IFN

Responsabile: GAETANO SCAMARCIO

Indirizzo: c/o Dip. Interuniversitario Fisica “M. Merli Università degli Studi Di BARI ‘Aldo Moro’ Via Amendola, 173 – 70126 Bari BA Puglia
Tel: 080 544 3235
Fax: 080 544 2219
E-mail: uosbari@ifn.cnr.it
Sito web dell’Istituto: http://www.ifn.cnr.it
Sito Web dell’articolazione: http://www.lit3.uniba.it/
Dipartimento di prevista afferenza: Scienze fisiche e tecnologie della materia

Missione

Sviluppare attività di ricerca avanzata nel campo della fotonica, della nanoelettronica e delle nanotecnologie, con particolare attenzione anche a settori emergenti quali la micromeccenica, la microottica ed i microsistemi.

L’ Istituto di Fotonica e Nanotecnologie è nato dall’ unificazione di tre organi CNR operanti nel campo delle nanotecnologie e dei materiali e dispositivi avanzati per fotonica ed elettronica: il Centro di Elettronica Quantistica e Strumentazione Elettronica (CEQSE) di Milano, il Centro di Fisica degli Stati Aggregati (CeFSA) di Trento, l’Istituto di Elettronica dello Stato Solido (IESS) di Roma. Missioni principali dell’Istituto sono:

a) Lo studio e sviluppo della Fotonica sia nei suoi sviluppi più fondamentali legati all’interazione radiazione-materia, sia per lo sviluppo dei materiali e relativi componenti e dei sistemi, sia per le applicazioni in svariati campi della scienza e tecnologia.
(b) Lo studio e sviluppo delle nanotecnologie onde poter realizzare componenti e dispositivi avanzati, in svariati campi della scienza e tecnologia, non realizzabili altrimenti o che comunque rispondano alle esigenze moderne di una miniaturizzazione quanto più spinta possibile.
(c) La realizzazione di dispositivi microelettronici e micromeccanici e lo sviluppo, studio e caratterizzazione dei materiali ad essi connessi. I tre organi costituenti, che attualmente costituiscono le tre sezioni su cui si articola l’Istituto stesso, sono caratterizzati da una tradizione di sicura eccellenza nei rispettivi campi in cui hanno tipicamente operato. Essi inoltre possiedono un patrimonio di strumentazioni e di tecnologie rilevanti, in alcuni casi uniche, sia nell’ambito delle istituzioni di ricerca italiane che nel panorama della ricerca internazionale.
La sede di Roma (già IESS) opera con successo e rilievo internazionale nel settore delle micro e nanotecnologie volte alla realizzazione di dispositivi avanzati elettronici, optoelettronici e fotonici. La sede di Roma dispone di una “facility” di micro e nanofabbricazione, dotata di litografia a fascio elettronico, litografia ottica, tecnologie di attacco dei materiali, tecnologie di deposizione e strumentazioni di diagnostica. I campi più importanti in cui la sezione di Roma ha operato ed opera sono:

(1) Realizzazione di strutture e dispositivi mesoscopici con semiconduttori e superconduttori e di strutture micromeccaniche su silicio e nitruro di silicio.
(2) Processi avanzati per micro e nanoelettronica, dispositivi per iperfrequenze, dispositivi per elettronica su larga area.
(3) Sviluppo di tecniche litografiche a fascio elettronico, a raggi X e a sonde microscopiche a scansione.
(4) Sviluppo di tecniche di diagnostica mediante sorgenti X sia convenzionali che di luce di sincrotrone.
La Sezione di Milano (già Centro CEQSE) occupa, da oltre trent’anni, una posizione di assoluto rilievo in campo internazionale nel settore della Fotonica. I campi più importanti in cui ha operato ed opera sono:

(1) Fisica e tecnologia di sorgenti laser a stato solido e di dispositivi attivi e passivi in guida d’onda.
(2) Applicazioni della luce laser in campo medico (es. rivelazione e distruzione selettiva di tessuti tumorali) e biologico.
(3) Fisica e tecnologie delle sorgenti laser ad impulsi ultracorti (dai picosecondi ai femtosecondi).
(4) Sviluppo di rivelatori di radiazione elettromagnetica particolarmente innovativi.
Le apparecchiature più caratterizzanti della Sezione sono rappresentate da una “facility” per la fabbricazione di reticoli di Bragg speciali, da una “facility” per fabbricazione e caratterizzazione di guide d’onda ottiche, da sistemi di spettroscopia risolta in tempo per diagnostica biomedica, da una sorgente laser ultra-intensa e con durata inferiore a 10 femtosecondi (unica in campo internazionale). La Sezione di Trento (già Centro CeFSA) opera, con una forte visibilità internazionale, nello sviluppo e caratterizzazione di materiali per la fotonica, optoelettronica ed elettronica introducendo innovazioni significative sia nella preparazione sia nelle tecniche di caratterizzazione sia nell’applicazione a dispositivi. I principali campi di attività sono:

