Intervista a Maurizio Casalino, Imm-Cnr - Fotorivelatori innovativi grazie a silicio e grafene


Un recente studio dell’Istituto per la microelettronica e microsistemi del Cnr, in collaborazione con il Graphene Centre dell’Università di Cambridge, ha trovato il modo di convertire la luce infrarossa in corrente integrando silicio e grafene, avvicinando così l’ipotesi di fabbricare fotorivelatori in silicio funzionanti nel vicino infrarosso. La ricerca è pubblicata sulla rivista ACSNano.

Per approfondire i risultati della ricerca e i possibili sviluppi abbiamo chiesto a Maurizio Casalino del Imm-Cnr di spiegarci nel dettaglio le origini della ricerca e le possibili applicazioni pratiche.

Intervista a Maurizio Casalino, Imm-Cnr - Fotorivelatori innovativi grazie a silicio e grafene

 

1) Maurizio Casalino è ricercatore presso l’Imm (Istituto per la microelettronica e microsistemi) del Cnr. Ci spiega nel dettaglio qual è il suo lavoro e il suo settore specifico di ricerca?

Maurizio CasalinoImmagine 1 - Maurizio Casalino.

La mia attività di ricerca riguarda il progetto, la fabbricazione e la caratterizzazione di dispositivi fotonici ed optoelettronici basati su silicio. Il silicio è un semiconduttore largamente utilizzato nel campo della microelettronica ma, sfortunatamente, per applicazioni fotoniche (laser, modulatori, fotorivelatori a stato solido etc…), non è il migliore substrato possibile. Tuttavia la tecnologia in silicio, largamente sviluppata negli anni di forte espansione della microelettronica, è molto vantaggiosa poiché garantisce la fabbricazione di componenti hardware a basso costo.

Per rendere il silicio adatto alle varie funzionalità fotoniche, all’IMM-CNR di Napoli stiamo studiando, non solo nuovi effetti, ma anche nuovi materiali che, integrati con il silicio, siano in grado di conferirgli proprietà che altrimenti non avrebbe. Il grafene è uno di questi materiali. L’attività di ricerca del gruppo GrapheNeapolis IMM-Napoli che coordino (http://grafene.cnr.it/ricerca-2/gruppi/grapheneapolis-imm-napoli/ ), sta ottenendo degli ottimi risultati per quanto riguarda i trasduttori luce-corrente basati su strutture ibride grafene/silicio funzionanti nel vicino e medio infrarosso.

 

2) Lei ha collaborato con diversi enti di ricerca internazionali tra cui l’Università di Cambridge e il Fraunhofer Institute e ha partecipato in veste di relatore a diverse conferenze internazionali sulla fotonica. Qual è lo stato attuale di sviluppo della fotonica? Attualmente quali sono i progetti di ricerca, a livello internazionale, più promettenti nel campo della fotonica?

 

La collaborazione con Enti di Ricerca ed Università internazionali rappresenta sempre un grande stimolo, oltre ad essere un’importante opportunità di arricchimento per noi ricercatori. Nel 2015 ho avuto l’onore di essere invitato a tenere un seminario al Cambridge Graphene Centre diretto dal Prof. A. C. Ferrari e in quell’occasione ho potuto constatare quanto impegno e risorse siano state profuse per realizzare un polo di eccellenza che sia un riferimento mondiale nel campo del grafene e dei materiali bidimensionali in genere. La mia percezione è che i ricercatori italiani siano molto stimati all’estero, penso che non sia mai troppo tardi per cominciare a considerare la ricerca italiana come una risorsa su cui investire.

La fotonica è sempre più presente nella vita delle persone, basta pensare alle connessioni internet basate su fibre ottiche, oramai ampiamente utilizzate nelle nostre città. Le telecomunicazioni in fibra ottica hanno sempre mostrato un grande potenziale, ma hanno anche storicamente goduto di una pessima reputazione, e ciò è in larga misura legato all’elevato costo dei suoi componenti hardware, difficilmente realizzabili in silicio a causa di alcuni limiti intrinseci del materiale. Qualche anno fa la comunità scientifica ha affrontato la sfida di ridurre i costi provando a realizzare laser a stato solido in silicio ma, nonostante i grandi sforzi, ad oggi, non è disponibile alcun prodotto commerciale. Tuttavia, grazie ad un approccio ibrido, l’INTEL sta avviando la produzione di massa di una ricetrasmittente fotonica, parzialmente basata su silicio, in grado di trasmettere segnali a 100 gigabit al secondo. Questo dispositivo promette di favorire la transizione verso le interconnessioni ottiche, risolvendo molti problemi legati all’ingombro ed ai consumi delle interconnessioni elettriche ampiamente utilizzate, per esempio, in ambito Data Center. Nel campo della fotonica, un’attività di ricerca molto promettente, a mio avviso, riguarda la possibilità di implementare funzionalità ottiche su substrati flessibili. Questa attività è anche strettamente connessa a quella che oggi viene chiamata la ‘fotonica indossabile’. Recentemente alcuni ricercatori del MIT di Cambridge (Massachusetts, USA) hanno sviluppato, in collaborazione con alcune università statunitensi, dei sensori fotonici flessibili di nuova generazione per applicazioni nel campo della sensoristica biomedica. Questa tecnologia troverebbe largo impiego nello sviluppo di sistemi di monitoraggio applicabili sottopelle, in grado per esempio rilevare contemporaneamente più parametri, come: frequenza cardiaca, livelli di ossigeno, livelli di glucosio e pressione sanguigna.

