Periodico bimestrale
Anno XX, numero 91
marzo-aprile
ISSN 1128-3874

Nel silicio bidimensionale il futuro della fotonica

N. 90 – gennaio/febbraio

Uno studio del Dipartimento di Fisica e dell’Istituto per la microelettronica e microsistemi del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Imm) ha osservato come il silicio, depositato su un supporto isolante di zaffiro, assuma sorprendentemente una struttura atomica bidimensionale, analoga a quella del grafene, attivandosi anche in zone dello spettro ottico considerate off limits. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nano Letters.

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Interazione radiazione-materia in silicio bidimensionale su substrato di zaffiro (immagine riprodotta da Olivia Pulci, Paola Gori e Christian Martella)
Interazione radiazione-materia in silicio bidimensionale su substrato di zaffiro (immagine riprodotta da Olivia Pulci, Paola Gori e Christian Martella)

Un team di ricerca coordinato da Stefano Lupi del Dipartimento di Fisica della Sapienza e da Alessandro Molle dell’Istituto per la microelettronica e microsistemi del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Imm) ad Agrate Brianza, insieme a gruppi delle Università di Roma Tor Vergata, Università di Roma Tre e in collaborazione con la STMircoelectronics, ha ottenuto per la prima volta una configurazione bidimensionale del silicio, che presenta una risposta ottica mai osservata prima. La nuova struttura consente, infatti, l’assorbimento della luce in una zona dello spettro ottico che per il silicio era ritenuta proibita fino a questo momento e promette grandi innovazioni in ambito tecnologico. I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Nano Letters.
“Il silicio è il materiale di base per l’elettronica e il fotovoltaico. Questa nuova configurazione è simile a quella del grafene (da cui il nome silicene), materiale particolarmente versatile in molti settori, come l’energia, l’informatica o la biomedicina”, spiega Molle. “La grande innovazione dello studio è rappresentata dal supporto di zaffiro, un ossido di alluminio cristallizzato, che ha un comportamento isolante. Su questo supporto abbiamo depositato, tramite evaporazione in vuoto ultra spinto, atomi di silicio che, abbiamo constatato, si organizzano in uno o più strati bidimensionali, con una struttura simile al grafene, dove i portatori di carica si comportano come se fossero fotoni”. Questo comportamento del silicio è stata una sorpresa per il gruppo di ricerca. “Si tratta di una risposta inaspettata nel senso che l’assorbimento ottico del silicio che abbiamo avuto modo di riscontrare nel nostro studio non corrisponde a quello convenzionalmente noto nella forma tridimensionale”, precisa Molle. “Avere un silicio bidimensionale, che devia quindi dal silicio convenzionale, ha un potenziale totalmente inesplorato e il suo impiego non avrà più i limiti energetici legati alla configurazione tridimensionale”, aggiunge Lupi. Il neonato silicio bidimensionale sembra avere secondo i ricercatori tutte le carte in regola per rivoluzionare diversi ambiti tecnologici. “Stiamo pensando anche all’uso della metodologia in progetti legati alla creazione di dispositivi plasmonici e fotonici grazie al successo dell’integrazione con altri materiali bidimensionali come il grafene, che abbiamo sperimentato nel laboratorio Teralab del Dipartimento di Fisica della Sapienza”, conclude Lupi.

 

Riferimenti
“Optical Conductivity of Two-Dimensional Silicon: Evidence of Dirac Electrodynamics”, C. Grazianetti, S. De Rosa, C. Martella, P. Targa, D. Codegoni, P. Gori, O. Pulci, A. Molle*, and S. Lupi*, Nano Letters 2018 18, 7124 . DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03169.

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