Laboratori di Spettroscopia Ottica: semiconduttori, nanostrutture, fotonica, fotovoltaico
I Laboratori dispongono di strumentazioni che consentono investigazioni ottiche con una vasta gamma di tecniche e su un ampio intervallo spettrale (dal lontano infrarosso all'ultravioletto da vuoto). Oltre alle più comuni misure di riflettanza, trasmittanza, assorbimento, fotoluminescenza, ellissometria spettroscopica e polarimetria, sono implementati sistemi per misure interferometriche o con tecniche modulatorie (foto-, termo- ed elettro-riflettanza, assorbimento fotoindotto), risolte spazialmente con sistemi di micro-focalizzazione o risolte nel tempo sulla scala dei nanosecondi. Ciò consente la caratterizzazione e lo studio di proprietà elettroniche e vibrazionali di materiali e sistemi nanostrutturati. Viene inoltre operata una caratterizzazione strutturale avanzata mediante microscopia a forza atomica (AFM). La figura a fianco mostra un interferometro di Mach-Zehnder accoppiato ad uno spettrometro a trasformata di Fourier.
Fra i principali sistemi studiati vi sono in primo luogo i semiconduttori massivi e le nanostrutture di semiconduttori III-V e di Si-Ge, nonché le nanoparticelle metalliche. Più recente è lo studio dei semiconduttori polimerici e dei polimeri coniugati, con riguardo alle eccitazioni ottiche e alla dinamica dei portatori di carica. Le applicazioni di questi materiali (semiconduttori e polimeri) sono nei campi della microelettronica, dell'optoelettonica e del'energia solare fotovoltaica. Un vasto campo di ricerca riguarda i cristalli fotonici, ossia i sistemi con variazione periodica della costante dielettrica in una, due o tre dimensioni: tali sistemi sono di notevole interesse per la varietà dei fenomeni fisici e delle applicazioni all'optoelettronica e alla comunicazione ottica, ai laser, alla fotonica integrata e alla conversione fotovoltaica.
Fra le strutture allo studio vi sono le guide d'onda (vedi figura in alto) e nanocavità a cristallo fotonico in silicio e in semiconduttori III-V per la commutazione ottica e per l'aumento dell'emissione di luce, nonché i sistemi 3D quali gli opali diretti e inversi. Le applicazioni più recenti riguardano la nanofotonica in silicio a bassissime potenze e la fotonica quantistica e nonlineare. Sono inoltre di grande interesse le superfici nanostrutturate e i sistemi misti dielettrico-metallo con eccitazioni plasmoniche, per lo sviluppo di dispositivi ad alta sensibilità ottica quali i bio-sensori. Una attività di notevole interesse riguarda le celle fotovoltaiche di semiconduttori e di materiali organici, che vengono studiate con tecniche spettroscopiche continue e risolte in tempo, nonché con caratterizzazioni elettro-ottiche mediante simulatore solare (vedi figura a fianco).
Tra i materiali studiati vi sono il grafene e i sistemi a base di carbonio. Tra questi il grafene è un materiale molto rigido, quasi trasparente ed è un eccellente conduttore di calore ed elettricità. Le proprietà ottiche, vibrazionali ed elettroniche del grafene e dei materiali a base di carbonio li rendono molto promettenti per molteplici applicazioni. Tra queste vi sono le applicazioni nell’elettronica flessibile, in bio-fisica e nella scienza e tecnologia dell’energia. Inoltre gli elettroni nel grafene obbediscono a un’equazione Dirac-like permettendo lo studio sperimentale di molteplici fenomeni quantistici relativistici.
Staff: M. Galli, M. Geddo, F. Marabelli, M. Patrini (photonics and nanostructures), V. Bellani (graphene and carbon nanostructures)