KETS@ISM 2017 Micro-Nano Electronics - Advanced Materials - ISM-CNR
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KETS@ISM 2017
Key Enabling Technologies at
Istituto di Struttura della Materia
Advanced Micro-Nano
Materials Electronics
Nano-
Technology
KETs@ISM 2017 Key Enabling Technologies at Istituto di Struttura della Materia A cura di Maria Rita Bruni, Patrizia Dolce, Franca Rossi e Lorenzo Avaldi
Introduzione Introduction
L’iniziativa europea “KETs Skills Initiative” di The EU “KETs Skills Initiative” Horizon 2020
Horizon 2020 ha selezionato un gruppo di has selected a group of six technologies
sei tecnologie abilitanti (micro e nano- (micro and nanoelectronics,
elettronica, nanotecnologie, biotecnologie nanotechnology, industrial biotechnology,
industriali, materiali avanzati, fotonica e advanced materials, photonics, and
tecnologie di produzione avanzate) che advanced manufacturing technologies) that
trovano una vasta gamma di applicazioni have a wide range of applications such as
come, per esempio, nello sviluppo di developing low carbon energy
tecnologie a bassa emissione di carbonio, technologies, improving energy and
nel miglioramento dell’ efficienza energetica resource efficiency, and creating new
e delle risorse, e nella creazione di nuovi medical products. These technologies have
prodotti medicali. Queste tecnologie hanno huge po-tential to fuel economic growth
un enorme potenziale per alimentare la and create employment.
crescita economica e creare posti di lavoro. The role of the KETs has been recognized
Il ruolo delle KETs è stato riconosciuto da by all the Italian regions in the setting up of
tutte le regioni italiane nello sviluppo dei their Smart Specialisation Strategies, S3,
loro documenti sulle Strategie di which aim to identify new technological
Specializzazione Intelligente, S3, che mirano trajectories for the regional growth by
a individuare nuove traiettorie tecnologiche engaging all the actors of the innovation
per lo sviluppo regionale, mediante il process (Universities, Research Institutions,
coinvolgimento di tutti gli attori del Companies and Trade Associations) and
processo di innovazione (università, istituti exploiting the existing expertise and
di ricerca, aziende ed associazioni di excellence to tackle the main social
categoria) e sfruttando l'esperienza ed challenges.
eccellenza esistenti per affrontare le CNR- Istituto di Struttura della Materia
principali sfide sociali. (ISM) with its staff of 120 people and their
L’Istituto di Struttura della Materia (ISM) del expert-ise can contribute to accelerate the
CNR , con le sue 120 unità di personale e le exploitation of the KETs in the three regions
loro competenze può contribuire ad where the branches of the Institute are
accelerare lo sfruttamento delle KETs nelle located: Lazio (Area della Ricerca - Tor
tre regioni in cui si trovano le sedi Vergata and Area della Ricerca - Monte-
dell'Istituto: Lazio (Area della Ricerca di Tor libretti, Basilicata (Area della Ricerca - Tito
Ve r g a t a e A r e a d e l l a R i c e r c a d i Scalo) and Friuli Venezia Giulia (Area
Montelibretti, Basilicata (Area della Ricerca Science Park, Basovizza).
di Tito Scalo) e Friuli Venezia Giulia (Area Among the six technologies the ones which
Science Park, Basovizza). see the ISM operating at the leading edge
Tra le sei tecnologie abilitanti quelle che of knowledege and innovation are
vedono l’ISM all'avanguardia sia per Nanotechno-logy, Advanced Materials and
l’avanzamento della conoscenza che per le Micro-Nanoelectronics. This booklet
applicazioni innovative sono le nano- collects examples of the established
tecnologie, i materiali avanzati e micro- expertises and the foreseen developments
nanoelettronica. Questo opuscolo raccoglie in these techno-logies by ISM, to provide a
alcuni esempi delle competenze e degli portfolio avail-able to all the people
sviluppi previsti in queste settori da ISM, involved in the innovation process, from the
per fornire un portfolio disponibile a tutte le decision making bodies, the technological
p e r s o n e c o i n v o l t e n e l p ro c e s s o d i districts, the regional and national
innovazione, dagli organi decisionali, i technological clusters, to SME’s and public
distretti tecnologici, i cluster tecnologici and private R&D laboratories.
regionali e nazionali alle PMI e laboratori di
R&S pubblici e privati.
