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Materiali perfetti? Ecco come ottenerli

Milano, 15 marzo 2012 - Il segreto di un materiale perfetto, non soggetto a rotture, distorsioni o altre imperfezioni è crescere ben impilato. È la scoperta dei ricercatori del Centro Interuniversitario per le Nanostrutture Epitassiali su Silicio e Spintronica L-NESS (del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca con il Dipartimento di Fisica e il Polo Territoriale di Como del Politecnico di Milano) e del Laboratorio di Fisica dello Stato Solido del Politecnico di Zurigo, insieme al Centre Suisse d’Electronique et de Microtecnique di Neuchatelle, pubblicata sul numero di Science del 16 marzo che gli dedica la copertina.

I principali autori della ricerca (Scaling hetero-epitaxy from layers to three-dimensional crystals), Leo Miglio dell’Università di Milano-Bicocca, Giovanni Isella del Politecnico di Milano, Hans von Känel e Claudiu Falub del Politecnico di Zurigo hanno, infatti, dimostrato come si possano integrare strati di materiali semiconduttori, particolari e diversi, sul silicio (abbondante, economico e ben conosciuto), senza avere crisi di rigetto, difetti, distorsioni e rotture. Grazie alla tecnologia sviluppata si può ottenere un miglioramento delle prestazioni dei diversi materiali applicati sul silicio, potenziandone le proprietà.

Grazie a questa tecnologia sarà possibile realizzare celle solari ad alta efficienza per satelliti, più leggere e meno costose; sensori che monitorano le operazioni in laparoscopia con bassissime dosi di raggi X; dispositivi elettronici di potenza meno costosi e più efficienti, per gestire autoveicoli e produzione di energie alternative.

Base di questa tecnologia, per la quale è stata depositata domanda di brevetto internazionale è produrre un intarsio micrometrico e profondo nel silicio (si immagini una microscopica tavoletta di cioccolato, con scavi molto profondi) e di regolare la deposizione dello strato soprastante di un materiale diverso, in modo che si impili esattamente sopra i quadretti, andando a creare uno strato di materiale compatto, ma composto di tasselli indipendenti con elevatissima qualità.

Vantaggi
Il primo sta nell'utilizzo di un supporto poco costoso e molto abbondante come il silicio. I nuovi materiali semiconduttori così fatti hanno una resa elevata e un’ottima qualità in termini di prestazioni e resistenza.
Senza questa tecnologia, per ottenere materiale senza rotture, discontinuità o difetti, bisognerebbe utilizzare un’intera fetta di materiale pregiato, con costi molto maggiori.

In termini strettamente economici, il risparmio, ad esempio nelle celle fotovoltaiche, è stimato intorno al 15/20 per cento per ogni cella (sul costo di circa 200 euro). Nelle celle usate per alimentare satelliti, a questo risparmio si aggiunge il risparmio del carburante del vettore, dovuto alla leggerezza delle celle su silicio, stimato in circa 50 euro a cella.

La tecnologia
Gli elementi fondamentali della crescita per impilamento:

  1. la profondità elevata dello scavo sul silicio, il substrato sul quale viene depositato il film di materiale, diverso a seconda dell'uso che se ne deve fare (es. germanio, arseniuro di gallio, carburo di silicio)
  2. la velocità di deposizione del materiale sul substrato è molto elevata e determina una crescita cinetica e non termodinamica del materiale. È la cinetica che permette di dare la forma voluta al materiale e quindi di far sì che si impili ordinatamente e in modo perfetto
  3. la sfaccettatura geometrica delle pile di materiale depositato è governata dalla temperatura di crescita: più è alta, più il materiale è sfaccettato e  privo di difetti.

  

  
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- ultimo aggiornamento di questa pagina 22/09/2017