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Nuovi materiali per l’elettronica e l’energetica
Daniele MarréUniversità di Genova-Dipartimento di Fisica
via Dodecaneso 33 16146 Genova
I.N.F.M. – LAMIACorso Perrone 24 16152 Genova
Seminario orientamento 28/02/06
L’elettronica e l’energetica attuali si basano essenzialmente su materiali disponibili in natura (elementi)
Rame per trasporto energia
Silicio per l’elettronica
Niobio (o altri superconduttori) per magneti
Le proprietà funzionali di questi materiali sono influenzate da difetti strutturali e dalla presenza di altri elementi (sostituzioni chimiche o impurezze)
Es. resistività del Silicio dipende dalla concentrazione di sostituzioni chimiche
( ) TkE
B
g
eT 20ρρ =
Es. resistività del Rame dipende dalla quantità di impurezze
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 50 100 150 200 250 300
T (K)
R/R
(273
K)
Ricerca ed investimenti essenzialmente per
• migliorare le proprietà strutturali• migliorare la purezza
Studio (misura) delle proprietà funzionali
Comprensione dei parametri che le influenzano
Modelizzazione teorica
Ingegnerizzazione delle proprietà
Ottimizzazione delle proprietà per le diverse applicazioni passa attraverso:
Nell’ultimo decennio sono stati scoperti nuovi materiali molto più complessi per composizione e struttura con nuove o “potenziate” proprietà funzionali
La nuova sfida scientifico-tecnologica è quindi:•Comprendere l’origine delle loro proprietà
•Comprendere il legame intimo tra composizione chimica, struttura e proprietà•modificare le proprietò a livello atomico per adattare a applicazioni
Es. Bi2Sr2Can-1CunOx superconduttore ad alta temperatura di transizione (110K), fino a 38 atomi nella cella elementare
O
PbTiO3:Isolante Piezoelettrico SrTiO3:
Isolante con alta costante dielettrica
BaTiO3:Isolante ferroelettrico (La,Ba)MnO3:
Metallo ferromagnetico,Isolante antiferromagnetico,Isolante paramagnetico
Gruppo del Laboratorio di Fisica delle Basse Temperature del DIFI e del laboratorio LAMIA – INFM Laboratorio Materiali Innovativi e Artificiali dell’ Istituto Nazionale per la Fisica della Materia
Group Leader Prof. A.S. Siri24 ricercatori (universitari e INFM)5 Post docs8 Dottorandi5 Laureandi
Collaborazioni accademiche con:Università di Roma I, Roma II, Napoli, Parma, Salerno, Torino, Cagliari, Ginevra, Augsburg, Twente, Delft, Amburgo, Yale, Goteborg, Trondheim, Cambridge, Osaka, IBM (Zurigo), ....
e industriali con: ESAOTE, ANSALDO SC, Columbus SC, CESI (Enel), ALCATEL..
Nuovi materiali per l’elettronica
“Oxide electronics”Tutte le proprietà fisiche (funzionali) conosciute sono riscontrabili in composti ossidi ed in particolare negli ossidi dei metalli di transizione.
Studi di carattere fondamentale per comprendere i meccanismi alla base delle diverse proprietà fisiche
Ottimizzazione e ingegnerizzazionedelle proprietà per scopi applicativi in dispositivi elettronici
Interessanti prospettive applicative integrati nell’elettronica attuale (nuove funzionalità) o al posto dell’elettronica del silicio
Legge di Moore (INTEL)La complessità dei chipRaddoppia ogni 18 mesi
Riduzione dimensioni
Presto raggiunto limite fisico Si
Le perovskiti sono materiali funzionaliLe perovskiti sono materiali funzionali
0 20 40 60 80 1000
5
10
15
20
(La1.85Sr0.15)CuO4 thin film
Res
ista
nce
[Ω]
Temperature [K]
A.J. Millis Nature 392 (1998)
A B O
“La cella cristallina puòcontenere diversi tipi di
cationi A e B”Oxygen octahedral
TitanatiTitanati PbPb((ZrZr,Ti)O,Ti)O3 3 , BaTiO, BaTiO33, SrTiO, SrTiO33(Ferroelettrici, isolanti, semiconduttori)
Manganiti La0.7Sr0.3MnO3(Materiali a magnetoresistenza
colossale)
Cuprati (La,Sr)CuO4 , YBCO(Superconduttività)
B metallometallo di di transizionetransizione
A Terra rara, MetalloMetalloalcalinoalcalino
Il Il mondomondo magicomagico delledelle perovskitiperovskitiABO3 A, B cationi
-10 -5 0 5 10-40
-20
0
20
40
P (μ
C/c
m2 )
V (V)
OxideOxide ElectronicsElectronicsPossibilità di fare eterostrutture epitassiali
Dispositivi elettronici: transistors ad effetto di campo
SrTiO3insulating
SrTiO3-dsemiconducting
SourceGate
Drain
Channel
Modello a capacitore
Applicando una tensione V agli elettrodi si accumula una carica sugli stessi proporzionale alla capacità del dispositivo
+++++++++++++++++
--------------------
dACVCQ rεε0 =∗= con
Costante dielettricaisolante
Variando il numero di cariche nel semiconduttore se ne modifica la conducibilità
ma μσ ne=Conducibilità densità carica mobilità
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
105
106
107
108
109
1010
RSD
(Ω)
EG (KV/cm)
ISD 1 nA 10 nA 100 nA
Sfruttando l’altacostante dielettrica εr del SrTiO3 Si riescono ad accumularesulle armature sino a 1020
cariche /cm3
ZnO conduttore come elettrodo metallicoSrTiO3 isolante come dielettricoZnO semiconduttore come canale
Dispositivo ad effetto di campo:•Più di 5 ordini di grandezza di modulazione della resistenza
Dispositivi realizzato interamente con ossidi
700 600 500 400 3000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0
Gate
Gate
Source Drain
Tran
smitt
ance
[%]
Wavelength [nm]
ZNO5501A STO Substrate
Photon energy (eV)
Gate
Gate
Source Drain
Dispositivi ottici: DISPLAYS, LASERS...