(1) sintesi e trattamenti di superficie di materiali nanostrutturati da fasci di cluster, molecole organiche ed oligomeri per applicazioni fotoniche, optoelettroniche ed elettroniche;
(2) preparazione, caratterizzazione e studio di materiali dielettrici per la fotonica e l’optoelettronica
(3) sviluppo e caratterizzazione di guide di luce planari e precursori massivi per dispositivi tutto-ottici;
(4) Dispositivi superconduttivi avanzati.
(5) Spettroscopie a Raggi X da luce da sincrotrone.
Le apparecchiature più caratterizzanti sviluppate o acquisite nella Sezione sono: sistema per la sintesi e caratterizzazione di materiali da fasci supersonici (unico nel suo genere a livello internazionale); impianti per la preparazione e caratterizzazione di guide d’onda piane; sistema XEOL per fotoluminescenza da raggi X; sistemi laser ed ionici per la rivelazione in tracce di elementi volatili; sistema per la caratterizzazione del rumore di back-action di amplificatori SQUID.
Il personale dell’Istituto ammonta a 58 unità comprendente ricercatori, tecnici, e amministrativi CNR (36 unità) e personale associato per convenzione (22 unità). L’Istituto è caratterizzato da una forte integrazione con il mondo universitario, il che permette una numerosa presenza di personale in formazione (dottorandi, laureandi, assegnisti, borsisti per un totale di 51 unità) ed una rilevante mobilità.

Attività di ricerca

Campi di Attività dell’Istituto
Le aree in cui l’Istituto ha tradizionalmente operato sono:micro e nanotecnologie,fotonica e dispositivi elettronici avanzati.Va rilevato che le micro e nanotecnologie sviluppate per l’elettronica sono state anche applicate alla micromeccanica,alla microottica,e ai microsistemi in generale.Va anche rilevato che la fotonica comprende sia lo sviluppo e caratterizzazione di materiali e tecnologie di deposizione attinenti alla realizzazione di dispositivi fotonici (ed elettronici),sia la realizzazione di dispositivi fotonici,sia lo studio delle relative applicazioni in svariati campi della scienza e tecnologia.

Le attività di ricerca dell’Istituto sono raggruppate in cinque settori:

1) Dispositivi per Nano e Microelettronica

2) Dispositivi Fotonici

3) Materiali e tecniche di caratterizzazione

4) Laser e sorgenti incoerenti e loro applicazioni

5)Nanotecnologie e microfabbricazioni

1 Dispositivi per Nano e Microelettronica

1.1 Nanostrutture e dispositivi mesoscopici.Sezioni attive nel campo:Roma
In anni recenti lo studio dei fenomeni di trasporto nelle nanostrutture e,più in generale,dei fenomeni fisici su scala mesoscopica ha costituito uno dei campi di maggiore vitalità della fisica dello stato solido.

Presso l’IFN sono attualmente in corso varie attività in questo campo che riguardano:

a) dispositivi a singola carica,
b) dispositivi per quantum computing,
c) dispositivi mesoscopici per la metrologia,
d) microbolometri e microrefrigeratori,

Per quanto riguarda il primo filone,la linea di ricerca ha come obiettivo la realizzazione di transistori a singolo elettrone (SET) integrabili su silicio.Il SET é uno dei dispositivi mesoscopici più promettenti e si sta configurando come una possibile soluzione per la microelettronica con integrazione nel range dei terabit.

Per quanto riguarda i dispositivi per il “quantum computing” va rilevato che si stanno muovendo i primi passi nella realizzazione di dispositivi in grado di realizzare calcolo quantistico (i “qubit’,elementi fondamentali di informazione,e le relative porte logiche).L’utilizzo di dispositivi a stato solido superconduttori,su cui si svolge l’attività di ricerca dell’Istituto,è particolarmente promettente per tale obiettivo.
Uno dei problemi della metrologia odierna è la misura accurata di piccole correnti (inferiori al nanoampere) e conseguentemente realizzare standard adeguati.I dispositivi a singolo elettrone,ed in particolare i transistor (SET),con la loro capacità di manipolare e contare esattamente gli elettroni,sono i candidati ideali per realizzare tali standard.
L’IFN è inoltre attivo nello studio dei microbolometri ad elettroni caldi,con potere autorefrigerante,che rappresentano lo stato dell’arte nel campo della rivelazione infrarossa di interesse astrofisico.
L’IFN è inoltre impegnato nel campo della nanofabbricazione dei dispositivi di nuova concezione che utilizzano l’effetto di spin-tunnel.