4
Advanced Materials
Advanced
Materials
Nanoparticelle Magnetic
Magnetiche Nanoparticles
Le nanoparticelle magnetiche (MNP) stanno Magnetic nanoparticles (MNP) have
ricevendo molto interesse per diverse attracted much attention as they can be used
applicazioni quali i nuovi magneti permanenti in different applications such as new
a ridotto contenuto di terre rare, il termo- permanent magnets with reduced content of
elettrico avanzato e, dopo opportune funzio- rare earths, advanced thermoelectrics and,
nalizzazioni, la biomedicina (per Imaging, after appropriate functionalization, bio-
ipertermia magnetica e biosensori). Presso medicine (for Magnetic Resonance Imaging,
l’ISM esistono consolidate competenze nella magnetic hyperthermia and biosensors). At
sintesi chimica di MNP a struttura complessa ISM an established expertise is available in
(vedi H2020 Progetto FET Proactive chemical synthesis of MNP with complex
MAGENTA 2017- 2021) quali le NP di ossidi e structures (H2020 FET-Proactive Project
leghe ad alta anisotropia, le NP core/shell MAGENTA 2017-2021) such as oxides and
con bifasi magnetiche (ferro-, ferri- e anti- high anisotropy alloys, magnetic bi-phase
ferromagnetiche) o MNP cave. Tali sistemi core / shell ( Ferro-, Ferri- and
mostrano proprietà magnetiche controllate e antiferromagnetic) or hollow NP. These
riproducibili in quanto, mediante opportune systems exhibit controlled and reproducible
strategie di sintesi, si esercita un rigoroso magnetic properties because, through
controllo sulla composizione chimica, sulla suitable synthetic strategies, a strict control
struttura, sulla dimensione, sulla distri- is obtained on the chemical composition,
buzione di dimensioni e sulla forma, ovvero the structure, the size of the nanostructures,
sui principali fattori strutturali e/o micro- their size distribution and shape, i.e. on the
strutturali che determinano il compor- most important structural and/or micro-
tamento magnetico (anisotropia magnetica, structural properties that determine the
saturazione e coercitività) utile per le magnetic behavior (magnetic anisotropy,
suddette applicazioni. saturation and coercivity) to be exploited for
the above applications.
Staff: Elisabetta Agostinelli, Aldo Capobianchi, Sara Laureti, Davide Peddis,
Alberto Maria Testa, Gaspare Varvaro Contact: nm2@ism.cnr.it
Immagine TEM di nanoparticelle cubiche CoFe2O4 Immagine HR-TEM di nanoparticelle ordinate fct FePt di 12
di dimensione media = 19 nm nm con coercitività pari a 5.5 kOe (Tamb) .
TEM image of cubic CoFe2O4 nanoparticles HR-TEM image of 12 nm fct ordered FePt nanoparticles with
with average size = 19 nm. coercivity of 5.5 kOe (Troom).
1
Advanced
Materials
Film e Eterostrutture Magnetic Films and
Magnetiche Heterostructures
L’ISM svolge una importante attività nel An important activity carried out at ISM is in
campo dei film sottili ed eterostrutture the field of magnetic thin films and hetero-
magnetiche di interesse per applicazioni in structures for technological applications such
settori quali l'immagazzinamento dati, la sen- as data storage, sensors, biomedicine. The
soristica, la biomedicina. Studi recenti sono most recent studies are directed to systems
rivolti a sistemi per dispositivi spintronici di for the next generation spintronic devices
nuova generazione (basati su materiali (based on antiferromagnetic materials and/or
antiferromagnetici e/o ossidi metallici come metal oxides as active elements), by
elementi attivi), di cui si studiano gli effetti di addressing, in particular, the interface effects
interfaccia e di confinamento spaziale. in hetero-structures and size confinement.
L'attività di ricerca si estende dalla fabbri- The research activity spans over the pro-
cazione di materiali innovativi ingegnerizzati duction of engineered advanced materials
su scala nanometrica, alla comprensione dei modulated at the nanoscale, through the
processi che governano le proprietà fisiche e understanding of the processes governing
alla loro correlazione con le caratteristiche the physical properties and their correlation
morfo-strutturali. Mediante la tecnica di PLD with morphological and structural features.
si depositano leghe metalliche (es. CoFe, By the PLD technique, metal alloys (eg.
