Descrizione previsione attività della commessa "Materiali e dispositivi nanostrutturati per la fotonica e la sensoristica (MD.P05.027)"

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  • Descrizione previsione attività della commessa "Materiali e dispositivi nanostrutturati per la fotonica e la sensoristica (MD.P05.027)" (literal)
Iniziative per acquisizione entrate
  • Per acquisire ulteriori entrate, si pensa alla sottomissione di progetti nazionali e internazionali sul tema efficienza energetica. Si cercherà di sfruttare la collaborazione scientifica con 3Sun-Catania, IMM-Catania, Dipartimento di Scienze Chimiche di Catania per la sottomissione di progetti comuni nell'ambito della nanoelettronica e sensoristica. Obiettivo di questi sarà l'unione delle competenze relative alla fisica di base ed allo sviluppo di prototipi di dispositivi. Si pensa inoltre a formalizzare un contratto di collaborazione con General Electrics Oil & Gas per l'effettuazione di analisi STEM-EDX su leghe metalliche di interesse di GE. Per l'attività teorica si prevede di elaborare e sottomettere un progetto su dinamica quantistica di sistemi aperti con aspetti di spettroscopia coerente con nanosistemi e applicazione a sistemi light harvesting, sia nel quadro di Horizon 2020, sia per un eventuale bando PRIN del MIUR. (literal)
Punti critici
  • I punti critici nella varie azioni da svolgere sono i seguenti: - il pompaggio elettrico dei NW richiede l'utilizzo di un elettrodo superiore trasparente e conduttivo. La deposizione dell'elettrodo superiore sulla soluzione di nanotubi solidificata è estremamente complessa a causa della facile degradazione della soluzione con nanotubi di C. Identificare la tipologia di molecola attaccata ai NW è estremamente complesso dato che richiede una funzionalizzazione dei NWs che consenta la selettività del sensore. - Un punto critico per l'attività sulla nanocavità integrata con composti di terre rare è il raggiungimento di un buon accoppiamento tra emettitori e modi in intervallo di lavoro in potenza accettabile per il design fotonico scelto. Per lo studio di sensitizer per l'erbio, quale il Bi, sarà critica l'individuazione degli stati di ossidazione necessaria per una completa comprensione dell'accoppiamento tra sensitizer ed emettitore. Pertanto si ricorrerà anche all'ausilio di misure EDX e STEM tramite microscopia in trasmissione elettronica. - Comprensione della modalità di preparazione campioni TEM mediante FIB - Nell'attività sui fotorivelatori un punto critico è la determinazione della dimensione dei Ge QD in strutture multistrati, da farsi con analisi TEM. E' anche critica l'acquisizione di competenze per la produzione low-cost di prototipo di fotorivelatore o celle solari a base di colloidi di Ge. - Nell'attività sulla plasmonica punti critici saranno la formazione delle NP metalliche a temperature inferiori a quelle utilizzate nella tecnologia a film sottile e l'indagine sulla possibilità di utilizzare substrati plastici. - Per quanto riguarda l'attività rivolta alla fabbricazione, in collaborazione con 3Sun-Catania, di un ulteriore prototipo di cella solare plasmonica partendo dai sistemi da noi sviluppati consistenti in nanoparticelle di Au e Ag fabbricate su FTO non testurizzato, punto critico riguarderà l'individuazione dei corretti parametri strutturali per la massimizzazione dell'efficienza quantica esterna del dispositivo finale. Per quanto riguarda l'attività rivolta alla fabbricazione, in collaborazione con IMM-Catania, di un prototipo di sensore chimico per DNA utilizzando le proprietà di conducibilità elettrica di NP di Au disposte unidimensionalmente su superfici, punto critico riguarderà l'ancoraggio delle catene di DNA alle NP e la comparazione tra le caratteristiche corrente-tensione ottenute con e senza le catene di DNA ancorate alle NP. Per l'ancoraggio ci si avvarrà delle competenze del Dipartimento di Scienze Chimiche dell'Università degli studi di Catania. Per quanto riguarda l'attività rivolta allo studio delle proprietà elettriche di nanocontatti metallo/grafene in vista del loro utilizzo in dispositivi nanoelettronici di nuova generazione, punti critici saranno: studio delle proprietà di adesione di vari metalli (Au, Ag, Pd, Ni, Cu, Al…) con grafene, ottimizzazione delle condizioni di misura delle caratteristiche corrente-tensione metallo/grafene al variare del metallo e generalizzazione di un modello teorico per l'analisi di tali caratteristiche già sviluppato nel caso Au/grafene a gli altri tipi di contatti metallo/grafene. Per quanto riguarda l'attività rivolta allo studio delle proprietà elettriche di nanocontatti polimero/grafene punto