di celle singole
In particolare, l’attenzione è rivolta a IT-SOFC
(temperature di utilizzo nell’intervallo 500-700°C)
- elettrolita Ce0.8Gd0.2O2-δ (CGO)
- anodo Ni-CGO cermet
- catodo La1-xSrxFe1-yCoyO3 (LSFCO)
Linea 1 – WP 1
1. Sintesi di ossidi in forma nanometrica
2. Deposizione di film di ossidi per RF-sputtering, screen-printing o tape-casting
2θ (°)
20 30 40 50 60
I (ar
.un.
)
0
200
400
600
800
CGO 500C CGO ss
3. Caratterizzazione strutturale (diffrazione di raggi X e neutronica)
4. Caratterizzazione morfologica (AFM, SEM)
5. Caratterizzazione elettrica (spettroscopia di impedenza, corrente continua)
Z' (Ω x 107)
0 1 2 3 4 5
Z''
(Ω x
107 )
0
1
2
100 Hz
ba c
120 Hz
0.01 Hz
Z' ( Ω x 104)0 1 2 3 4 5 6
Z'' (
Ω x
104 )
01
23
456
7
80 kHz0.01 Hz
103/T (K-1)
0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
logσ
[Ω-1 c
m-1]
-5
-4
-3
-2
-1
pure sample Na K Rb
Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)
Linea 1 – WP 1
Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)
SHS autocostruito con controllodell’atmosfera e delle modalità di raffreddamento.
Semplice apparatoProduzione veloceBassi costiProdotti di alta purezza
Lavori sperimentali e di simulazione su materiali a base di zirconia, ossidisemplici e complessi, cermet, siliciuri, etc.
Linea 1 – WP 1
Es: la zirconia cubica in bulk (dimensione di grano ~ 15 nm, ρ > 98%) mostra un cambio del meccanismo di conduzione se esposta ad umidità. La riduzione di resistività a bassa temperatura la rende confrontabile con altri conduttoriprotonici, con il vantaggio di superiore stabilità meccanica e chimica.
Zirconia, ceria,
La1-xMxMnO3(M = Na, Ca, Sr)
Carburo di boro
zirconati di bario drogati
Boruri di metalli di transizione
Spark Plasma Sintering di nanopolveri (SPS)Linea 1 – WP 1
N
N
NH
NH
N*
*n
PolyPoly--2,2’2,2’--(2,6(2,6--pyridine)pyridine)--5,5’5,5’--bibenzimidazolebibenzimidazole
N
N
OH
Si OO
CH2
CH2
CH2
** n
Filler basico attivosintesi sol-gel
SiO2-Im (%)
0 10 20 30 40 50
σ12
0°C (S
/cm
)
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
after leachingbefore leaching
SEM – Mappa Si
L’aggiunta del filler determina un incremento di conducibilità dopo lavaggio di un fattore 103!
Linea 1 – WP 2
Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)
Collaborazione con Chimica Organica
Biosensori
Graphite latticeof silicon pillars
Γ
Μ
Κ 0.5 µm 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80
0.4
0.6
0.8
1.0
Ref
lect
ance
Energy (eV)
pulito HSA BSA
Cristalli fotonici (PhC) di piccola superficie (100x100 µm2) possono essere utilizzati come biosensori grazie alla presenza di intense risonanze estremamente sensibili alle condizioni ambientali (es.: risonanze plasmoniche di superficie, SPR, o SERS)
La risonanza fotonica di un PhC silicio-su-isolante (SOI) mostra rilevanti shift in energia in seguito a esposizione a differenti analiti
Linea 2 – WP 3
Analisi di proteine, frammenti di DNA e oligonucleotidi.
N.B. Cristalli fotonici: dielettrici artificiali con indice di rifrazione periodico su scala sub-micrometrica
Nanostrutture di cristalli fotoniciconsentono di modulare e incrementare fortemente l’emissione di luce alla lunghezza d’onda strategica di 1.5 µm (telecomunicazioni).
Γ−Μ
Γ−Κ
Γ−Κ Γ−Μ
Iinte
grat
edPL
inte
nsity
0
5
10
15
20
25
30
35
0
10
20
30
40
5060
708090100
110120
130
140
150
160
170
1800
Γ−Μ
Γ−Κ
1070 nm
Fotonica in sistemi nanostrutturati
0.72 0.76 0.80 0.84 0.88
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
PL
inte
nsity
(ar
b. u
nits
)
Energy (eV)
(x 5)
PhC, a=1070 nm PhC, a=1210 nm
Unpatterned SOI
Ref
lect
ance
(ar
b. u
nits
)
Linea 3 – WP 1 e 2
Misura di emissione di luce Si-Er
Direzioni preferenziali del cristallo fotonico
Progettazione, fabbricazione e studio di una nuova classe di nano-dispositivi fotonici avanzati per le interconnessioni ottiche e i circuiti fotonici integrati
Realizzazione dello switching ottico (commutazione) di segnali ottici per mezzo di un fascio di pompa a bassa potenza
Transistor ottico
Fotonica in sistemi nanostrutturatiLinea 3 – WP 1 e 2
Obiettivi
Nanostrutture ordinate possono incrementare la generazione di armoniche (seconda, SH, e terza, TH) della frequenza della luce incidente di almeno 3 ordini di grandezza rispetto alle strutture a superficie piana.
