Dipartimento di Scienza dei Materiali
Singoli atomi metallici confinati nel grafene si sono dimostrati eccezionali catalizzatori per diverse reazioni chimiche e candidati promettenti per applicazioni nella sensoristica di gas. Tuttavia, non è ancora chiaro se la loro attività chimica sia determinata dal tipo specifico di atomo metallico o sia una diretta conseguenza del confinamento stesso.
La nostra attività di ricerca riguarda la caratterizzazione della struttura elettronica dei materiali tramite tecniche di spettroscopia di fotoelettroni. In questi esperimenti i campioni sono esposti a particolari sorgenti di luce monocromatica, come raggi X e UV, al fine di estrarre ed analizzare gli elettroni che compongono il materiale. Gli esperimenti sono realizzati in ambiente di ultra-alto vuoto (UHV, ultra high vacuum) e permettono di indagare con molta accuratezza la superfice dei campioni.
L’utilizzo dei raggi X nella spettroscopia di fotoemissione (XPS, X-ray photoelectron spectroscopy) consente l’identificazione delle specie atomiche sulle superfici e la natura del loro legame chimico. L’XPS è applicabile ad una grande varietà di materiali di interesse applicativo e di ricerca, come semiconduttori, ossidi, celle solari, sensori di gas, superfici funzionalizzate ed altro. Al momento l’XPS è una tecnica fondamentale per la caratterizzazione di materiali in campo fisico, chimico e di scienze dei materiali. Stiamo inoltre studiando come migliorare e velocizzare l’analisi dei dati XPS tramite machine learning.
La spettroscopia elettronica ottenuta tramite radiazione ultravioletta (UV photoelectron spectroscopy, UPS) permette di misurare con estrema precisione la densità degli stati nella banda di valenza, ovvero della regione di energia dove avviene il legame chimico. Questa tecnica è comunemente utilizzata per campioni cristallini, policristallini e per l’analisi di molecole depositate su superfici conduttive. L’utilizzo di un moderno analizzatore elettronico risolto in angolo (ARPES, angle resolved photoelectron spectroscopy) permette inoltre di ottenere la struttura delle bande elettroniche in materiali di grande interesse, come materiali 2D (e.g., grafene), isolanti topologici e superconduttori ad alta temperatura.
Al momento stiamo progettando il sistema XPS-ARPES in modo che possa adattarsi ad un ampio spettro di materiali. Il sistema prevederà:
Considereremo in futuro anche la possibilità di aggiungere facilities per l’analisi di campioni a pressione quasi ambientale (Near Ambient pressure XPS) e per lo studio dei campioni nel bulk tramite l’utilizzo di raggi X duri (Hard X-rays photoelectron spectroscopy, HAXPES).
Prof. Giovanni Drera
I materiali scintillatori emettono impulsi di luce quando sono esposti a radiazioni ionizzanti o a particelle cariche ad alta energia. Oggigiorno, scintillatori sempre più veloci più luminosi sono sempre più ricercati per applicazioni avanzate dove è necessario acquisire dati con un elevato rapporto segnale/rumore in brevi finestre temporali, come per esempio nella tomografia a emissione di positroni a tempo di volo (ToF-PET) per l'imaging del cancro.
Il silicene, una forma di silicio bidimensionale, ha attirato un notevole interesse per il suo potenziale nello sviluppo di tecnologie avanzate. Simile al grafene, presenta una struttura unica che consente agli elettroni di muoversi in modi affascinanti, rendendolo anche compatibile con le tecnologie dei semiconduttori esistenti. Tuttavia, nonostante i progressi nella realizzazione e nello studio del silicene, permangono sfide significative, in particolare nell’identificazione di superfici adatte a supportarne la struttura senza intaccarne le proprietà.
L’elettrochimica combinata con i microorganismi nei cosiddetti sistemi bioelettrochimici microbici può certamente essere un potente strumento per degradare i composti organici nei terreni contaminati e trasformare vari inquinanti in composti innocui. Infatti, la degradazione microbica degli inquinanti può essere potenziata se combinata con metodi elettrochimici. L'applicazione di potenziali esterni può certamente aumentare il degrado accorciando il tempo operativo.
Il nostro gruppo si dedica alla modellizzazione e al design di materiali innovativi che presentano funzionalità promettenti (ad esempio magnetismo, ferroelettricità, multiferroicità, accoppiamenti tra gradi di libertà di spin/carica/orbitale/reticolo), di interesse per innovativi dispositivi spintronici a basso consumo di energia.
Al centro della nostra ricerca vi è l'utilizzo di simulazioni ab-initio basate sulla teoria del funzionale densità, che ci permettono di esplorare le proprietà strutturali, elettroniche, ferroelettriche e magnetiche di questi materiali. A complemento di queste indagini ab-initio, utilizziamo frequentemente approcci basati su Hamiltoniane-modello e analisi di simmetria per ampliare ed approfondire la nostra comprensione.
Il nostro principale interesse è attualmente la modellizzazione di magneti bidimensionali (ad esempio NiI2, CrI3, CrGeTe3), materiali caratterizzati da spessore su scala atomica, che mostrano ordine magnetico a lungo raggio e fenomeni indotti dall’accoppiamento spin-orbita. Un'altra area di interesse riguarda le perovskiti a base di ossidi (ad esempio le manganiti) in particolare quei sistemi caratterizzati da un forte accoppiamento tra gradi di libertà di spin e dipolari, che portano a fenomeni quali multiferroicità e magnetoelettricità.
Studiamo l'origine microscopica di texture magnetiche complesse (ad esempio configurazioni di spin non collineari, non coplanari, elicoidali, skyrmioni, ecc.) e la possibile coesistenza dell'ordine magnetico con fenomeni esotici, come la ferroelettricità, l’ordine di carica o lo splitting di spin nella struttura elettronica dei sistemi di interesse.
La coesistenza di più ordini potenzia le capacità multifunzionali dei materiali, consentendo, ad esempio, la manipolazione dei gradi di libertà di spin tramite l’applicazione di un campo elettrico, una delle sfide principali della spintronica.
Prof.ssa Silvia Picozzi
I dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD) sono una classe versatile di materiali con un immenso potenziale per diversi campi di applicazione, dalla nanoelettronica e ottica ai sensori e alla catalisi. I TMD sono intrinsecamente imperfetti e contengono difetti che incidono in modo significativo sulle loro proprietà. Questi difetti sono spesso considerati dannosi a causa dei loro effetti negativi sulle proprietà di alcuni materiali come la stabilità meccanica e chimica o le alterazioni nel trasporto di carica.