critico sarà la scelta degli opportuni polimeri sia isolanti che semiconduttori da depositare e la loro deposizione controllata in spessore su grafene. Per affrontare tali punti ci si avvarrà delle competenze del Dipartimento di Scienze Chimiche dell'Università degli studi di Catania. Per quanto riguarda l'attività rivolta alla realizzazione di nanofili di SiO2 ultrasottili (con diametro inferiore a 20 nm) su Si e che permetta un fine controllo del diametro dei nanofili, si procederà alla deposizione di particelle colloidali di Au (di diametro controllato) su Si (anziché un film di Au continuo) e a processi termici ad alta temperatura (>1000 °C). Punto critico sarà la deposizione controllata delle NP di Au colloidali e, dopo la crescita dei nanofili di SiO2 da questa catalizzata durante il processo termico ad alta temperatura, la correlazione tra il diametro delle NP di partenza e dei nanofili ottenuti. In particolare, per la deposizione delle NP colloidali ci si avvarrà delle competenze del Dipartimento di Scienze Chimiche dell'Università degli studi di Catania. - Per l'attività teorica, un punto critico è la difficoltà di proseguire l'attività in totale assenza di finanziamento CNR. La rete dei computer del gruppo è localizzata presso l'ex-DMFCI, e il riaccorpamento dei dipartimenti dell'Università di Catania ancora provoca qualche disservizio, oltre a problemi di velocità e sicurezza. Si attende ancora l'erogazione di un finanziamento da parte della Regione Siciliana per l'acquisto di una mini-architettura di computer high-performance. (literal)
Attività da svolgere
  • Le attività da svolgere sono le seguenti: - Studio delle proprietà di emissione variando la concentrazione di nanotubi di C nella soluzione infiltrata nei NWs. Realizzazione del pompaggio elettrico di queste sistemi e studio delle proprietà di emissione. Funzionalizzazione de i NWs con molecole cruciali per le applicazioni mediche; utilizzo di una funzionalizzazione dei NWs opportuna per poter identificare il tipo di molecola attaccata al sistema. - Acquisizione, ricostruzione e visualizzazione di nanostrutture mediante tomografia elettronica - Nell'attività sull'integrazione di film di silicato in nanocavità, si richiederà un'accurata investigazione delle proprietà ottiche del dispositivo fotonico integrato per stimare il numero di ioni Er accoppiabili con i modi fotonici e conseguentemente misure di amplificazione in tali sistemi. Nell'ambito dello studio della coppia erbio-bismuto in composti di terre rare, si valuterà l'influenza degli stati di ossidazione del bismuto sul suo accoppiamento con l'erbio nelle diverse matrici di composti, quali ossidi e silicati. Tale studio consentirà di raggiungere la massima efficienza ottica del sistema, indispensabile per applicazione nel campo di amplificatori ottici. Verrà vagliata anche la possibilità di eccitare il sistema anche tramite polarizzazione elettrica. - Nell'attività sui fotorivelatori verranno sintetizzati multistrati di Ge QD in SiO2 tramite tecnica PECVD, per il controllo della dimensione dei Ge QD. Verrà perfezionata la sintesi low-cost di colloidi di Ge per utilizzo come materiale attivo in dispositivi tipo fotorivelatori e celle solari. Verranno sviluppati modelli teorici per l'analisi dell'effetto del confinamento sull'efficienza di assorbimento di luce. - Applicazione delle nano strutture plasmoniche in celle solari prototipo in silicio microcristallino e a multi-giunzione. - Nell'ambito dell'attività riguardante la fabbricazione e lo studio delle proprietà di materiali basati su nanostrutture metalliche verrà sviluppato, in collaborazione con 3Sun-Catania e STMicroelectronics-Catania, un ulteriore prototipo di cella solare plasmonica. In tal caso, si realizzeranno nanoparticelle di Au e/o Ag su substrato di FTO piatto (non testurizzato) ed a partire da tale substrato si realizzerà lo stesso dispositivo fotovoltaico a film sottile in Si già realizzato su FTO testurizzato. Le prestazioni dei due prototipi verranno confrontate. A partire da sistemi unidimensionali di nanoparticelle di Au su SiO2,verrà sviluppato, in collaborazione con IMM-Catania, un prototipo di sensore biologico (per DNA) utilizzando le proprietà di conducibilità elettrica regolata da effetto tunnel delle nanoparticelle di Au; - verrà esteso lo studio delle proprietà elettriche di nanocontatti metallo/grafene. In particolare, si studierà la variazione di tali proprietà in funzione della funzione lavoro del metallo scelto: Au, Ag, Ni, Pd, Al, Cu. Accanto allo studio delle proprietà elettriche di nanocontatti metallo/grafene, si procederà allo studio delle proprietà elettriche, su scala