1.2 Dispositivi a semiconduttore ad effetto di campo

Sezioni attive nel campo:Roma
Dall’introduzione dei primi transistori ad effetto campo l’evoluzione di questa classe di dispositivi ha significativamente influenzato lo sviluppo della microelettronica.Da molti anni è attiva presso l’IFN una linea di ricerca su questo tipo di dispositivi che ha conseguito una serie di riconoscimenti internazionali e ha realizzato brevetti nel campo.Le attività svolte possono essere raggruppate in tre tematiche:(a) Processi avanzati per micro- e nanoelettronica,(b) Fisica e tecnologia di dispositivi a film sottile per elettronica di larga area,(c) Processi per dispositivi per iperfrequenze.

Nella prima tematica si affrontano i problemi connessi alla riduzione delle dimensioni dei dispositivi MOSFET,che richiedono fra l’altro una sostanziale riduzione anche della profondità delle giunzioni a valori ben al di sotto dei 100 nm.Nell’Istituto sono state investigate con successo diverse strategie per la realizzazione di giunzioni ultrasottili,ottenendo profondità di giunzione estremamente ridotte (fino a 35 nm).
Per quanto riguarda i dispositivi per elettronica a larga area,l ’IFN detiene un’esperienza più che decennale nel settore dei transistor a film sottile (TFT) basati sulla tecnologia del silicio policristallino.Tale attività include la progettazione e la realizzazione di dispositivi,la caratterizzazione elettrica e la simulazione dei meccanismi di trasporto.
L’evoluzione dei sistemi di trasmissione richiede una rapida evoluzione dei dispositivi elettronici e delle tecnologie associate.In particolare è richiesta la realizzazione di dispositivi e circuiti integrati con frequenze massime di funzionamento e ampiezze di banda sempre maggiori.Negli ultimi anni l’IFN ha collaborato con Alenia Marconi System allo sviluppo di processi tecnologici in grado di produrre strutture per il contatto di gate,aventi dimensioni minori di 200 nm,per dispositivi HEMT.

1.3 Dispositivi a superconduttore

Sezioni attive nel campo:Roma,Trento
Presso l’IFN sono in corso da vari anni attività che riguardano i dispositivi superconduttori attivi,ovvero quelli basati sull’effetto Josephson come SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) e giunzioni di tipo superconduttore/isolante/superconduttore (SIS).
Un campo particolarmente interessante in cui è attivo l’Istituto,è l’utilizzo di dispositivi superconduttori come sorgenti di stati quantistici macroscopici.Questi possono essere utilizzati,oltre che per studi di fisica fondamentale,per applicazioni di computazione quantistica,che si basa appunto sulla manipolazione di stati del genere.
IFN ha dimostrano l’applicabilità di sensori SQUID supersensibili come amplificatori in apparati scientifici realizzando un sistema a doppio SQUID,con risoluzione in energia di alcune decine di h- le cui prestazioni non sono deteriorate dagli elementi di matching necessari per l’impiego e che attualmente è l’amplificatore più sensibile disponibile in banda audio.Il nostro sensore,grazie a questi risultati,è stato scelto per la catena di trasduzione ed amplificazione dell’antenna gravitazionale AURIGA

1.4 Dispositivi avanzati per analisi e monitoraggio di tracce di elementi volatili

Sezioni attive nel campo:Trento
Il monitoraggio ad altissima sensibilità (fino a pptv) di sostanze organiche volatili (VOC) è di attualità ed ha applicazioni di interesse scientifico,sociale ed economico mentre la strumentazione disponibile sul mercato è spesso inadeguata.IFN ha messo a punto sistemi basati su ionizzazione a trasferimento protonico ed analisi in massa (PTR-MS) che,sviluppati in collaborazione con l’Università di Innsbruck (A),utilizzano ioni H+3O in un “drift-tube” per ionizzare le sostanze in esame per trasferimento dell’H+.Si monitorizza così,in tempo reale,l’emissione di VOC con sensibilità fino a pptv.Sono rivelabili aldeidi,chetoni,alcoli,esteri ed aromi in generale,ritenuti fondamentali in processi catabolici e fermentativi e quindi indici di qualità di prodotti agroalimentari.

