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:

• un analizzatore ad alta risoluzione risolto in angolo, adatto sia all’XPS che all’ UPS/ARPES;
• un manipolatore meccanizzato a 5 assi con raffreddamento criogenico;
• sorgenti di raggi X multiple, sia monocromatiche che non-monocromatiche;
• sorgente UV (He I, He II);
• strumenti per la pulizia e per l’analisi di campioni isolanti;
• fast entry con glove-box, permettendo la misura di campioni sensibili all’ossidazione;
• espandibilità ad altre tecniche e compatibilità con altre camere UHV per la crescita in-situ.

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