Centro di riferimento per materiali nanodimensionati per microelettronica e settori correlati

Gli obiettivi del CR Materiali nanodimensionati per microelettronica e settori correlati

Gli obiettivi del Centro possono essere così raggruppati:

  • Design e sintesi di nuove molecole organometalliche e metallo-organiche a basso impatto ambientale come sorgenti precursore per metodologie da fase vapore.
  • Fabbricazione e sviluppo di nuovi materiali in forma di film sottili e/o nanostrutture a base di ossidi: Chemical Vapor Deposition (CVD) e Metallorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD); Chemical Bath Deposition (CBD); Electrospinning (ES).
  • Funzionalizzazione superficiale finalizzata alla fabbricazione di nanostrutture ibride organico-inorganico: Funzionalizzazione covalente; Funzionalizzazione non-covalente.
  • Sintesi (in soluzione) di aggregati supramolecolari chirali mediante processi di autoassemblaggio non covalente stechiometricamente controllati.
  • Analisi e caratterizzazione finalizzata alla validazione funzionale dei materiali nell’ottica della validazione funzionale dei materiali.

Negli ultimi anni, l’unità di ricerca INSTM di Catania ha rivolto l’attenzione alla fabbricazione di materiali ibridi organico-inorganico dotati di diverse proprietà funzionali, ottenuti combinando metodologie di deposizione da fase vapore MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), da soluzione CBD (Chemical Bath Deposition) ed ES (Electrspinning) con approcci di funzionalizzazione (covalenti e/o non-covalenti) superficiale. Lo sviluppo delle nanotecnologie ha motivato l’interesse crescente verso approcci bottom-up di crescita, sotto forma di film sottili e/o nanostrtture, di ossidi funzionali inorganici (NiO2, ZnO, CuO, CeO2, Co3O4, Fe3O4) con proprietà semiconduttrici e magnetiche applicabili nella sensoristica e nella catalisi. Nanomateriali con strutture perovskitiche complesse trovano applicazioni in molti ambiti tecnologici, che vanno dall’ottica, alla microelettronica ed alla catalisi. Ossidi perovskitici e spinelli, trovano infatti applicazioni quali materiali multiferroici (BiFeO3) e materiali catodici per le SOFC (La1-x(Sr)xMnO3). Film nanostrutturati di materiali superconduttori (La2-x(Ba)xCuO4), high K (Pr2O3, CaCu3Ti4O12) e magnetoresistori (La(Sr)MnO3) sono infatti ottenibili mediante MOCVD. Questa tecnica di deposizione offre diversi vantaggi tra i qualila possibilità di:

  • ottenere, opportunamente modulando i parametri di processo nonché ricorrendo ad opportuni substrati, nanostrutture di ossidi semplici e complessi;
  • scaling up a livello industriale.

Nanostrutture 3D (Nanotubi, nanorods, nanofibre) di ossidi binari ottenibili su substrati di varia natura mediante approcci da fase vapore (MOCVD) e da soluzione, quali Chemical Bath Deposition (CBD) ed Electrospinning (ES) sono particolarmente interessanti per applicazioni nel gas-sensing e nell’energetica (TCO e DSCC). La differenziazione e relativa discriminazione delle tecniche di deposizione è basata principalmente sull’applicazione del materiale e sulla natura del substrato selezionato. Substrati flessibili o sensibili alle alte temperature richiedono l’utilizzo di tecniche a basso budget termico quali le crescite da soluzione (CBD) o l’elettrospinning (ES). Al contrario, il silicio rappresenta un substrato ideale per la messa a punto di processi CVD che offrono una riproducibilità ed una capacità di riempimento di strutture ad elevato aspect-ratio superiori ad altre tecniche.