1.5 Rivelatori di radiazione e dispositivi con materiali organici.

Sezioni attive nel campo:Milano
L’IFN svolge da anni attività di ricerca relativa allo sviluppo di nuovi rivelatori di radiazione,dell’elettronica associata e delle applicazioni relative.In particolare importanti risultati sono stati conseguiti nel campo dei rivelatori di raggi X e Gamma,per applicazioni spettroscopiche e per imaging.Linee principali di ricerca sono:(a) Sviluppo di rivelatori in silicio per spettroscopia X ad elevatissima risoluzione (camere a deriva a semiconduttore).(b) Sviluppo di applicazioni nel campo delle misure XRF su materiali,dei monitoraggi ambientali,delle microanalisi.(c) Sviluppo di innovativi rivelatori a semiconduttore di immagini X,basati sul principio della deriva controllata,con risoluzione spettroscopica ed elevatissimo ‘frame-rate’ (inferiore al millisecondo).(d) Sviluppo di rivelatori di immagine Gamma basati su scintillatori accoppiati ad array monolitici di camere a deriva in silicio.Il sistema ha consentito di ottenere prestazioni di risoluzione energetiche record a livello mondiale.
(e) Rivelatori segmentati in HPGe (High Purity Germanium) per misure di posizione di raggi gamma per la costruzione di sistemi multirivelatore ad angolo solido totale.
L’IFN ha in corso una proficua collaborazione con la Technische Universitat di Graz (Austria) nella ricerca sui dispositivi elettronici realizzati con materiali organici.Il forte interesse internazionale per questi materiali semiconduttori si fonda sulle loro caratteristiche di leggerezza,flessibilità ed,in prospettiva,economicità di realizzazione.La ricerca del gruppo si è concentrata fino ad ora nella realizzazione e caratterizzazione delle proprietà elettroniche di diodi ed eterogiunzione in PHP e di diodi a celle elettrochimiche con materiale attivo in mLPPP ed hanno permesso di raggiungere tempi di commutazione inferiori ai 100 microsecondi.

2 Dispositivi Fotonici

2.1 Dispositivi in guida d’onda e a “photonic bandgap”

Sezioni attive nel campo:Milano
I dispositivi in guida d’onda rivestono notevole interesse a livello internazionale per le vaste potenzialità applicative nei settori delle telecomunicazioni,dell’elaborazione tutto-ottica del segnale e della sensoristica.L’IFN,negli ultimi anni,ha sviluppato estese competenze nella modellizzazione,nella fabbricazione e nella caratterizzazione di guide ottiche di diverso tipo,attive e passive.E’ stata acquisita,in particolare,una notevole esperienza nella progettazione e nella fabbricazione di guide attive basate su vetri drogati con ioni di erbio e di itterbio per ottenere amplificazione ottica in strutture guidate.Sono state inoltre fabbricate guide d’onda ottiche passive in niobato di litio per la generazione di seconda armonica con elevata efficienza e per la realizzazione di processi non lineari del secondo ordine in cascata.
Lo studio dei fenomeni di localizzazione della luce in materiali denominati “photonic bandgap” (o cristalli fotonici) è oggetto di crescente interesse nella comunità scientifica internazionale.L’IFN ha sviluppato,da diversi anni,una notevole esperienza nel progetto e nella caratterizzazione di photonic bandgap unidimensionali,quali specchi multidielettrici per il controllo della dispersione in cavità laser,specchi di tipo “chirped-mirror” per la compressione di impulsi di luce di durata ultrabreve (pochi femtosecondi),reticoli e filtri in fibra ottica per operare filtraggi spettrali con controllo della dispersione.

