Le nanotecnologie di ultima generazione, intese come progettazione, ingegnerizzazione di materiali eco-compatibili ibridi organici/inorganici e loro assembly controllato in dispositivi optoelettronici attivi micro/nanostrutturati a basso consumo energetico, costituiscono la nuova frontiera della scienza dei materiali e della dispositivistica avanzata nel settore ambientale per la produzione di energia da fonti rinnovabile ed il risparmio energetico.

Presso l’Istituto NANOTEC si implementano differenti tipologie di dispositivo:

Le celle fotovoltaiche di ultima generazione basate su perovskiti ibride alogenuro hanno raggiunto in pochi anni efficienze di conversione della luce superiori al 25% con buona durabilità nel tempo, superando la massima efficienza raggiunta finora per dispositivi a film sottile. Di particolare rilevanza in questo contesto è il controllo delle condizioni di crescita di film policristallini al fine di ottenere dispositivi sempre più performanti e stabili. Per gli elettrodi si studiano materiali alternativi all’ossido di Indio Stagno (ITO) a base di grafene.

Le Celle solari a  Quantum Dot del gruppo III-Va banda intermedia sono al centro di un intenso dibattito teorico e sperimentale in quanto rappresentano una possibilità per superare il limite termodinamico di efficienza teorica previsto dal modello di Schockley-Queisser per le celle a singola giunzione. L’impiego di quantum dot cresciuti epitassialmente nel sistema dei semiconduttori III/V è strategico in questa applicazione in quanto i livelli energetici su cui questo concetto si basa possono essere ingegnerizzati modificando le proprietà strutturali, morfologiche e composizionali di tali nanostrutture.

Dispositivi elettrocromici (EC) e multifunzionali a stato solido, cioè quella classe di dispositivi in grado di modulare, mediante l’applicazione di un campo elettrico ed utilizzando un opportuno materiale attivo, la quantità di radiazione solare che li attraversa in maniera selettiva ed indipendente nel range del visibile e dell’infrarosso, ricadono nella classe delle nanotecnologie “green” per applicazioni in “Building Integration”.
Combinando le funzionalità di produzione di energia, illuminazione e schermatura controllata, mediante l’utilizzo di sorgenti di illuminazione (OLED, perovskite LEDs -PeLEDs) a basso consumo, dispositivi elettrocromici (EC) a stato solido e celle fotovoltaiche organiche ed ibride (PV) si implementano dispositivi multifunzionali “smart” in grado di autosostenersi dal punto di vista energetico.

CNR NANOTEC ha sviluppato nel corso degli anni notevoli competenze in materiali semiconduttori funzionali che hanno portato all’implementazione di dispositivi innovativi per la fotonica avanzata, la sensoristica, la diagnostica e medicina di precisione.

Il nitruro di gallio (GaN) e le sue leghe con alluminio e indio (AlGaN, InGaN, InGaAlN) sono dei semiconduttori di particolare interesse tecnologico a causa della banda di energia proibita diretta e tunabile dall’ultravioletto al vicino infrarosso. A questo si aggiungono importanti proprietà elettriche, chimiche, meccaniche e termiche che aprono la strada verso applicazioni in elettronica, quali transistor high frequency/high power di nuova generazione, e optoelettronica, quali LED, laser e fotorivelatori per l’ultravioletto. La nostra tecnologia per i nitruri si basa sulla tecnica metal organic chemical vapour deposition (MOCVD) combinata con strumenti di nanofabbricazione dedicati quali sistemi di etching basati sulla chimica del cloro e litografia UV.
Tematiche di ricerca in CNR NANOTEC includono:

• Elettronica basata su tecnologia GaN: high electron mobility transistor;
• Fotorivelatori AlGaN in geometria metallo-semiconduttore-metallo per sensing nell'ultravioletto in applicazioni ambientali e alimentari;
• Biosensori GaN/AlGaN.

I dispositivi spintronici riguardano diversi settori della ricerca, si passa da nanodispositivi basati su molecole o particelle magnetiche, a multilayer magnetici, fino a sistemi RF per spintronica ibrida. Inoltre, si studiano nuovi materiali (es. multiferroici e ossidi funzionali) e si conducono caratterizzazioni magnetiche e ferroelettriche (per approfondimenti http://www.omnics.it/home).