 

3) I fotorivelatori sono dei dispositivi elettronici in grado di convertire la luce (a diverse lunghezze d’onda) in corrente elettrica, stiamo parlando quindi di dispositivi optoelettronici. Tali dispositivi vengono realizzati per lavorare ad esempio con le lunghezze d’onda del visibile (380-750 nm) o del vicino infrarosso (750-2500 nm). Dal punto di vista dell’efficienza dei fotorivelatori ci spiega qual è la lunghezza d’onda migliore e quali sono i materiali che solitamente vengono adoperati per costruire tali dispositivi?

 

Non esiste una lunghezza d’onda “migliore”, la lunghezza d’onda è scelta in base al tipo di applicazioni a cui i fotorivelatori sono destinati. Per esempio, alle lunghezze d’onda del visibile, i fotorivelatori in silicio sono molto efficienti ed ampiamente utilizzati per la realizzazione di fotocamere e macchine fotografiche digitali. Al contrario, nel vicino infrarosso, ed in particolare a 1550 nm (la lunghezza d’onda che si propaga all’interno delle fibre ottiche per le comunicazioni a grande distanza), il silicio non può essere più utilizzato perché non è in grado di assorbire la radiazione ottica incidente e, quindi, di effettuare la conversione in corrente. Alle lunghezze d’onda del vicino infrarosso quindi, tale conversione viene in genere realizzata con materiali quali l’arseniuro di gallio e indio, particolarmente costoso da lavorare, oppure il germanio. Tuttavia, sebbene i fotorivelatori in germanio abbiano ampiamente dimostrato la possibilità di essere realizzati a partire da substrati di silicio, l’integrazione di tali dispositivi contestualmente ad circuiteria microelettronica (integrazione monolitica) risulta essere ancora lontana dalla fase di produzione.

 

4)  Recentemente sulla rivista ACS (American Chemical Society) Nano è stato pubblicato lo studio "Vertically Illuminated, Resonant Cavity Enhanced, Graphene–Silicon Schottky Photodetectors" frutto della collaborazione tra l’IMM-CNR, il Cambridge Graphene Centre dell’Università di Cambridge (Regno Unito) e il dipartimento di ingegneria e scienze dei materiali dell’Università di Ioannina (Grecia). Ci spiega qual è stata l’intuizione che vi ha permesso di trovare il modo di convertire la luce infrarossa in corrente elettrica integrando il silicio (materiale dal costo contenuto e ormai d’uso comune per la fabbricazione di dispositivi microelettronici) con un materiale emergente come il grafene? Ci spiega nel dettaglio quali sono i risultati che avete ottenuto con il vostro studio? In sostanza cosa differenzia il vostro studio da eventuali studi analoghi di altri gruppi di ricerca?

 

La scoperta del grafene è avvenuta negli anni ’90 grazie all’intuizione di due ricercatori russi, Andre Geim e Kostya Novoselov i quali, quasi per gioco, utilizzarono un nastro adesivo per isolare il singolo strato di grafene da un blocco di grafite. I due scienziati ne intuirono immediatamente le sorprendenti proprietà. Il grafene è costituito da uno strato di atomi di carbonio arrangiati in una struttura a nido d’ape, il suo spessore è dunque pari al diametro di un atomo di carbonio e questo è il motivo per cui il materiale viene spesso definito come bidimensionale.