Il recente interesse verso le nanotecnologie e gli “smart materials” ha promosso ed incentivato l’attività di ricerca inerente l’assemblaggio di monostrati di molecole organiche funzionali su substrati inorganici ad elevata area superficiale (semiconduttori, ossidi, metalli, plastica). I processi di autoassemblaggio molecolare su superficie rappresentano oggi la nuova frontiera per lo sviluppo di materiali multifunzionali che combinano le proprietà chimico-fisiche peculiari dei sistemi inorganici nanostrutturati (ossidi, metalli, semiconduttori) alla versatilità funzionale dei sistemi organici e supramolecolari. Tali processi possono essere di natura covalente o non covalente. L’approccio covalente è considerato più robusto e riproducibile di quello non-covalente, ma meno vantaggioso in termini di complessità processuale ed ecocompatibilità, in quanto richiede più steps di processo, ambienti controllati e solventi organici. Al contrario, l’approccio non-covalente risulta più difficile da controllare ma più vantaggioso in termini di semplicità processuale ed impiego di solventi ecocompatibili (l’acqua è il solvente di elezione).

Lo sviluppo di questi nuovi sistemi ibridi organico-inorganico promette di rivoluzionare ambiti tecnologicamente avanzati, quali l'elettronica molecolare, le biotecnologie, la nano-sensoristica. Lo "scaling down" a risoluzioni sub-micrometriche, ottenibile grazie ad approcci bottom-up meno costosi e più versatili rispetto alle convenzionali tecniche top-down, apre inoltre le porte alla fabbricazione di nanodispositivi completamente nuovi, su base molecolare piuttosto che elettronica potenzialmente capace di garantire un miglioramento di specifiche prestazioni funzionali associate ad un contestuale abbassamento dei costi di fabbricazione.

In tale contesto sono state sviluppate competenze complementari finalizzate alla fabbricazione e caratterizzazione di materiali innovativi, “self-responsive” e intelligenti. Per quanto concerne l’approccio covalente, si è ricorsi alla preparazione e funzionalizzazione di superfici inorganiche mediante grafting di opportuni “coupling layers” (silossani, acidi carbossi-fosfonici). Quindi le molecole funzionali d’interesse (cavitandi, dyes organici) sono legate, mediante adeguate reazioni, alle terminazioni del coupling layer auto assemblato. I materiali ottenuti sono stati valutati per applicazioni in ambito sensoristico e biomedico. D’altra parte, l’ottimizzazione dei processi di autoassemblaggio non covalente ha portato alla deposizione spontanea di strati organici su superfici di quarzo e ossidi nanostrutturati soddisfacente requisiti di robustezza e ripetibilità comparabili all’approccio covalente.

Al fine di progettare sistemi ed architetture molecolari funzionali a specifiche applicazioni, sono stati messi a punto processi di autoassemblaggio, in soluzione acquosa, di aggregati supramolecolari a base di porfirine derivanti da interazioni elettrostatiche tra omo- ed etero-componenti con cariche opposte e la formazione di specie nanostrutturate (polimeri supramolecolari) generate da processi interattivi di inclusione intermolecolare host/guest. Il controllo della sintesi non covalente in acqua è fortemente dipendente da effetti gerarchici che regolano il percorso termodinamico o cinetico delle specie aggregate. Aggregati supramolecolari etero-molecolari (calixareni:porfirine) sono ottenuti mediante un attento controllo della stechiometria, della modulazione del grado di aggregazione/polimerizzazione e la complementarità sterica ed elettronica.

Le proprietà chiroottiche di tali sistemi, basate su effetti induttivi e di memoria chirale, sono estremamente importanti ai fine dello sviluppo di sistemi enantiospecifici ed enantioselettivi. Inoltre sono stati ottenuti moduli optoelettronici ternari per memorie multistato di nuovi ‘‘smart electro-optical devices”. Tali sistemi sono trasferibili su superfici e nanostrutture inorganiche mediante approcci covalenti e non covalenti.