2.2 Rivelatori e strumentazione per misure optoelettroniche ultrarapide

Sezioni attive nel campo:Milano
Un gruppo dell’IFN è leader a livello mondiale nello sviluppo di rivelatori di singoli fotoni a semiconduttore e circuiti associati (SPAD Single-Photon Avalanche Diodes e AQC Active Quenching Circuits) e ha aperto a queste applicazioni il campo spettrale infrarosso fino a 1.7 micron e più.Per le loro proprietà gli SPAD,oltre a trovare applicazioni in campi diversificati,suscitano interesse per sistemi di trasmissione ed elaborazione quantica dell’informazione,in particolare per sistemi di crittografia quantica,con dispositivi III-V (InGaAs) operanti a lunghezze d’onda maggiori di 1 micron e dispositivi in silicio operanti a 0,8 micron in reti locali ad elevata velocità.
Presso l’IFN sono state sviluppate numerose tecniche di misura ad elevatissima sensibilità delle grandezze elettriche di dispositivi avanzati (rivelatori,MOS a canale ultra corto),nanostrutture e materiali semiconduttori.In particolare,sono state sviluppate tecniche innovative di caratterizzazione:(a) degli stati interfacciali nei dispositivi,impiegando misure di rumore 1/f;(b) del drogaggio del polisilicio di gate nei MOS sub-
micrometrici,impiegando misure CV accurate;(c) del drogaggio superficiale,impiegando misure CV a bassa temperatura,in regime di freeze-out dei droganti,(d) del rumore di canale di MOS sottosoglia,impiegando tecniche di cross-correlazione.Inoltre sono operanti dei sistemi di elaborazione a minimo rumore,sia analogici che digitali,dei segnali provenienti da rivelatori per fotonica e per raggi X,con risoluzioni temporali inferiori a 30ps ed energetiche inferiori a 8 elettroni.

2.3 Nanodispositivi fotonici a semiconduttore

Sezioni attive nel campo:Roma
Ci si propone la realizzazione e lo studio di sorgenti ottiche integrate in cui l’emissione sia controllata al livello del singolo fotone,grazie al confinamento sia elettronico che ottico su scala nanometrica.Queste sorgenti sono costituite da nanostrutture a semiconduttore (punti quantici o “Quantum Dots”),accoppiate al modo ottico di una microcavità e inserite in una giunzione operata sotto iniezione elettrica.Grazie alla capacità di emettere un singolo fotone alla volta,queste sorgenti potranno essere utilizzate per l’implementazione di protocolli di crittografia quantistica per la trasmissione sicura dell’informazione.

3 Materiali e tecniche di caratterizzazione.

3.1 Microscopia e diffrazione X e tecniche di caratterizzazione con luce di sincrotrone.
Sezioni attive nel campo:Roma,Trento
Le tecniche di caratterizzazione con raggi X hanno caratteristiche peculiari che le rendono in alcuni casi insostituibili nello studio dei materiali e dei processi.Con l’avvento delle macchine di terza generazione per radiazione di Sincrotrone si è registrato un avanzamento impressionante nella ricerca su nuove tecniche di indagine con raggi X.

La linea di ricerca in corso presso l’IFN si articola in diverse attività che riguardano sia tecniche “tradizionali”,sia lo sviluppo di metodologie innovative:
a) Sviluppo e applicazioni di guide d’onda per microscopia e microdiffrazione di raggi X.La microscopia e microdiffrazione a raggi X e’ una tematica scientifica in rapido sviluppo sia con sorgenti di luce di sincrotrone sia con sorgenti da laboratorio.La risoluzione spaziale ottenibile ha ormai raggiunto la regione nanometrica.

b) Studio e realizzazione di guide d’onda bi-dimensionali.L’obiettivo è di realizzare guide d’onda bi-dimensionali di efficienza comparabile a quella delle guide uni-dimensionali.Il campo di applicazione è soprattutto quello della microscopia e della microspettroscopia ad altissima risoluzione spaziale (poche decine di nanometri) nella regione dei raggi X “duri”.