Poiché la generazione di armoniche è fortemente dipendente dalle condizioni di interfaccia, si ha anche maggiore selettività verso i materiali assorbiti.
SiliconPattern on sapphire
Hole pattern in a GalliumNitridefilm
Linea 3 – WP 2
Fotonica in sistemi nanostrutturati
sapphire pump 810 nmthird harmonic 270 nm
0th and 3rd diffracted orders: pump and TH superimposed
0 order
-1
3 2 1
3 1 0
3 1 0
Colpendo un SOI con un impulso di luce nel rosso si genera luce ultravioletta per diffrazione. La luce è rivelata nel blu su carta.
Linea 3 – WP 2Fotonica in sistemi nanostrutturati
GaN slabPHC
THG
SHG1,E-02
1,E-01
1,E+00
1,E+01
1,E+02
1,E+03
intensities, W/m2
NL intensities @ 3.5 TW/m2 pump
THG
SHG
La nanostruttura di GaN genera simultaneamenteseconda e terza armonica
Fattori di amplificazione rispetto a superficie piana di GaN :
SHG: x 260THG: x 3400
30 60 900
20
40
60
80
100
THG SHG
Non
linea
r re
spon
se
ϕ (deg)
Linea 3 – WP 2
Fotonica in sistemi nanostrutturati
INGRESSO USCITAWavelengthconverter
λs λc
Conversione di lunghezza d’onda per comunicazioni ottiche
Per la conversione ottica si utilizza il processo nonlineare di cascadingOra è una tecnica universalmente utilizzata, sviluppata dal nostro gruppo (Banfi et al, Appl. Phys. Lett. 1993)
Servono materiali con proprietà ottiche e fisiche particolari per la realizzazione di dispositivi.Cristalli ferroelettrici: LiNbO3
Nostro progetto: Stiamo studiando e sviluppando materiali innovativi ad alta efficienza non-lineare e basso danneggiamento ottico (comunicazioni a lunga distanza)
Linea 3 – WP 3
Guide d’onda in Si-Ge
Fotonica Fotonica susu siliciosilicio:Fusione tra dispositivifotonici e tecnologia
microelettronica.
Elevata precisione(<0.00001mm)
Gruppi internazionali attivi: Intel, UCLA,
Cornell University
Nostro progetto: utilizzo di strutture Silicio GermanioVantaggi:• ingegnerizzazione delle guide (scelta del drogaggio di Ge)• elevata nonlinearità• elevata compatibilità con le fibre ottiche
Linea 3 – WP 5
Circuiti optoelettronici integrati: fondamentali per sistemi fotonici di prossima generazione
Optical Tweezers: “pinzette ottiche” x l’analisi e la manipolazione di materiale biologico… SENZA CONTATTO!
Applicazione: intrappolamento e analisi delle proprietà di cellule e macromolecole biologiche.
Bio-Fotonica: “pinza” ottica in fibra
Forze derivate dalloscambio di quantità di
moto tra fotoni e particella
Linea 3 – WP 6
(Punto di equilibrio nello spazio realizzato tramite pressione di radiazione
ottica)
Progetto innovativo in campo internazionale: pinza ottica miniaturizzata basata su una struttura in fibra.Lo sviluppo di questo strumento aprirà nuove frontiere per l’analisi biologica ‘in vivo’
La fabbricazione richiede nano-lavorazioni sulla testa della fibra
Bio-Fotonica: “pinza” ottica in fibraLinea 3 – WP 6
Applicazioni della spettroscopia ottica allo stato solido alla scienza dei materiali
Angle-resolved µ-spectroscopy setup White-light Mach-ZehnderInterferometry
Misura dello sfasamento della luce
Permette la determinazione ddi indice di rifrazione e velocità di gruppo con accuratezza
molto elevata.
Caratterizzazione ottica completa di campioni microscopici:
• µ-transmittanza & riflettanza• µ-fotoluminescenza• µ-ATR spettroscopia
Linea 4 – WP 3
Biomateriali per ingegneria tissutale
Protesi di titanio microlavorato da fasci elettronici su cui è depositato un film di biovetro(SiO2/P2O5/CaO/Na2O, h ~ 10µm)mediante RF sputtering
Incisivo non trattato Incisivo immerso in bibita gasata
Collaborazione con CIT
Ricercatori attualmente coinvolti
Chimica Fisica Giorgio FLORAldo MAGISTRISGiorgio SPINOLOUmberto ANSELMI TAMBURINIPiercarlo MUSTARELLI Filippo MAGLIA
Fisica “A. Volta” Giorgio GUIZZETTIAngiolino STELLA Claudio ANDREANI Franco MARABELLI Maddalena PATRINI Gianbattista PARRAVICINIPietro GALINETTOMatteo GALLI
Ingegneria Elettronica Vittorio DEGIORGIOMarco MALVEZZIIlaria CRISTIANI Daniela GRANDOLuca TARTARA
Dottorandi attualmente inseriti nel progetto di ricerca e formazione
Tiziana CIABATTONIMarta FILIBIANEttore BERNARDIValentina MORANDIDavide MASCOLIMaria MONTAGNAJacopo PARRAVICINIAndrea TRITA(Luca PASOTTI)(Davide DACARRO)
top related