La maggior parte delle attività sopra citate sono state finanziate attraverso vari programmi di ricerca i cui fondi, gestiti principalmente dal Consorzio INSTM, hanno consentito l’acquisto delle grandi attrezzature necessarie alla caratterizzazione strutturale, morfologica e composizionale dei materiali sintetizzati. Infatti, le competenze scientifiche sopra riassunte rappresentano un denominatore comune ai progetti e collaborazioni scientifiche che si prefiggono, come comune obiettivo, lo sviluppo di innovative piattaforme basate sulle nanotecnologie, i cui campi applicativi riguardano settori quali l'energetica, la bio-medicina e la sensoristica avanzata. Tra i progetti che hanno visto coinvolta l’unità locale citiamo:

  • il Progetto Aladin: Industria 2015 (Bando Efficienza Energetica finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico) nato con l'obiettivo di definire e sviluppare una nuova classe di sistemi d’illuminazione ad elevata efficienza energetica e puntare a un'applicazione diffusa di tali sistemi per garantire un'effettiva riduzione dei consumi di energia elettrica per illuminazione e segnalazione, in cui partecipa dedicandosi allo sviluppo di procedure per la realizzazione di film inorganici nanostrutturati a base di ZnO per applicazioni nello sviluppo di dispositivi LED;
  • il Progetto Firb ItalNanoNet (Rete Italiana di Nanoscienze collegabili alle bioscienze e alle tecnologie di produzione), che punta su un'efficace integrazione di centri di ricerca e strutture del sistema produttivo nazionale interessate alla realizzazione, ingegnerizzazione ed applicazione di nanostrutture/nanotecnologie trasversali, con particolare attenzione verso la biomedicina, nell’ambito del quale si dedica alla fabbricazione di nanosistemi organizzati su substrati tecnologici per applicazioni sensoristiche e diagnostiche;
  • il Progetto Firb ReNAME, che si propone di rinforzare le reti esistenti, costituite da CNR, Consorzi interuniversitari e Società Pubblico-Private, formando una super-rete che integri tutte le competenze necessarie per la realizzazione punto di innovativi dispositivi nanometrici capaci di effettuare targeting su base molecolare, drug delivery e molecular imaging, dove si occupa di funzionalizzazione di superfici inorganiche mediante monolayer molecolari e nella fabbricazione di materiali nanostrutturati;
  • il Progetto Prin RECORD, finalizzato allo sviluppo di tecniche bottom up per la costruzione di nanomateriali ibridi ed a sviluppare metodologie di indagine innovative a livello di singola molecola basate su tecniche di spettroscopie a scansioni di sonda (ovvero Electron Spin Noise STM) utilizzando, nella fase di test, superfici appositamente preparate mediante MOCVD e poi sistemi molecolari ibridi nanostrutturati, in cui si occupa della fabbricazione di materiali ibridi a base di lantanidi con proprietà di sensing formati da monostrati luminescenti di complessi lantanidi covalentemente legati al Si o alle superfici di ossidi in due diversi tipi di architetture molecolaricon potenziali ricadute anche in ambito optoelettronico.

Inoltre, al fine di concretizzare la possibilità di lavorare a stretto contatto con le GI, l’Unità locale ha collaborazioni con 3SUN srl operante nel settore fotovoltaico e con STMicroelectronics operante nel settore della microelettronica. Il CR interagisce anche con le PMI, collaborando con ATS (Advanced Technology Solutions) azienda leader nel campo del controllo qualità ed assistenza alle principali industrie di semiconduttori e del settore della distribuzione automatica di gas e liquidi ultrapure. Infine, i risultati delle ricerche condotte sono divulgati attraverso i numerosi lavori, in collaborazione con gruppi nazionali e internazionali, pubblicati sulle migliori riviste del settore.


Il Coordinatore e le UdR coinvolte


Cosa può offrire il CR Materiali nanodimensionati per microelettronica e settori correlati all'industria


La dotazione strumentale del CR Materiali nanodimensionati per microelettronica e settori correlati

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