LED (LASER) con emissione dal verde all’ultravioletto
L’alto gap energetico rende i materiali trasparenti nel visibile
Ossidi Ferroelettrici:Materiali che esibiscono un momento di dipolo elettrico spontaneo derivante da una asimmetria nei centri di massa della distribuzione di cariche positive e negative.
Pb(Zr0.20,Ti0.80)O3
Polarizzazione rimanente Pr ~ 10÷60 μC/cm2
Campo Coercitivo Ec~ 100 kV/cm
Pb
Pb
O
Pb
O
Pb
O
Ti
O
Pb
O
Pb
O
Pb
Pb
Ciclo di isteresi ferroelettrico
-100.0 -75.0 -50.0 -25.0 0.0 25.0 50.0 75.0 100.0Applied voltage on the ferroelectric capacitor (V)
-4.0E-6
-3.0E-6
-2.0E-6
-1.0E-6
0.0E+0
1.0E-6
2.0E-6
3.0E-6
4.0E-6
Cha
rge
on th
e fe
rroel
ectri
c (C
)
PZT ceramic
f=100HzVcoer=40VQrem=3uCQsat=3.5uC
Pb
Pb
O
Pb
O
Pb
O
Ti
O
Pb
O
Pb
O
Pb
Pb
Pb
Pb
O
Pb
O
Pb
O
Ti
O
Pb
O
Pb
O
Pb
Pb
Applicazioni in DATA STORAGE: Memorie ferroelettriche e switches
0 50 150 2001.0x104
1.5x104
2.0x104
2.5x104
3.0x104
3.5x104
Cha
nnel
Res
ista
nce
(Ω)
Time (min.)
30
-15
15
-30
0 Gat
e Vo
ltage
Ferroelectric
n-doped STO
GatePulse
In eterostrutture con semiconduttori:Cambiamento della resistenza del canale semiconduttore in seguito
all’applicazione di impulsi di tensione ai capi del ferroelettrico
Vantaggi:•Alta velocità di scrittura (<ns)•Non volatile•Stabilità a lungo termine
La, Sr, Ca
Mn
O
Struttura perowskite
Complessi diagrammi di fase
struttura cristallina
magnetismoproprietà
di trasporto
ManganitiL1-xAxMnO3
L del gruppo dei lantanidiA terra alcalina divalente
Per effetto dell’interazione di Hund, i quattro elettroni del
manganese hanno lo stesso spin: corrente polarizzata in spin
Gli elettroni di conduzione passano da uno ione manganese all’altro attraverso il siti dell’ossigeno (meccanismo di doppio scambio). La larghezza di banda èdeterminata dall’angolo Mn-O-Mn.Gli elettroni delocalizzati favoriscono l’accoppiamento ferromagnetico degli ioni Mn.
Dimensioni catione pressione chimica distorsioni reticolari J-T ordinamenti di carica e magnetici
⇓Complessi diagrammi di fase e coesistenza di più fasi
Angolo Mn-O-Mn larghezza di banda mobilità accoppiamento magnetico tra ioni manganese attraverso lo spin degli elettroni di conduzione
ferromagnetismo⇓
magnetoresistenza colossale
AFM MFM
Resistenza bassa
r r
R R
s
s
r
rR
Rs
s
Resistenza alta
Applicazione: valvole di spin
Applicazioni in DATA STORAGE: memorie magnetiche , hard disk...
Architettura dei futuri Hard disk IBM
Superata la fase di manipolazione della carica (Elettronica) si va verso la manipolazione degli spin SPINTRONICA
Deposizione di film sottili e eterostrutture
La deposizione di film sottili consente l’integrazione di piùmateriali con diverse proprietàfunzionali in un’ unica struttura
Ossidi cristallini
eterostrutture epitassiali
Oxide electronics e nanotecnologie
100 nm
Ossido ferroelettrico
Film magnetico
Manipolazione delle proprietà degli ossidi su scala nanometrica tramite microscopia a forza atomica
Prof. J-M. Triscone, DPMC, Università di Ginevra
Pb
Pb
O
Pb
O
Pb
O
Ti
O
Pb
O
Pb
O
Pb
Pb
Oxide Electronics e nanotecnologie: nanodispositivi
AFM nanolithography
Cosa succede applicando questa tecnica agli ossidi?