CoPt, FeNi), ossidi magnetici (es. CoO, NiO, CoFe, CoPt, FeNi), magnetic oxides (eg.
CoFe2O4) multistrati con accoppiamento di CoO, NiO, CoFe2O4) and exchange coupled
scambio all’interfaccia (es. CoFe/NiO, CoPt/ multilayers (eg. CoFe/NiO, CoPt/NiO) are
NiO); tecniche magnetometriche avanzate (in deposited; advanced magnetometric
funzione del campo, temperatura e angolo) measurements (as a function of the field,
vengono applicate per ottimizzare le pro- temperature and angle) are applied to
prietà magnetiche e magnetoresistive di tali optimize the magnetic and magnetoresistive
materiali in funzione della loro applicazione. properties of such materials in view of their
technological application.
Staff: Elisabetta Agostinelli, Aldo Capobianchi, Sara Laureti, Davide Peddis,
Alberto Maria Testa, Gaspare Varvaro Contact: nm2@ism.cnr.it
Immagini TEM Bright field (a) e HR-TEM (b) di strati Cicli di isteresi del film CoFe (100) misurato mediante
sottili CoFe(100) altamente orientati, depositati a VSM vettoriale a temperatura ambiente, in funzione
temperatura ambiente mediante Pulsed Laser dell’angolo di applicazione del campo magnetico.
Deposition. Vector-VSM hysteresis loops at room temperature of
Bright field TEM (a) and HR-TEM (b) images of a higly a CoFe (100) as a function of the angle of the applied
textured CoFe (100) thin layer deposited at room field.
temperature by Pulsed Laser Deposition.
2Advanced
Materials
Nanotubi di Carbonio e Carbon Nanotubes and
Grafene graphene
I nanocompositi a base di NanoTubi di Nanocomposites based on Carbon Nano-
Carbonio (CNTs) e nanoparticelle (NPs) Tubes CNTs and metal or metal alloy nano-
metalliche o di leghe metalliche distribuite particles (NPs) distributed inside or outside
all’interno o all’esterno delle cavità dei CNTs the cavity of CNTs and graphene can be
e il grafene possono essere utilizzati in used in different fields such as catalysis (for
diversi campi come la catalisi (per la loro their large surface area), electronics (the NPs
ampia superficie), l’elettronica (le NPs alter the electronic properties), drug deli-
modificano le proprietà elettroniche), il drug very, tips for scanning probe microscopies,
delivery, le punte per scanning probe etc.
microscopies. The expertise in the synthesis of such
Da oltre un decennio nell’ISM si è consolidata systems has been established at ISM since a
una competenza nella sintesi di tali sistemi, decade. The synthesis is carried out at low
mediante la sintesi effettuata a bassa temperature, thus it can also be easily
temperatura che può essere facilmente extended to organic molecules such as dyes
estesa per inserire anche molecole organiche and drugs. This method also allows the filling
come coloranti e farmaci. Il metodo, inoltre, of any type of cavity, including ordered
consente il riempimento di qualunque tipo di nanocavities on a substrate.
cavità, anche ordinata su un substrato. More recently the synthesis of graphene
Più di recente è stata sviluppata la sintesi di oxide was also developed starting from
grafene ossido, partendo da grafite e graphite and applying the same techniques,
applicando tecniche quali la liofilizzazione dei such as freeze-drying of products, we have
prodotti, da noi sviluppata e introdotta nel developed and introduced since 2007 for
2007 per i CNTs. Questa tecnica permette di CNTs. This technique allows to obtain
ottenere un grafene ossido e un grafene graphene oxide and, starting from this
ridotto con altissima superficie per grammo product, a reduced graphene with a
(600 m2/g). remarkably high value of surface area per
gram (600 m2/g).
Staff: Aldo Capobianchi, Paolo Rocchi. Contact: aldo.capobianchi@ism.cnr.it
CNTs riempiti con NPs di FePt e ricoperti di NPs di
Ru. GO ottenuto per liofilizzazione e decorato con NPs di
magnetite (Fe3O4).
