L'attività di ricerca del Dipartimento viene svolta presso la sua sede situata nel Campus Leonardo e presso i laboratori al Polo di Como e Lecco, ed è articolata in 5 linee di ricerca.
01.
Generazione di impulsi ultrabrevi e loro applicazioni alla fisica della materia
L'attività di ricerca riguarda lo sviluppo di nuove sorgenti laser per la generazione d’impulsi ultrabrevi (nel dominio dei femtosecondi) e la loro applicazione allo studio di processi dinamici nei materiali. Tale ricerca si avvale di tecnologie e metodologie altamente innovative nel settore dei laser, con importanti ricadute nel campo dell’ottica non lineare, delle comunicazioni ottiche e della diagnostica per i materiali. I principali progetti di ricerca riguardano:
Le suddette tematiche sono inoltre inserite nell’attività di ricerca dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN ↗) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR ↗).La strumentazione realizzata è parte integrante della facility "Centre for Ultrafast Science and Biomedical Optics" (CUSBO ↗), accreditata come "European Large Scale Infrastructure" dall’Unione Europea per le sue caratteristiche innovative.
02.
Dispositivi laser a stato solido e fotonica per sistemi integrati
L’attività di ricerca riguarda lo sviluppo di laser a stato solido e di dispositivi fotonici integrati per applicazioni alla spettroscopia molecolare, alla sensoristica optofluidica, al controllo coerente della luce ed alla informazione quantistica. Tale ricerca si caratterizza per un elevato contenuto innovativo. In particolare, da un lato è orientata ad una comprensione dei fenomeni fisici di base e dall’altro è tesa ad individuare soluzioni di frontiera nei campi di applicazione a cui si rivolge. I principali progetti di ricerca riguardano:
laser ed amplificatori a stato solido nel vicino e medio infrarosso per spettroscopia, metrologia laser e monitoraggio ambientale
micro-fabbricazione di dispositivi fotonici e optofluidici con laser a femtosecondi
luce classica e quantistica in strutture fotoniche complesse e analogie ottico-quantistiche
spettroscopia molecolare di precisione mediante pettini di frequenze ottiche
spettroscopia vibrazionale coerente
Le suddette tematiche sono inoltre inserite nell’attività di ricerca dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN ↗) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR ↗).
03.
Fotonica per la salute, l'agroalimentare e i beni culturali
La ricerca si svolge presso il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano grazie a una rete di 14 laboratori dedicati allo sviluppo di nuovi metodi e tecniche innovative basate sulla fotonica e dedicate principalmente ad applicazioni di diagnostica non invasiva in ambiti diversi, tra cui quello biomedicale, agroalimentare e dei beni culturali. Il comune denominatore di tutte le metodologie di indagine è lo sviluppo e l’utilizzo di strumenti di misura della luce con elevata risoluzione temporale e sensibilità. Le principali basi diagnostiche sono legate all’analisi della emissione della fluorescenza e della propagazione della radiazione ottica in mezzi altamente diffondenti. La vocazione applicativa di questa linea di ricerca ha portato alla realizzazione sia di strumentazione da laboratorio che di dispositivi portatili coerenti con le normative ministeriali. Queste ultime realizzazioni hanno consentito di trasferire i risultati dell’innovazione tecnologica all’ambito della ricerca ospedaliera, clinica e museale.
La linea di ricerca si inserisce anche nelle attività dell'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN ↗) e del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR ↗). I laboratori e la loro strumentazione fanno parte della facility "Centre for Ultrafast Science and Biomedical Optics" (CUSBO ↗) del Laserlab Europe, accreditata come "European Large Scale Infrastructure" dall’Unione Europea.
04.
Crescita epitassiale e fabbricazione di nanostrutture
Nanostrutture magnetiche
L’attività è incentrata sulla crescita di materiali artificiali nanostrutturati (in genere a strati di spessore nano o subnanometrico) e la loro caratterizzazione con varie tecniche spettroscopiche e microscopiche.
Vengono in particolare considerati materiali magnetici confinati spazialmente su scala nanometrica. Film ultrasottili con accoppiamento antiferromagnetico, film sottili di ossidi, interfacce ferromagnete/semiconduttore e multistrati di terre rare e metalli di transizione ne costituiscono esempi tipici.
Queste strutture innovative vengono realizzate mediante deposizione in vuoto su substrati monocristallini, mediante tecniche assistite da laser (PLD, Pulsed Laser Deposition) o di epitassia da fasci molecolari (MBE).