nanometrica, di sistemi ibridi organici/inorganici costituiti da eterostrutture polimero/grafene. Verrà sviluppato un metodo, alternativo a quello già sviluppato, per la crescita di nanofili di SiO2 ultrasottili (con diametro inferiore a 20 nm) su Si e che permetta, a differenza del precedente metodo, un fine controllo del diametro dei nanofili. - L'attività teorica su decoerenza e controllo quantistico in atomi artificiali si svilupperà secondo le seguenti linee: A) Decoerenza e controllo in nanodispositivi coerenti in presenza di BBCS. (1) Dinamica e controllo quantistico di quasiparticelle in grafene in presenza di rumore; (2) problema della misura debole del dark state. B) Informazione e comunicazione quantistica: Disaccoppiamento dinamico (DD) in architetture quantistiche: gate a due qubit in presenza di rumore BBCS. DD come metodo di indagine spettroscopica di rumore a banda larga. C) Nanostrutture nel regime del trasporto quantistico: verrà proseguito lo studio di modelli di network coerenti aperti, che descrivano il trasporto quantistico in antenne bio-inspired. (literal)
Risultati attesi
  • - Possibilità di controllare le intensità relative di emissione nel visibile e nell'infrarosso variando la concentrazione di CNT nella soluzione. Deposizione dell'elettrodo trasparente e conduttivo, caratterizzazione strutturale, caratterizzazione elettrica e di elettroluminescenza. Realizzazione di sistemi basati su NWs che consentano la rivelazione di molecole interessanti per le applicazioni mediche. - Osservazione delle interfacce di nanoibridi formati da nanowire di Si e nanoparticelle metalliche e semiconduttrici. - Una completa comprensione delle potenzialità della nanocavità integrata con composti di terre rare in termini di guadagno ottico. Controllo elementale delle proprietà del Bismuto e ottimizzazione dell'accoppiamento con erbio. - determinazione del ruolo del confinamento quantico sull'efficienza di assorbimento di luce in Ge QD; realizzazione di un prototipo di fotorivelatore o cella solare a basso costo. - Ulteriore riduzione dello spessore del materiale utilizzato per la realizzazione delle celle solari. Prototipo di cella solare flessibile che sfrutta gli effetti plasmonici. - Per quanto riguarda lo sviluppo, in collaborazione con 3Sun-Catania, di un prototipo di cella solare plasmonica utilizzando nanoparticelle di Au e Ag su FTO non testurizzato si prevede un'efficienza quantica esterna del dispositivo finale tra il 4% ed il 8%. Per quanto riguarda l'attività rivolta alla fabbricazione, in collaborazione con IMM-Catania, di un prototipo di sensore chimico per DNA utilizzando le proprietà di conducibilità elettrica di nanoparticelle di Au disposte in maniera spazialmente ordinata su superfici, si prevede l'ancoraggio delle catene di DNA sulle nanoparticelle di Au già disposte unidimensionalmente su SiO2 e le prime misure elettriche tramite microscopia a forza atomica conduttiva. Per quanto riguarda l'attività rivolta allo studio le proprietà elettriche di nanocontatti metallo/grafene in vista del loro utilizzo in dispositivi nanoelettronici di nuova generazione, si prevede la fabbricazione dei contatti Ag/grafene, Pd/grafene, Ni/grafene, Al/grafene, Cu/grafene e la misura delle loro caratteristiche corrente-tensione tramite microscopia a forza atomica conduttiva. Per quanto riguarda l'attività rivolta allo studio le proprietà elettriche di nanocontatti polimero/grafene si prevede la fabbricazione dei contatti PMMA/grafene e P3HT/grafene e la misura delle loro caratteristiche corrente-tensione tramite microscopia a forza atomica conduttiva. Per quanto riguarda l'attività rivolta alla realizzazione di nanofili di SiO2 di nanofili di SiO2 ultrasottili su Si, si prevede la crescita di nanofili con diametro medio inferiore a 20 nm, dispersione in diametro inferiore al 20% e lunghezze sino a 20 ¼m. - Per l'attività teorica su decoerenza e controllo quantistico in atomi artificiali i risultati attesi sono: A1) STIRAP: Design di una struttura high-quality composta da un atomo artificiale a tre livelli accoppiato ad una cavità elettromagnetica o ad un nanorisonatore. A2) Spettroscopia di Rabi in sistemi spin-boson condizionali per quasiparticelle nella Graphene. B1) Stima di efficienza di protocolli di DD in gate a due qubit soggette a rumore 1/f e BBCN. B2) Determinazione di spettro e di second spectrum tramite DD in architetture complesse per la computazione quantistica. C) Produzione di software Monte Carlo Quantum Jump + Stocastiti field per l'analisi di network quantistici di medie dimensioni. Parallelizzazione CUDA. (literal)
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