c) Applicazioni in microdiffrazione delle guide d’onda.Le applicazioni in microdiffrazione riguardanoo problematiche diverse:caratterizzazione strutturale locale di materiali per la micro e nanoelettronica,studio di bio-materiali,studio di processi di degrado della superficie di monumenti.
Nella Spettroscopia di Assorbimento X con Luce di Sincrotrone,l’attività,condotta in sinergia con il Dipartimento di Fisica di Trento,è punto di riferimento nazionale ed internazionale per lo studio dell’ordine locale in sistemi solidi e per lo sviluppo di strumentazione d’avanguardia per l’utilizzo di Luce di Sincrotrone.Principali campi di studio sono:gli effetti del disordine statico e termico nella funzione di distribuzione radiale (EXAFS) in cristalli e amorfi;la struttura locale di sistemi confinati o a bassa dimensionalità e la sua influenza sulle proprietà elettroniche e di emissione di luce;la correlazione fra struttura locale e conducibilità in semiconduttori amorfi e sistemi superionici;la struttura locale in sistemi contenenti terre rare;il calcolo ab initio delle strutture XANES;la modellizzazione di strutture a corto e medio raggio in sistemi vetrosi.Si è maturata una esperienza più che ventennale nell’utilizzo di Luce di Sincrotrone,particolarmente in studi di Assorbimento e Diffrazione con raggi X.Il gruppo collabora direttamente allo sviluppo e alla gestione della Beamline italiana GILDA presso il Laboratorio Europeo ESRF a Grenoble (F).Di particolare interesse recentemente è lo sviluppo della Tecnica XEOL-XAS che,monitorando la fotoluminescenza indotta a seguito di Assorbimento X,permette di ottenere informazioni esclusive sulla struttura locale e la struttura elettronica dei siti coinvolti nel processo di emissione di luce.
Infine,ricercatori IFN sono da anni impegnati nello sviluppo di rivelatori a semiconduttore per spettroscopia X ad elevata risoluzione energetica e per rilevazione di immagini X capaci anche di elevate risoluzioni spettroscopiche.Tali rivelatori sono utilmente impiegati nei settori in rapido sviluppo della microscopia X,della microanalisi X e della microdiffrattometria X,eventualmente utilizzanti luce di sincrotrone.

3.2 Caratterizzazione e Sviluppo di Materiali per la Fotonica e l’Optoelettronica.

Sezioni attive nel campo:Trento
Il gruppo CSMFO di Trento ha una notevole padronanza della preparativa di materiali dielettrici per applicazioni ottiche e delle tecniche spettroscopiche per caratterizzarli.La ricerca ha l’obiettivo di ottimizzare materiali guidanti per evitare alcune limitazioni legate alla funzionalità silica on silicon (SOS) ed alle caratteristiche chimico-fisiche della silice Un’interessante contributo deriva dalla tecnica sol-gel che permette lo sviluppo di materiali per la fotonica controllabili dal punto di vista ottico,spettroscopico e strutturale.Altri materiali non convenzionali,ad esempio strutture ibride e vetri con alta trasparenza IR,sono prodotti ed investigati in vista di estendere le applicazioni della fotonica,ad esempio per lo sviluppo di sorgenti coerenti a basso costo fuori dalla gamma standard.Un improuvment dell’attività di ricerca del gruppo è da individuarsi:nell’avvio dell’indagine teorica e sperimentale di strutture PBG photonic bandgap su dielettrici od ibridi;nella preparazione di sistemi atti allo sviluppo di dispositivi lossless;nello studio di vetroceramiche ultratrasparenti con potenzialità WDM.Sono prodotti e caratterizzati con numerose tecniche di spettroscopia ottica vetri massivi e guide d’onda planari attivate con ioni lantanidi trivalenti,per sviluppare dispositivi fotonici per l’ottica integrata.Le tecniche di crescita utilizzate sono:sol-gel ed rf sputtering oltre all’usuale tecnica da fuso.I risultati conseguiti danno luogo alla collaborazione con enti di ricerca nazionali ed internazionali pubblici e privati.

3.3 Materiali organici,oligomerici ed ibridi.

Sezioni attive nel campo:Trento
Sono state sviluppate sorgenti innovative che permettono di produrre fasci di materiali organici (sorgenti ipertermiche supersoniche e ad inseminazione HSB),di metalli e di semiconduttori.Si controllano così importanti proprietà delle particelle (atomi,molecole e cluster) nel fascio,quali l’energia cinetica,il momento angolare e l’energia interna.E’ stato così sviluppato un approccio innovativo (SuMBE) alla crescita di film con proprietà morfologiche e strutturali ben controllare su diverse scale a partire da quella mesoscopica.Esperimenti con oligotiofeni,ftalocianine ed aceni dimostrano un controllo senza precedenti.Sono state realizzate due diverse apparecchiature per la crescita SuMBE che permettono di caratterizzare sia i parametri del fascio,sia il processo di crescita “in situ”.Il sistema per deposizione in UHV è dotato di spettroscopia Auger,UPS ed XPS nonché di ellissometria e diffrazione ad elettroni LEED.Tre diverse sorgenti possono essere utilizzate:per oligomeri ed organici,per fullereni nonché per cluster di metalli,semiconduttori e di carbonio.Funzionalizzazione dei materiali e dispositivi quali celle fotovoltaiche e sensori vengono realizzate con co-deposizioni diverse sostanze organiche,di fullereni ed oligomeri.