I campioni sono caratterizzati con diagnostiche in-situ quali: diffrazione di elettroni a bassa e alta energia (LEED e RHEED), spettroscopia Auger, fotoemissione eccitata da raggi X e ultravioletti (XPS, UPS), diffrazione di fotoelettroni (XPD). Le proprietà elettroniche e magnetiche vengono analizzate sempre in situ mediante spettroscopie elettroniche, anche con risoluzione in spin, e tecniche basate sull’effetto Kerr magnetoottico (MOKE). Quest’ultima tecnica viene usata anche con risoluzione spaziale (ex-situ) e a temperatura variabile (fino a 10 K) per lo studio delle fluttuazioni statistiche del processo di isteresi magnetica.
E’ attiva anche un’attività volta alla definizione laterale delle nanostrutture mediante tecniche litografiche (sia con luce che con fasci elettronici), unitamente a un cannone a fascio ionico (IBE) per la definizione laterale dei dispositivi. Un sistema di deposizione per sputtering è disponibile per la realizzazione di contatti elettrici e la crescita di diversi materiali, anche isolanti. Misure di trasporto in un criostato all’elio con magnete superconduttore permettono lo studio delle caratteristiche elettriche e di magneto-trasporto.
Avendo a che fare con micro- e nanostrutture, è senz’altro importante disporre di tecniche microscopiche. In tal campo le attività riguardano sia microscopia ottica tradizionale (microscopia confocale), che a campo vicino (SNOM, Scanning Near Field Optical Microscopy), che altre tecniche a scansione (STM, AFM e MFM, Scanning Tunneling, Atomic e Magnetic Force Microscopy), nonché microscopia elettronica anche con sensibilità alla specie chimica (SAM, Scanning Auger Microscopy).
Le suddette tematiche sono inserite nelle attività del Centro di Eccellenza NEMAS(link is external) istituito dal MIUR(link is external) presso il Politecnico di Milano per l’Ingegneria dei Materiali e delle Superfici Nanostrutturati, e del Centro Interuniversitario (Politecnico di Milano-Università di Milano Bicocca) LNESS(link is external) (Laboratorio di Nanostrutture Epitassiale su Silicio e per Spintronica).
Nanostrutture a semiconduttore
L’attività di ricerca del laboratorio di eterostrutture e nanostrutture su silicio del laboratorio L-NESS(link is external) (Como) è focalizzata alla fabbricazione e caratterizzazione di eterostrutture e nanostrutture in materiale semiconduttore. Il punto di forza del laboratorio è senza dubbio la possibilità di affiancare a processi di crescita epitassiale “tradizionali” nuove tecniche di deposizione sviluppate dallo staff del laboratorio. In particolare la deposizione da fase vapore assistita da plasma a bassa energia (Low Energy Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition - LEPECVD) è quella che offre le maggiori potenzialità nel campo della micro- e opto- elettronica. La LEPECVD, è stata progettata per la realizzazione di transistor ad alta velocità basati sulla tecnologia strained silicon. Di recente la LEPECVD ha dimostrato la propria superiorità rispetto alle altre tecniche di deposizione per quanto riguarda la mobilità di lacune in eterostrutture con strained germanium. Ulteriori utilizzi prevedono la realizzazione di dispositivi optoelettronici basati sul silicio-germanio (SiGe) come fotorivelatori e guide d’onda.
In combinazione con altre tecniche di crescita come la deposizione epitassiale per fasci molecolari (Molecular Beam Epitaxy – MBE) la LEPECVD permette l’integrazione di dispositivi basati su semiconduttori di tipo III-V su silicio. In particolare ad L-NESS è attiva una linea di ricerca per la realizzazione di celle fotovoltaiche ad alta efficienza per applicazioni spaziali. Una altra combinazione di materiali diversi sono etterostrutture ossido/Si cresciutte tramite MBE per future applicazioni in microelettronica.
Il laboratorio è attivo anche nel campo della crescita di nanostrutture auto-organizzate e loro studio tramite microscopia a scansione ad effetto tunnel (Scanning Tunneling Microscopy – STM) in vuoto.
Il processo di formazione di tali nanostrutture è di natura statistica e di conseguenza la dimensione e la distribuzione spaziale delle nanostrutture ottenute non è perfettamente controllabile. La tecnica di litografia tramite fascio elettronico (electron beam lithography) in combinazione con la tecnica RIE (Reactive Ion Etching) è utilizzata non solo per la fabbricazione di strutture artificiale nanometriche, ma anche per la strutturazione di substrati prima della crescita epitassiale in modo da aumentare il controllo sulla dimensione e distribuzione spaziale delle nanostrutture.