CNTs filled with FePt NPs and decorated with Ru NPs GO obtained by freez end dry and decorated with
megnetite NPs (Fe3O4)
3Advanced
Materials
Nanoparticelle come Nanoparticles as ultra-
nuovi sensori ultra- responsive sensor
sensibili devices
Il gruppo di ricerca del laboratorio EFSL The Eurofel Support Laboratory research
(Eurofel Support Laboratory) sta effettuando team is performing studies on the com-
studi su strutture plasmoniche (nanopar- bination of plasmonic structures (nano-
ticelle) combinate con strutture eccitoniche particles) with excitonic underlying structures
quali nanofili e aggregati organici. La ricerca such as nanowires and organic aggregates.
in questo campo può portare alla scoperta di Research in this field can lead to the
materiali avanzati con proprietà ottiche discovery of advanced materials with unique
uniche grazie al forte accoppiamento tra le optical properties due to the strong coupling
strutture plasmoniche ed eccitoniche between the plasmonic and excitonic
(plexiton). L'attività di ricerca di EFSL è anche (plexitonic) structures. The Eurofel Support
coinvolta nel campo delle nanostrutture Laboratory research activity is also involved
magneto-plasmoniche. Questi materiali sono in the field of magneto-plasmonic
in grado di potenziare gli effetti magneto- nanostructures. These materials enhance the
ottici, che forniscono ulteriori gradi di libertà magneto-optical effects, which introduce
nel controllo della luce su scala nanometrica, additional degrees of freedom in the control
permettendo di progettare nuovi sensori of light at the nano-scale, allowing to design
ultra-sensibili. new ultra-responsive sensor devices.
Staff: D. Catone, S. Colonna, P. O’Keeffe, A. Paladini, F. Toschi, S. Turchini
Contact: daniele.catone@ism.cnr.it
4Advanced
Materials
Artificial
Fotosintesi Artificiale Photosynthesis
Trasformare direttamente l'energia solare in Direct conversion of solar energy into
un combustibile chimico permetterebbe di chemical fuel is a primary objective in the
affrontare in modo efficace e sostenibile la endeavor to address the globally growing
crescente richiesta mondiale di energia. energy demand in a sustainable way. This
Questo processo è pulito, non produce gas process is clean and carbon neutral, and a
serra e consente di immagazzinare grandi relevant amount of chemical energy can be
quantità di energia per usarla dove e quando stored and used when needed. A techno-
è più conveniente. Una tecnologia di questo logically relevant approach to the solar-to-
tipo prende il nome di fotosintesi artificiale: chemical energy conversion process is
un processo che imita la natura per mezzo di referred to as artificial photosynthesis, which
materiali prodotti dall'uomo. L'ISM è attivo aims to emulate natural processes using
nella sintesi di materiali avanzati che man-made materials. ISM is able to synthes-
catalizzano la produzione di idrogeno o di ize advanced nanomaterials which catalyze
altri combustibili chimici usando energia the production of hydrogen or other chem-
rinnovabile. Questi catalizzatori sono pro- ical fuels from renewable energy resources.
dotti con metodi elettrochimici o usando Active catalysts are prepared by using
processi fotolitici innovativi basati su impulsi electrochemical techniques as well as
laser ultraveloci. I materiali così prodotti sono innovative photolytic processes based on
sottoposti a studi approfonditi, basati su ultrafast laser pulses. ISM can also perform
radiazione di sincrotrone, spettroscopia an in-depth investigation of the physical and
ultraveloce e simulazioni ab initio, che ne chemical properties of such materials, based
caratterizzano le proprietà chiave sia chimi- on synchrotron radiation, ultrafast spectro-
che sia fisiche. scopy and ab initio simulations
Staff: G. Mattioli, F. Filippone, P. O'Keeffe, A. Paladini, A. Santagata, F. Toschi
Contact: giuseppe.mattioli@ism.cnr.it
Schema di funzionamento di una “foglia artificiale” Spettroscopia EXAFS di due catalizzatori per
per la produzione di idrogeno (vedi D. G. Nocera, l'ossidazione dell'acqua a base di ossido di
“The Artificial Leaf” Acc. Chem. Res. 2012, 45, 767) manganese (vedi G. Mattioli et al. J. Am. Chem. Soc.