Gli Energy harvesters sfruttano fonti energetiche meccaniche come vibrazioni a basso livello causate da deformazioni strutturali, flussi di fluidi o movimenti del corpo con potenza stimata nella gamma µW-mW e rappresentano promettenti elementi costitutivi per la realizzazione di sistemi energetici sostenibili da utilizzare anche in ambienti interni e difficili come nei sistemi viventi e nel corpo umano.

I dispositivi elettro-ottici indossabili hanno destato notevole interesse negli ultimi anni grazie al loro possibile impiego per il monitoraggio portatile della salute personale e delle pratiche mediche a distanza e per il miglioramento delle condizioni di sicurezza sul posto di lavoro. i dispositivi OLED possono essere integrati in display flessibili o su base tessile, e sensori ottici indossabili possono tracciare segni vitali come la frequenza cardiaca, la pressione sanguigna e i livelli di ossigeno. Altre applicazioni comprendono il rilevamento UV, la misurazione dei livelli di inquinanti, il rilevamento di esplosivi, sia all'interno che all'esterno. Le attività di ricerca sono focalizzate nella realizzazione e caratterizzazione di diversi tipi di dispositivi optoelettronici su substrati di diversa natura, come il tessuto, e la loro combinazione con altri componenti per realizzare sistemi intelligenti. Vengono studiati semiconduttori organici (a base di carbonio), sistemi ibridi che incorporano materiali sia organici che inorganici, inchiostri a base di nanoparticelle (ad esempio 2D-TMDC colloidale, nanotubi di carbonio, grafene), elaborati mediante tecniche wet (metodi di stampa e coating).
I nostri obiettivi sono:

1. sviluppare una nuova classe di materiali solubili per queste applicazioni;
2. sviluppare nuove tecniche per la produzione su vasta area;
3. sviluppare circuiti stampati elettronici.

Le interazioni tra queste diverse aree di ricerca sono strategiche nella direzione di una produzione di massa.

Le microcavità ad elevato fattore di qualità (Q≈2000), basate su DBR (Distributed Bragg Reflector), consentono di studiare l'interazione luce-materia attraverso lo scambio coerente di energia tra fotoni ed eccitoni, offrendo altresì nuove opportunità per l'implementazione di circuiti ottici ad elevate prestazioni integrati in chip a semiconduttore. Le attività di ricerca sono svolte in collaborazione con il gruppo di ricerca di fotonica avanzata di CNR NANOTEC.

Nel laboratorio avanzato di caratterizzazione elettrica e fotoelettrica (ELPHO) è installata strumentazione all'avanguardia per studiare l'iniezione ed il trasporto di carica e le proprietà di mobilità dei semiconduttori inorganici, organici e ibridi e più in generale per studiare le caratteristiche elettriche e fotoelettriche di dispositivi optoelettronici.

Lo studio dei meccanismi di iniezione di carica, trasporto, trapping e mobilità è fondamentale per l’implementazione di dispositivi optoelettronici altamente efficienti, basati su semiconduttori inorganici, organici o ibridi. Saranno applicate differenti tecniche di misurazione, Hall-mobility, Time of Flight (TOF), Charge Extraction by Linearly Increasing Voltage (CELIV), Space charge limited current (SCLC), Thermally Stimulated Current (TSC), finalizzate allo studio di meccanismi di generazione / iniezione/ trasporto di carica, trapping e le proprietà ottiche di diversi tipi di materiali.

Si studiano una vasta gamma di materiali avanzati , dai semiconduttori inorganici (2D-TDMC), ibridi (perovskiti), organici (polimeri, molecole), ossidi conduttivi (ITO, SnO2). Si realizzano strutture 2D/3D tramite tecniche di deposizione quali evaporazione termica, e-beam, R.F. sputtering, stampa ed altre tecniche da soluzione. Successivamente, si esegue una caratterizzazione elettro-ottica e morfologica al fine di ottimizzare le proprietà dei materiali e di conseguenza l'efficienza dei dispositivi.