Oltre alle attività concentrate su strutture epitassiale, nel laboratorio è stata attivata di recente una linea di ricerca dedicata alla crescita di silicio nanocristallino per celle fotovoltaiche e sensoristica tramite LEPECVD.
Nanostrutture all’interfaccia liquido/solido
L’attività di ricerca del laboratorio di fisica dell’interfaccia liquido/solido (Solid-Liquid Interface Nanomicroscopy and Spectroscopy - SoLINano-Sigma) è focalizzata nello studio di processi attivati sulla superficie di un elettrodo che portano alla formazione di super-strutture di adsorbati, ioni o molecole presenti nella soluzione utilizzata.
Il punto di forza del laboratorio è senza dubbio la possibilità di studiare processi di interazione in situazioni più realistiche rispetto a quanto generalmente affrontato in ambienti artificiali e controllati (vuoto). In particolare, è possibile crescere strutture tramite metodi elettrochimici ampiamente utilizzati anche in campo industriale. Di recente, ad esempio, sono state trovate nuove strategie per la protezione degli elettrodi usati nelle batterie.
La caratterizzazione delle nanostrutture è possibile tramite speciali microscopi a risoluzione molecolare/atomica operanti direttamente in liquido, quali il microscopio elettrochimico a forza atomica (EC-AFM) e ad effetto tunnel (EC-STM). Il laboratorio sarà presto potenziato anche con una tecnica spettroscopica (Raman) per la caratterizzazione chimica delle superfici durante i processi d’interazione all’interfaccia liquido/solido.
05.
Proprietà elettroniche, ottiche e magnetiche di sistemi a bassa dimensionalità
L’attività di ricerca punta allo studio delle proprietà elettroniche e magnetiche fondamentali dei solidi tramite spettroscopia elettronica e allo sviluppo di nuovi metodi sperimentali in tale campo.
Il lavoro ha come fulcro la progettazione, la costruzione e l’utilizzo di strumentazione avanzata ed originale, capace di aprire nuove vie nel campo delle spettroscopie basate su radiazione ultravioletta, x o di fasci elettronici (si veda l’elenco delle apparecchiature). Per questo motivo in molti casi gli esperimenti da noi progettati si servono per funzionare delle più moderne sorgenti di radiazione elettromagnetica (sincrotroni, laser a impulsi ultrabrevi). Le apparecchiature, solitamente progettate e costruite presso il nostro Dipartimento, sono poi installate ed utilizzate nei laboratori presso i sincrotroni (AXES e IRRS a ESRF, Francia; SAXES a SLS, Svizzera) o presso il laboratorio ULTRAS dell’INFM/CNR ospitato nei locali del Dipartimento (UPhOS). I laboratori VESI (fotoemissione e fotoemissione inversa di campioni preparati in situ per MBE) e SAM (microscopia elettronica a scansione con capacità di analisi spettroscopica Auger) sono invece installati nei locali del Dipartimento. L’attività di ricerca si avvale in alcuni casi anche di strumentazione sviluppata da altri gruppi presso i sincrotroni.
I progetti di ricerca in corso hanno come oggetto la caratterizzazione della struttura elettronica e magnetica su scala atomica di materiali dalle caratteristiche potenzialmente interessanti per future applicazioni delle tecnologie elettroniche, quali ossidi magnetici o superconduttori. Questi materiali stimolano inoltre un interesse puramente scientifico a causa delle loro specialissime proprietà, che mettono a dura prova anche i migliori modelli interpretativi.
Ad esempio il progetto "High resolution RIXS" ha come oggetto lo studio di cuprati superconduttori ad alta temperatura critica, film sottili di manganiti ferromagnetiche, ossidi di titanio e di vanadio, di cui si vuole determinare il legame tra la struttura cristallina locale (coordinazione, distanze interatomiche) e la struttura dei livelli energetici elettronici. Il progetto "Hard RIXS" studia anch’esso le eccitazioni elettroniche di sistemi fortemente correlati, con la possibilità di investigare le variazioni di correlazione provocate dalla pressione.
Il progetto "FemtoMagnetism and X-ray Scattering" punta sull’utilizzo di effetti di dicroismo circolare magnetico in particolari geometrie sperimentali per lo studio a livello atomico della dinamica magnetica nei metalli ferromagnetici. A studi di dinamiche elettroniche e magnetiche è dedicato il progetto di spettroscopia con sorgenti a femtosecondi "Ultrafast Electronic Dynamics in Solids".