2013, 135, 15353; J. Am. Chem. Soc. 2015, 137,
10254)
5Advanced
Materials
Elettroni nei Electrons in
nanomateriali nanomaterials
Il comportamento degli elettroni nei nano The electronic behavior in nano-materials
materiali, molto differente da quello nei gives rise to novel electronic, magnetic and
corrispondenti solidi tridimensionali, determi- spintronic properties of high applicative
na nuove proprietà elettroniche, magnetiche potential without counterpart in the corres-
e spintroniche con alto potenziale applica- ponding three-dimensional solids.
tivo. La linea di luce VUV-Photo-emission ad The VUV-Photoemission beamline at Elettra
Elettra (Trieste), gestita da personale (Trieste) is an ISM facility that supports
dell’ISM, è stata concepita come una facility experimental activities of CNR, Italian and
d i s u p p o r t o a l l e a t t i v i t à d i r i c e rc a international research groups in the field of
sperimentale del CNR e dell’utenza italiana the electronic structure of nano-materials.
ed internazionale nel campo della struttura Synchrotron light is employed to probe with
elettronica dei nano materiali. Tramite high energy and angular resolution the
l’impiego di luce di sincrotrone si effettuano electronic bands, Fermi surface and core
mappature ad alta risoluzione energetica ed levels over a broad photon energy range.
angolare delle bande elettroniche e della These studies provide the fundamental
superficie di Fermi, così come dei livelli relations linking the electronic behavior of
elettronici profondi. Queste informazioni nano-materials and their macroscopic
consentono di determinare ad un livello functional properties. Systems of particular
fondamentale la relazione tra il compor- interest are graphene and other two-
tamento elettronico e le proprietà funzionali dimensional materials, as well as films with
macroscopiche di nano materiali quali high exchange and spin-orbit interactions.
graphene e altri sistemi bidimensionali, film
magnetici e ad alto accoppiamento spin-
orbitale.
Staff: Paolo Moras, Polina Sheverdyaeva Contact: paolo.moras@ism.cnr.it
Evoluzione della struttura a bande del graphene sul Superficie di Fermi di un film cristallino di cobalto
renio con intercalazione di argento cresciuto su un substrato di tungsteno
Electronic band structure of graphene on renium Fermi surface of a crystalline cobalt film gronw on a
upon silver intercalation tungsten substrate
6Advanced
Materials
Studi in-situ di celle In situ studies of
solari organiche organic solar cells
La ricerca di nuove fonti rinnovabili di energia In the search for novel renewable energy
ricopre un ruolo sempre più rilevante e un sources an increasing interest is devoted to
crescente interesse è rivolto allo sviluppo di the development of innovative photovoltaic
nuovi sistemi fotovoltaici, in grado di con- systems able to convert solar energy into
vertire l’energia solare in corrente elettrica. Le electricity. Organic photovoltaic devices
celle solari organiche (OPV) promettono un (OPV) are very promising for their low fabrica-
basso costo di realizzazione, un minimo tion cost, low environmental impact and
impatto ambientale e una elevata flessibilità. Il elevated flexibility. The research group at ISM
gruppo di ricerca dell’ISM si avvale di tecniche applies non-conventional in-situ charac-
di caratterizzazione in-situ per controllo su terization tools to control, at the nanometer
scala nanometrica delle proprietà e della scale, the properties and stability of the
stabilità dei materiali organici costituenti i organic materials constituting the active
dispositivi al fine di una migliore compren- elements of the devices, aiming at a deeper
sione dei processi associati alla conversione understanding of the processes associated
energetica ed all'invecchiamento, alla base with the energetic conversion and the device
dello sviluppo di nuove strategie di aging, a knowledge that is the basis of novel
realizzazione. Ad esempio, gli studi effettuati realization strategies. As an example, the
presso ISM mostrano come l’introduzione di studies performed at ISM show that the
nanoparticelle plasmoniche nello strato introduction of plasmonic nanoparticles inside
fotoattivo permetta di migliorare non solo the photoactive layer of OPV devices allowing
l‘efficienza ma anche la stabilità del dispo- for an enhancement of the device efficiency
sitivo, preservando più a lungo nel tempo le also produces an improvement of the cell
performance fotovoltaiche. stability, allowing for better preservation of
the photovoltaic performances over time.
Staff: Barbara Paci, Amanda Generosi, Valerio Rossi Albertini, Marco Guaragno
Contact: barbara.paci@ism.cnr.it
Controllo su scala nanometrica delle proprietà di Nanoscale control of bulk, surface and
interfaccia, di superfice e di bulk di celle OPV. interface properties of OPV devices.
