Una nuova piattaforma di microscopia a microonde incentiva lo sviluppo di materiali semiconduttori di alta qualità
La nanotecnologia si sta rapidamente espandendo, insinuandosi silenziosamente all’interno di un numero di prodotti sempre maggiore. I progressi compiuti in questo campo aprono la strada a svariate nuove applicazioni al di fuori del settore cardine della tecnologia, i microchip, tra le quali vi sono la medicina, l’energia, le batterie, i combustibili e i sensori chimici. Per fabbricare prodotti nanotecnologici di successo è necessario acquisire una migliore comprensione del modo in cui la materia si comporta su scala atomica. «La qualità e le prestazioni dei prodotti fabbricati dipendono fortemente dalle proprietà chimiche, elettriche, elettroniche e ottiche dei materiali su scala nanometrica. Per controllare in modo preciso le prestazioni è possibile avvalersi della modifica delle interfacce materiali», osserva Kamel Haddadi, coordinatore del progetto MMAMA, finanziato dall’UE. «È fondamentale essere a conoscenza di informazioni approfondite in merito alle proprietà delle interfacce in quanto esse schermano le proprietà dei semiconduttori sfusi o vi si sovrappongono, rendendo complicata la progettazione dei prodotti».
Proprietà sfuggenti che iniziano a delinearsi
MMAMA ha sviluppato una nuova piattaforma di immaginografia contenente apparecchi e strumenti di modellizzazione che consente di effettuare un’analisi approfondita di queste interfacce, nonché di modellizzarne le proprietà. «La nostra piattaforma di microscopia a microonde permette di svolgere un’analisi avanzata dei materiali semiconduttori utilizzati nelle celle solari e nei circuiti elettronici», aggiunge Haddadi. La microscopia di scansione a microonde offre un modo non invasivo per esplorare gli importanti fenomeni che si verificano sulla scala di un miliardesimo di metro. A grandi linee, un sistema di microscopia a microonde di campo vicino combina l’eccezionale risoluzione spaziale di un microscopio a forza atomica con le eccellenti capacità di misurazione elettrica di un analizzatore di rete vettoriale. La punta del microscopio a forza atomica scansiona il campione a una distanza di pochi nanometri al di sopra della superficie, emettendo un segnale a microonde che viene disseminato dal materiale. Le microonde di campo vicino sono molto più grandi rispetto alle superfici dei nanomateriali che stanno osservando, ma quando vengono emesse da una distanza minima riflettono un’immagine sorprendentemente dettagliata dal campione. «MMAMA ha dimostrato che lo stato dell’arte della tecnologia per la microscopia di scansione a microonde può essere ulteriormente migliorata in termini di sensibilità e risoluzione temporale e spaziale, sostenendo diversi tipi di sonde a microonde come le punte a diapason», osserva Haddadi. «La nostra piattaforma integra strumenti di microscopia di scansione a microonde, imaging radar a spazio libero, spettroscopia di impedenza, un risonatore dielettrico e modelli di simulazione». Il risonatore dielettrico split-post di nuova concezione con frequenza operativa di 10 GhZ è stato installato su un dispositivo di scansione per canali portatile allo scopo di caratterizzare le proprietà dei materiali, come la costante dielettrica, su macroscala. Il controllo incrociato di diversi strumenti e modelli di simulazione si è dimostrato indispensabile per ottenere risultati di misurazione affidabili.
Applicazioni tecnologiche
Nell’universo delle celle solari di terza generazione, la microscopia di scansione a microonde è in grado di acquisire le cariche che si spostano tra gli strati attraverso le interfacce e si raccolgono in modo selettivo presso gli elettrodi. «Le misurazioni effettuate mediante la microscopia di scansione a microonde consentono di caratterizzare le proprietà elettriche dei semiconduttori nanostrutturati organici o ibridi utilizzati nelle celle solari di prossima generazione. Esse contribuiscono a prevedere le prestazioni nelle fasi iniziali dello sviluppo del prototipo, accelerando così l’immissione sul mercato di celle solari ad alta efficienza. Un risonatore dielettrico impiegato per tradurre le informazioni raccolte attraverso le misurazioni della microscopia potrebbe essere direttamente integrato nelle linee di produzione fotovoltaica allo scopo di monitorare i processi di deposizione delle pellicole sottili», spiega Haddadi. L’avanzata piattaforma di microscopia a microonde multiscala ha implicazioni anche per i chip elettronici convenzionali basati sulle giunzioni p-n, le interfacce tra i semiconduttori portatori di cariche positive e negative. Integrando apparecchi, software e strumenti di calibrazione e modellizzazione, questa nuova piattaforma dovrebbe consentire di sviluppare in modo più rapido nuovi materiali semiconduttori e nanodispositivi.
Parole chiave
MMAMA, microscopia a microonde, semiconduttore, interfaccia, celle solari, risonatore dielettrico, modellizzazione