4 Laser e sorgenti incoerenti e loro applicazioni

4.1 Laser per applicazioni biomediche e diagnostica biomedica

Sezioni attive nel campo:Milano
I sistemi laser per applicazioni mediche costituiscono un filone di grande interesse in campo internazionale,sia a livello di ricerca di base che di successiva applicazione clinica.In quest’ambito l’IFN ha una lunga tradizione.Tra i sistemi sviluppati si cita un sistema integrato a ps per spettroscopia di assorbimento e scattering in mezzi diffusivi da 600 nm a 1100 nm.Tale sistema consente di determinare in vivo le proprietà ottiche dei tessuti biologici.In quest’ambito,è stato sviluppato un sistema compatto per mammografia ottica,al fine di evidenziare la presenza di lesioni patologiche sulla base di differenze in assorbimento e/o diffusione rispetto al tessuto circostante.Lo sviluppo di tecniche non invasive per la diagnosi dei tumori della mammella sta suscitando grande interesse in campo internazionale.E’ inoltre operante il primo sistema compatto risolto in tempo a due lunghezze d’onda,che consente misure assolute dell’ossigenazione del sangue in soli 100 ms.Sono stati infine sviluppati sofisticati sistemi di acquisizione di immagini di fluorescenza di marcatori esogeni per la diagnosi di tumori e per lo studio delle mutazioni e dell’espressione di geni.

4.2 Generazione e applicazioni di laser a impulsi ultrabrevi

Sezioni attive nel campo:Milano
L’unità IFN vanta una lunga tradizione in questo settore e i risultati ottenuti sono sempre stati d’avanguardia:si cita il recente record di durata di 4,5 fs ottenuto mediante la tecniche di compressione della fibra cava (brevetto CNR).Sono operanti sistemi a femtosecondi in grado di generare impulsi da 120 fs e 30 fs a 800 nm che,accoppiati a sistemi di compressione,forniscono impulsi Sono operanti presso l’IFN sistemi di misura di pump and probe con risoluzioni temporali sino a 10 fs,per lo studio della dinamica degli stati elettronici in sistemi a ridotta dimensionalità (quali polimeri,quantum wells e nanoparticelle metalliche e a semiconduttore) per dispositivi fotonici.Altamente innovativa è la spettroscopia vibrazionale coerente che consente di visualizzare direttamente il moto interno dei nuclei in sistemi molecolari.La caratterizzazione mediante spettroscopia di fluorescenza e riflettanza risolta in tempo consente la determinazione di fluorescenza,assorbimento e scattering,per lo studio di materiali quali vetri drogati con ossidi per dispositivi per la commutazione ottica e farmaci incorporati in sistemi biologici.
L’IFN si occupa da diversi anni dei processi d’emissione in polimeri della classe dei fenileni e in oligomeri della classe dei tiofeni,mediante lo studio della dinamica degli stati eccitati di questi materiali con tecniche ottiche di caratterizzazione ultrarapida.Tra i risultati ottenuti è di particolare rilevanza la prima dimostrazione in campo internazionale di un laser polimerico con emissione nel blu (400 nm) con pompaggio ottico.Sono inoltre allo studio nuove tecniche per incrementare l’efficienza d’iniezione di cariche in dispositivi polimerici (LED).

4.3 Laser a stato solido

Sezioni attive nel campo:Milano
Lo sviluppo e la caratterizzazione di laser a stato solido con pompaggio a diodi nel vicino infrarosso è argomento di ricerca di vasto e continuo interesse a livello internazionale,del quale l’unità di ricerca IFN si occupa ormai da diversi anni.Si citano lo sviluppo di laser ad Er-Yb a 1.5 mm per applicazioni alle comunicazioni ottiche (stabilizzati in frequenza e impulsati a ps ad elevatissima frequenza per trasmissioni solitoniche),laser a Tm e Tm:Ho a 2 mm per applicazioni LIDAR e metrologiche e infine sorgenti laser ad Er:YLF per applicazioni in medicina e nella conservazione del patrimonio artistico.

4.4 Spettroscopie e Sistemi Laser IR per lo studio di tracce di gas.

Sezioni attive nel campo:Trento
IFN ha sviluppato sistemi,basati sulla Spettroscopia Laser Fotoacustica,per l’analisi di tracce di gas per applicazioni agronomiche ed ambientali.Un sistema basato su di un laser a CO2,permette di misurare,con sensibilità di pochi pptv ed in tempo reale,l’emissione di sostanze che rientrano nel metabolismo delle piante,come l’etilene,e che sono emesse per reazione a stimoli ambientali e/o stress.S’indagano così gli effetti prodotti ed i meccanismi di risposta a situazioni di stress ed il progredire di processi di maturazione in piante e frutta.Sviluppi in corso riguardano sistemi compatti basati su laser a stato solido.