7Advanced
Materials
Nuovi Coloranti “Smart” New Smart Dyes
Sono stati sviluppati nuovi materiali coloranti New environmentally sustainable and non-
sostenibili, con proprietà ottiche ed hazardous dyes containing non-rare and non-
elettroniche, ottenuti con elementi non rari e toxic elements have been developed with
non tossici o comunque non pericolosi per optical and electronic properties, materials
l’ambiente; materiali per tecnologie for photovoltaic technologies as DSSC (dye-
fotovoltaiche DSSC (dye-sensitized solar sensitized solar cells), organic (OPV) Bulk
cells), organiche (OPV) Bulk Hetero Junction Hetero Junction (BHJ) or Layer by Layer solar
(BHJ) o Layer by Layer; materiali basati su cells; materials based on organic-inorganic
perovskiti ibride organi-che-inorganiche con hybrid perovskites with reduced or zero lead
ridotto o nullo contenuto di piombo, per content, for photovoltaic cells (PSCs)
celle (PSCs) fotovoltaiche anche in potentially in a polymer/perovskite hybrid
configurazione ibrida polimero/perovskite; configuration; solar absorption range-
materiali in grado di ampliare il range ed enlarging and charge separation-optimizing
ottimizzare l’assorbimento solare (LSC, materials (LSC, luminescent solar concen-
luminescent solar concentrators and PNP trators and PNP plasmonic nano-particles)
nanoparticelle plasmoniche) e la separazione both more stable and more robust, suitable
della carica e che siano al contempo più to be engineered in multiple-junction
stabili, più robusti, e ingegnerizzabili in configurations; metal π-conjugated macro-
configurazioni a giunzione multipla; composti cyclic compounds as potential catalytic
metallo macrociclici π-coniugati come systems or redox mediators or electrode
potenziali sistemi catalitici o mediatori redox materials for the replacement of expensive
o materiali elettrodici per la sostituzione di or non-environmental friendly catalysts or
catalizzatori/materiali elettrodici costosi o electrode materials, for hydrogen and/or
non ambientalmente compatibili per la chemicals production via photo/bio/
produzione di idrogeno e/o chemicals per via electrochemical routes and in generic terms
foto/bio/elettrochimica e più in generale per for the "biorefineries“ field.
il campo delle "bioraffinerie“.
Staff: Gianna Pennesi, Anna Maria Paoletti, Nicola Angelini, Gloria Zanotti, Sara Notarantonio
Contact: gianna.pennesi@ism.cnr.it
Polveri microcristalline di coloranti basati su metallo- Absorption scketch of an organic dye onto TiO2 in a
macrocicli. Dye Sensitized Solar Cell.
Different microcrystalline dye powders based on Schema dell’assorbimento di un colorante organico su
metalmacrocycle compounds. TiO2 per Celle solari a colorante
8Advanced
Materials
Additive-Manufacturing Additive-Manufacturing
di metalli of metals
L’Additive Manufacturing (AM) o stampa 3D Additive Manufacturing (AM) or 3D printing of
di componenti metallici rappresenta uno dei metallic components is one of the most
sistemi avanzati di manifattura che, per le sue promising advanced methods of manufac-
enormi prospettive future di sviluppo e alta turing for products of the future. The guideline
sostenibilità ambientale, viene continuamente documents of the European Commission
richiamato nei documenti di indirizzo della always refer to this technology for its
Commissione Europea. La tecnologia si basa enormous perspectives in being developed for
maggiormente sulla scansione di un fascio both its environmental sustainability and ability
laser che, agendo su un letto di polveri aventi in realizing new kinds of products. This
composizione e forma controllata, permette technology is based on the scanning of a laser
la costruzione, strato a strato, di componenti beam which acting on a powder bed of
a geometria anche molto complessa. L’ISM material with defined composition and shape,
con le sue competenze sulla interpretazione, can assemble, layer-by-layer, very complex
modelling e caratterizzazione dell’interazione components. ISM, thanks to its skills in
laser-materia è coinvolta nella ricerca di nuovi deducing and modelling the laser-matter
materiali e nella determinazione dei fenomeni interaction processes, it is involved in research
che governano la formazione delle difettività activities aiming to design new materials as
indotte durante il processo. Le attività e well as determining the processes inducing the
metodologie di ricerca adottate hanno messo formation of defects. All activities and
in evidenza come tali componenti presentino methodologies of research used in this field
proprietà micro-strutturali e difettive legate, have highlighted that micro-structural and
prevalentemente, ai gradienti termici che defect features are strongly connected to
entrano in gioco e che possono determinare thermal gradients occurring during the AM’s
sia lo sviluppo di nuovi sistemi e strutture che process which can affect both, system and
il loro specifico campo di applicazione. geometries to be developed and their specific
application field.