ModificaModificadelladellasuperficiesuperficie
11 μm x 11 μm
11 μm x 11 μm
11 μm x 11 μm
La La parteparte ““modificatamodificata puòpuò essereessere rimossarimossa con con opportuniopportuniattacchiattacchi acidiacidi
Acid Acid solutionsolution
11 μm x 11 μm11 μm x 11 μm
Possibilità di “disegnare circuiti su scale nanometriche”: Nanolitografia
Fabrication of in-plane Side Gate Field Effect Transistor
12 μm X 12 μm
Drain
Gate 1Gate 1 Gate 2Gate 2
Source
Controllo della densità di portatori in un filo conduttore tramite
effetto di campo
Carica elettrica indotta Carica elettrica indotta tramite accoppiamento tramite accoppiamento
capacitivo tra Gate e canalecapacitivo tra Gate e canale
Capacità proporzionale allaCostante dielettrica delsubstrato:
C ∼ 10 X εr pF /m
Nuovi Materiali per l’Energetica
INFM - Laboratorio LAMIADIFI – Laboratorio fisica delle basse
temperature
G. Grasso
Produzione
Consumi
Energia
Smog
Riduzione della CO2
Fonti rinnovabili di energia
Sistemi più efficienti Dispositivi innovativi
Superconduttori
Materiali a resistenza elettrica nulla: applicazioni elettrotecniche ad elevatissimo rendimento
Termoelettrici
Materiali ad elevato potere termoelettrico:Conversione di energia termica in elettrica
La superconduttività esiste solo al di sotto di una
temperatura critica
TC
• Sono state osservate correnti persistenti indotte in anelli superconduttori per tempi superiori all’anno• Si è stimato che tali correnti possono persistere per tempi maggiori di 100’000 anni
Espulsione del campo e levitazione
Cosa succede agli elettroni sotto TC
• La temperatura critica separa due stati distinti: lo stato superconduttore e lo stato normale
• Al di sotto di Tc prevale la forza attrattiva tra gli elettroni e si formano coppie
Caratteristiche tipiche di un superconduttore
R
TTc
R
IIc
T<Tc
Ic
HHc2
T=cost<TcHc2
TTc
Storia dei materiali superconduttori
1960 1970 1980 1990 20000
30
60
90
120
MgB2
NbTiNb3Al
Bi-Sr-Ca-Cu-O
Y-Ba-Cu-OTe
mpe
ratu
ra c
ritic
a [K
]
Anno
LN2
MgB2
Liquidocriogenico
Temperatura diebollizione [K]
Densità del liquido[Kg/m3]
Calore specificovolumetrico [kJ/dm3]
Espansionerelativa
He 4.2 125.0 2.6 758
H2 20.4 70.7 31.5 848
Ne 27.1 1207.3 103.7 1445
N2 77.4 808.6 150.6 700
MgB2 e H2
Liquidi criogenici
I nuovi superconduttori si presentano come piccoli granelli monocristallini
Pulizia della superficie dei grani
Particella di MgB2
Elevato grado di compattazione
Riempimento del tubo
Metodo PIT per la fabbricazione di cavi superconduttori in MgBMetodo PIT per la fabbricazione di cavi superconduttori in MgB22
+
B Mg MgB2
Deformazione a freddoDeformazione a freddo
trafilatura
laminazione Produzione di nastri
L’ottimizzazione del procedimento di lavorazione termo-meccanicadel conduttore consente di raggiungere una configurazione ottimale
Considerata la loro natura altamente
bidimensionale, gli ossidi
superconduttori ad alta temperatura
necessitano di un’interfaccia per poter
essere ‘utilizzati’
MgB2 metodo PIT Y(123) metodo IBAD
Sistemi MRI con Ansaldo Superconduttori S.p.A.
Fault Current Limiter con CESI S.p.A. (Enel ricerche)
Forno a induzione SINTEF Research (N)
Prototipi in MgB2 in fase di sviluppo al LAMIA
Sinergie:
Laboratorio LAMIA dell’INFM a) sviluppa e brevetta la tecnologiab) caratterizza e qualifica il conduttore Columbus Superconductors
industrializza i processi di fabbricazione e commercializza il superconduttore in MgB2
Ansaldo Superconduttori è un end-user privilegiato del conduttore fabbricato da Columbus Superconductors
Stato presente e futuro:MgB2 e l’Idrogeno MgB2 per l’MRI
MgB2 per garantire e per risparmiare energia(cavi, trasformatori, limitatori di corrente, ecc.)
MgB2 nei grandi motori