Il grafene ha ricevuto una grande risonanza a partire dal 2010, anno in cui i due ricercatori russi vinsero il Nobel per la fisica. In quel periodo, io e il mio gruppo stavamo lavorando alla realizzazione di dispositivi fotonici basati su strutture ibride metallo/silicio per la conversione in corrente della luce infrarossa, ottenendo alcuni risultati promettenti. L’intuizione di sostituire il metallo con il grafene è maturata in questo contesto e nel 2012 contattammo il Graphene Centre dell’Università di Cambridge per proporgli una collaborazione. Solo nel 2016 però abbiamo ottenuto i risultati che ci hanno permesso di pubblicare l’attività di ricerca sulla prestigiosa rivista ACSNano.

Il nostro studio dimostra come, realizzando strutture ibride grafene/silicio, sia possibile combinare le proprietà di assorbimento ottico del grafene (alle lunghezze d’onda del vicino infrarosso), con la capacità di fabbricazione propria della tecnologia in silicio, realizzando così strutture ottiche complesse in grado di intrappolare la luce al fine di incrementare l’efficienza di conversione.

 

5) Quali sono le principali caratteristiche tecniche del fotorivelatore ibrido formato da una giunzione silicio/grafene che avete realizzato? Qual è il coefficiente di conversione che siete riusciti ad ottenere in laboratorio con il vostro prototipo? Quali sono i margini di miglioramento per quanto riguarda l’efficienza di conversione?

Schema del fotorivelatore grafene silicioImmagine 2 - Schema del fotorivelatore grafene-silicio.

I fotorivelatori che abbiamo realizzato mostrano la possibilità, sia di integrare il processo di fabbricazione del grafene con quello tipico della tecnologia in silicio, sia di aumentare l’assorbimento del sottile strato di grafene grazie ad un intrappolamento della luce. L’efficienza di conversione è di 20 mA/W, e, sebbene tale efficienza permetta già un impiego del dispositivo in alcune applicazioni pratiche, essa può essere ancora incrementata.

In questo periodo stiamo progettando una versione ulteriormente ottimizzata del dispositivo che preveda l’utilizzo di cavità ottiche in grado di aumentare l’efficienza di intrappolamento della luce per fare in modo che il sottile strato di grafene possa assorbire il 100% della radiazione incidente. Le nostre simulazioni fanno ben sperare: l’efficienza di conversione teorica è paragonabile a quella dei dispositivi commerciali basati su arseniuro di gallio. Inoltre, i dispositivi proposti mostrano le potenzialità di lavorare, non solo alle lunghezze d’onda del vicino infrarosso, ma anche a quelle del medio infrarosso, rendendo così i fotorivelatori in silicio adatti per altre tipologie di applicazioni come quelle riguardanti il monitoraggio ambientale.

 

6) Quali sono i nodi critici da affrontare prima di arrivare alla produzione industriale dei fotorivelatori in silicio/grafene funzionanti con la lunghezza d’onda dell’infrarosso? Quali applicazioni potrebbero realizzarsi concretamente nel settore delle telecomunicazioni, della sicurezza e biomedicale? Può farci qualche esempio di applicazioni reali?

 

La criticità principale riguarda la capacità di integrare il processo di fabbricazione e di trasferimento del grafene con la consolidata tecnologia in silicio. Il grafene, infatti, può facilmente essere danneggiato dai processi tecnologici tipici della microelettronica e, trattandosi di un “foglio” di atomi di carbonio, il suo trasferimento può dare luogo a difetti e corrugazioni. Tutto ciò naturalmente tende a peggiorare, in alcuni casi anche a compromettere, le prestazioni attese dai dispositivi progettati.

Riguardo alle applicazioni concrete, con particolare riferimento alle telecomunicazioni, l’obiettivo nel prossimo futuro è quello di andare incontro alle richieste di una sempre maggiore densità di banda, mantenendo però i costi contenuti. In un mondo sempre più connesso si prevede l’esigenza di trasmettere dati ad una frequenza di 10 terabit al secondo, mentre oggi la capacità di trasmissione è cento volte inferiore.

Il grafene, grazie alle sue sorprendenti proprietà, può permettere la realizzazione di dispositivi particolarmente veloci, mentre il silicio è in grado di garantire la fabbricazione di dispositivi economici. In altre parole, la realizzazione di strutture ibride grafene/silicio promette di soddisfare entrambe le esigenze: elevate prestazioni ed economicità.

Nel campo della sicurezza, i dispositivi proposti potrebbero essere utilizzati per la realizzazione di telecamere in grado di migliorare la visibilità in condizioni critiche, per esempio in presenza di nebbia, da impiegare in vari settori tra cui quello dell’automotive.

Infine, nel campo biomedicale, il dispositivo potrebbe trovare largo impiego nella tomografia a coerenza ottica, una tecnica di imaging per tessuti biologici.



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