Staff: P. Dolce, A.Guarnaccio, M.L.Pace, D. Mollica, G.P.Parisi, A. Santagata
Contact: antonio.santagata@ism.cnr.it
Tipica microstruttura di un componente in acciaio Immagine estratta da / Figure from:
316L ottenuto per AM. Additive Manufacturing in FP7 and Horizon 2020 -
Typical microstructure of an 316L steel item printed Report from the EC Workshop on Additive
by AM Manufacturing
June 18th, 2014 – Brussels (Belgium)
9Advanced
Materials
Fotovoltaico Organico Organic Photovoltaics
Le attività di sintesi di sistemi π-coniugati a The synthesis of π-conjugated thiophene-
base tiofenica e la caratterizzazione strutturale based systems and the structural and
e funzionale dei relativi oligomeri presentano functional characterization of oligomers have
ampie prospettive di sviluppo per diverse broad prospects of development for several
applicazioni ad alto contenuto tecnologico. La high-tech applications. The polymerization of
polimerizzazione di tali oligomeri su superfici these oligomers on metal surfaces both in
metalliche sia in forma monocristallina o di monocrystalline form or nanoparticles,
nanoparticelle, costituisce una strategia represents a bottom-up strategy for the
bottom-up per la preparazione di materiali preparation of innovative materials for pho-
innovativi per la fotonica, l'optoelettronica e le tonics, optoelectronics and nanotechnology in
nanotecnologie in cui l’ISM è coinvolto. which ISM is involved. Specific charge
Specifiche proprietà di trasporto di carica in tali transport properties in such systems are highly
sistemi dipendono fortemente dal controllo dependent on their morphology on the
della morfologia del sistema sulla nanoscala e nanoscale and require accurate theoretical and
richiedono pertanto accurati studi teorici e experimental studies. In organic photovoltaics
sperimentali. Per applicazioni nel fotovoltaico applications, for example, the materials are
organico, ad esempio, i materiali sono characterized in great detail by both the laser
caratterizzati in grande dettaglio con la spectroscopy, with temporal resolution of fs
spettroscopia sia laser, con risoluzione (Pump & Probe), and the high resolution
temporale del fs (Pump & Probe), che NEXAFS, NEXAFS, XPS and PES spectroscopies with
XPS e PES ad alta risoluzione con luce di synchrotron radiation, in either solid or
sincrotrone, in fase solida o gassosa, mediante gaseous phase, using the facilities available in
le facilities disponibili in istituto o gestite the institute or managed by the ISM at the
dall'ISM presso il sincrotrone ELETTRA di synchrotron Elettra in Trieste.
Trieste. Le misure ottiche sono assistite da Optical measurements are assisted by ab initio
simulazioni ab initio che descrivono le proprietà simulations that describe the properties of
dei sistemi su scala atomica e favoriscono atomic-scale systems and facilitate the
l'interpretazione degli spettri. interpretation of the resulting spectra.
Staff: Ambra Guarnaccio, Giuseppe Mattioli, Marcello Coreno, Cesare Grazioli,
Monica de Simone (CNR-IOM), Antonio Santagata
Contact: ambra.guarnaccio@ism.cnr.it
Synthesis of π-conjugated thiophene-based systems : In house Pump & Probe experimental setup: detail of
detail of one preparation step related to DTBT the cuvette containing DTBT sample during the
compound sketched in the top rigth side. experiment.