5 Nanotecnologie e microfabbricazioni

5.1 Sviluppo di litografie a fascio elettronico,a sonde microscopiche a scansione,a raggi X

Sezioni attive nel campo:Roma
Litografia a fascio elettronico.La realizzazione di dispositivi nanoscopici richiede la messa a punto di processi litografici innovativi per ridurre le dimensioni delle strutture.Presso l’IFN é in corso da vari anni un’attività di ricerca volta all’ottenimento di nanostrutture da utilizzare nella realizzazione di dispositivi optoelettronici ed elettronici.
Litografia con sonde microscopiche a scansione.Tra le tecniche di nanolitografia di notevole potenzialità vanno citate quelle che utilizzano sonde microscopiche a scansione connesse con le “scanning probe microscopies” (SPM).L’IFN dispone di un sistema capace di operare sia in configurazione STM che AFM.Con questo sistema sono state messe a punto tecnologie originali che hanno permesso di realizzare dei microelettrodi separati da poche decine di nanometri.
Litografia di prossimità con radiazione di sincrotrone (SXRL).Le eccezionali proprietà fisiche della Radiazione di Sincrotrone (SR) come la collimazione,l’intensità,la lunghezza d’onda (raggi X),etc.,si prestano particolarmente bene a processi litografici che permettano di combinare contemporaneamente profondità di fuoco (ed anche profondità elevate di lavorazione),risoluzione (migliore di 100 nm) ed estensione di area di applicazione (processi paralleli).L’IFN,in collaborazione con l’INFM,ha realizzato una linea di luce (LILIT) presso il sincrotrone Elettra di Trieste dedicata alla litografia di prossimità con raggi X.

5.2 Microlavorazioni e microsistemi in silicio

Sezioni attive nel campo:Roma
Da circa un decennio la tecnologia meccanica sta orientando molte energie sulla ricerca e lo sviluppo di microstrutture integrate in un’area in cui vengono a sovrapporsi svariate competenze tecnico-scientifiche originando potenziali settori di sviluppo e di produzione.L’interesse del silicio per applicazioni di micromeccanica è piuttosto recente.Il silicio,infatti,possiede delle ottime qualità meccaniche e si presta quindi molto bene alla realizzazione di componenti micromeccanici.Le tecnologie disponibili presso l’IFN permettono di avviare e portare a termine progetti di strutture micromeccaniche mediante la “bulk micromachining” e la “ surface micromachining”,integrando queste tecnologie con la potenzialità della litografia submicronica disponibile presso l’istituto.E’ quindi possibile affrontare varie problematiche di progetto che richiedono precisione submicrometrica su larga area,tipica per esempio delle applicazioni ottiche e fotoniche,mediante soluzioni realizzative efficaci.

5.3 Nanotecnologie da precursori nanofasici e fasci supersonici.

Sezioni attive nel campo:Trento
Si sviluppano metodi basati su fasci di cluster per la sintesi e trattamento di materiali nanostrutturati.Si utilizzano due tipi di sorgenti,una inerentemente continua per la produzione di clusters da materiali ad alta tensione di vapore;l’altra,impulsata,con vaporizzazione in un micro-plasma raffreddato da un impulso di gas ad alta pressione.Con i parametri di sorgente si controllano le proprietà chimico-fisiche dei materiali nanostrutturati sintetizzati quali morfologia e struttura.Si realizza così:la sintesi di film di nanocristallini,su substrati a temperatura ambiente,di leghe di materiali a memoria di forma (TiNi) per lo sviluppo di MEMS.Utilizziamo fasci di cluster per attivare cineticamente processi reattivi di sintesi di materiali.La selettività della reazione e la forte dipendenza dall’energia cinetica permettono di controllare il processo di sintesi con accuratezza.Il controllo su morfologia e struttura del film è stato dimostrato in esperimenti di carburizzazione di Si da precursori fullerenici a temperature moderate.La sintesi a temperatura ambiente di ossidi di TiO2 nanocristallini ha permesso lo sviluppo di una nuova generazione di sensori di VOC che migliora lo stato dell’arte e apre la prospettiva di nanostrutture e dispositivi ibridi inorganico-organico per co-deposizione.