CESCA TIZIANA

Controllo dell’efficienza quantica di emissione di terre-rare L’Er riveste un ruolo estremamente importante nel campo delle telecomunicazioni ottiche per la realizzazione di dispositivi quali amplificatori di luce, poiché l'emissione caratteristica a 1.54 μm corrisponde alla finestra di minimo assorbimento in fibre ottiche a base di silice. L’attività di ricerca in questo ambito è finalizzata al controllo e all’aumento dell’efficienza quantica di emissione di terre-rare (RE) in matrice dielettrica per ottenere sorgenti di fotoni nel NIR e nel visibile innovative (nanolaser, sorgenti a singolo fotone). Il controllo dell’efficienza di emissione è stato studiato tramite accoppiamento con nanostrutture molecolari di Au o Ag sub-nanometriche (per l’aumento della sezione d’urto di eccitazione) e accoppiamento con metasuperfici plasmoniche con densità degli stati ingegnerizzate (nanohole array, nanoprism array, metamateriali iperbolici) per aumentare la rate radiativa di emissione. Le analisi di fotoluminescenza (intensità di emissione e tempo di vita) sono combinate con caratterizzazioni strutturali avanzate come tecniche di luce di sincrotrone (EXAFS, XANES) e microscopia elettronica in trasmissione al fine di determinare le condizioni di sintesi e di trattamento più appropriate per l’ottimizzazione delle prestazioni ottiche di questi sistemi.

Metasuperfici ottenute con array 2D di nanostrutture plasmoniche La possibilità di realizzare arrangiamenti bidimensionali ordinati di nanoparticelle metalliche, in particolare di metalli nobili (Au, Ag e loro leghe), ha interessanti applicazioni in diversi campi, come la plasmonica e la sensoristica ottica di molecole organiche e inorganiche. La maggior parte di queste applicazioni è legata alla capacità di queste strutture di supportare efficacemente modi L-SP (localized surface plasmon) o E-SP (extended surface plasmons) a frequenze ottiche con conseguenti effetti rilevanti di aumento del campo elettromagnetico locale in prossimità delle nanostrutture. L’attività di ricerca svolta in questo settore è finalizzata alla realizzazione di arrangiamenti 2D di nanotriangoli e di nanohole arrays (NHA) ottenuti combinando litografia a nanosfere (NSL), in cui la specie metallica (principalmente Au o Ag) è depositata tramite sputtering o evaporazione attraverso un mono-strato di nanosfere di polistirene auto-assemblate su substrati di silice o silicio, e processi di reactive ion etching (RIE). Controllando le dimensioni delle nanosfere e regolando opportunamente i parametri di deposizione si possono ottenere metasuperfici con geometria esagonale ordinate su scale dell’ordine dei cm2 costituite da nanostrutture di dimensioni variabili in un ampio intervallo (da 50 a 1000 nm), le cui risonanze di plasma possono essere spostate nello spettro visibile e nel vicino infrarosso in modo continuo ottenendo nanoarchitetture otticamente attive con interessanti proprietà ottiche quali trasmissione ottica straordinaria, dicroismo o anche chiralità estrinseca.

Proprietà di trasporto in semiconduttori III-V drogati con metalli di transizione e semiconduttori a larga gap La ricerca è condotta sia su InP e leghe ternarie a base di indio quali GaInP, cresciute in accordo reticolare su substrati di GaAs, ma anche su semiconduttori a larga gap come GaN e film sottili nanostrutturati di ossido di zinco (ZnO), per lo studio delle proprietà elettriche e ottiche. Lo studio è finalizzato alla comprensione dei meccanismi fisici di base che controllano l’interazione tra impurezze, difetti e atomi della matrice cristallina. Le impurezze sono state introdotte nelle matrici cristalline mediante impianto ionico ad alta temperatura. Dato il suo carattere di non-equilibrio questa tecnica consente di superare i limiti termodinamici imposti nei sistemi di crescita all’equilibrio dalla bassa solubilità solida delle impurezze e quindi la realizzazione di strati con alto contenuto di impurezze. L’alta temperatura di impianto inoltre permette di ridurre drasticamente il danneggiamento della matrice e di aumentare di ordini di grandezza la concentrazione di drogante attivo, grazie a processi di annealing dinamico cui vanno incontro gli atomi del cristallo semiconduttore. Dal punto di vista strutturale i campioni sono stati studiati tramite tecniche di analisi spettrometriche a fasci ionici (SIMS, RBS-PIXE-channeling), diffrazione X e spettroscopia di assorbimento di raggi X (XAS) per indagare le modifiche indotte sulla struttura cristallina e sulla posizione reticolare delle impurezze introdotte. Accanto a questo, sono state eseguite caratterizzazioni elettriche associate a modellizzazioni delle proprietà di trasporto, che consentono di studiare le proprietà elettroniche delle impurezze introdotte e i processi di attivazione/deattivazione elettrica nel materiale. Le proprietà ottiche di questi materiali sono state inoltre studiate mediante misure di fotoluminescenza ed elettroluminescenza.

Sintesi e caratterizzazione delle proprietà di film sottili di materiali a transizione di fase I materiali a transizione di fase (phase-change materials, PCM) sono materiali attivi che presentano una transizione di fase semiconduttore-metallo, e conseguentemente una variazione delle proprietà elettriche ed ottiche, che può essere indotta mediante uno stimolo esterno di tipo termico, ottico o elettrico. Tra questi, di grande interesse è il biossido di vanadio, che sta recentemente trovando applicazioni in molteplici ambiti, in nanofotonica, sensoristica, spintronica per citarne alcuni. L’attività di ricerca in questo settore è finalizzata alla sintesi di film sottili di PCM e la caratterizzazione delle loro proprietà strutturali e di transizione di fase. Si studia inoltre l’accoppiamento di questi materiali con emettitori quantistici per un controllo attivo delle proprietà di emissione.

Studio della risposta ottica non-lineare di nanostrutture plasmoniche La ricerca è dedicata allo studio della risposta ottica lineare e non-lineare di nanostrutture plasmoniche. In particolare, mediante la tecnica a fascio laser singolo denominata “z-scan”, si studiano le proprietà ottiche non-lineari (indice di rifrazione non-lineare e coefficiente di assorbimento non-lineare) di nanostrutture quali nanopianeti (sistemi ottenuti per irraggiamento ionico di vetri contenenti nanoaggregati metallici e costituiti da un cluster centrale circondato da piccoli cluster satelliti) e array ordinati di nanotriangoli ottenuti per litografia a nanosfere. Le misure sono condotte con eccitazione laser nel regime dei picosecondi al fine di misurare la componente non-lineare elettronica veloce evitando gli effetti termici tipici dell’eccitazione ai nanosecondi. I risultati mostrano come gli intensi effetti di innalzamento del campo locale dimostrati in questi sistemi (in particolare nel caso dei nanopianeti) ne influenzino la risposta ottica non-lineare attivando la concomitante presenza di fenomeni di assorbimento saturabile e assorbimento saturabile inverso. Tali meccanismi sono stati efficacemente interpretati anche con l’ausilio di simulazioni elettrodinamiche agli elementi finiti.