10Advanced
Materials
Biomateriali per Biomaterials for
Ingegneria Tissutale e Tissue and Genetic
Genetica Engineering
L’obiettivo della ricerca consiste nello sviluppo The aim of the research is the development
di sistemi e nanomateriali intelligenti per of smart nanobiomaterials and systems for
l'ingegneria tissutale nel settore biomedico, tissue and genetic engineering for biomed-
attraverso l’uso di nanotecnologie e ingegneria icine. New advanced design strategies for
genetica. Ci si prefigge di proporre strategie tissue regeneration and patients faster
innovative volte alla rigenerazione dei tessuti e rehabilitation will be elaborated. Novel
riabilitazione dei pazienti. I nuovi materiali - biomaterials – biomedical cements and
cementi biomedici e ricoprimenti per impianti coatings for bone implants – should improve
e protesi ossee – hanno lo scopo di migliorare the mechanical and biochemical character-
le caratteristiche meccaniche e biochimiche e istics of the damaged host hard tissue and,
al contempo stimolare localmente microam- at the same time, stimulate the physiological
bienti fisiologici. Tra i diversi tipi di materiali environment. Among the various proposed
studiati per realizzare i supporti che devono biocompatible and/or resorbable materials, a
rispondere alle caratteristiche di biocom- particular attention is given to bioactive
patibilità e/o riassorbibilità, particolare interes- glass-ceramics and substituted calcium phos-
se rivestono i vetro-ceramici bioattivi e i calcio phates. Innovative glass-ceramic materials,
fosfati. Materiali ceramici di concezione used as scaffolds, cements and coatings, are
innovativa, utilizzati in forma di rivestimento o able to form bonds with the host tissue,
in forma massiva, sono in grado di legarsi a stimulating cells proliferation and differe-
tessuti, stimolando processi di proliferazione, ntiation and angiogenesis.
differenziamento cellulare e angiogenesi.
Staff: Julietta Rau, Marco Fosca, Valerio Graziani, Angela De Bonis, Adriana De Stefanis,
Sara Laureti, Antonio Santagata, Roberto Teghil
Contact: giulietta.rau@ism.cnr.it
Scaffold microstructure for bone tissue engineering Dicalcium phosphate dehydrate powders
11Advanced
Materials
Liquidi Ionici: tecnologia Ionic Liquids: a high
ad alto impatto impact technology
I liquidi ionici (LI) sono composti formati da Ionic Liquids (ILs) are composed solely of
specie ioniche che sono liquide a 25°C. ionic species and are liquid at 25°C.
Questi solventi neoterici, a limitata impronta These neoteric solvents show limited en-
ambientale, sono estremamente versatili e vironmental footprint, are extremely versatile
trovano applicazioni in campi ad alto and find application in a wealth of high
impatto. impact fields.
Da anni il gruppo è attivo sulla raziona- Since many years, our group is actively
lizzazione e ottimizzazione delle proprietà involved in R&D focused at rationalising and
macroscopiche dei LI in termini delle loro optimising ILs’ macroscopic properties in
caratteristiche micro- e meso-scopiche. terms of their micro- and meso-scopic
Esempi di applicazione dei LI sono: features.
- Trattamento delle biomasse (p.e. estra- Typical applications for ILs are:
zione di aromi, dissoluzione di cellulosa e - Biomass treatment (aroma extraction,
simili etc.); cellulose dissolution etc.);
- Cattura di gas (CO2, SO2 etc.) - Gas capture (CO2, SO2, etc.)
- Estrazione di metalli pesanti (Hg, Cd, etc.) - Heavy metal extraction (Hg, Cd etc.)
- Sintesi ed estrazioni a basso impatto - Synthesis and extraction at low
ambientale. environmental impact.
In questi settori, i LI riescono a fornire In these fields ILs promise to provide more
soluzioni tecnologiche più efficienti ed eco- efficient and eco-sustainable alternatives to
sostenibili rispetto ad approcci più conven- conventional approaches.
zionali.
Staff: Alessandro Triolo Contact: alessandro.triolo@ism.cnr.it
Simulazione atomistica che descrive la co-presenza di Esempio della capacità dei LI di dissolvere cellulosa.
composti ionici, alchilici e fluorurati in un liquido ionico. (sin-> des): Cellulosa cristallina, LI puro e miscela
Atomistic simulation describing the co-presence of omogenea di cellulosa nel LI.
ionic, alkyl and fluorinated compounds in a IL system. Example of IL’s capability to fully dissolve cellulose.
Triolo et al. ChemPhysChem, 16, 3325 (2015) (Left->Right): cryst. Cellulose, neat IL and
homogeneous mixture of Cellulose in IL.
12Advanced
Materials
Black Diamond Films
Gli strati sottili di black diamond sviluppati Black diamond films developed by ISM
dai ricercatori ISM rappresentano un nuovo researchers represent an appealing new
materiale estremamente interessante, material obtained by the use of ultrashort
ottenuto mediante l’uso di laser a impulsi laser pulses. They show outstanding
ultracorti. Il materiale mostra straordinarie capabilities of absorbing sunlight (up to 98%)
capacità di assorbimento della radiazione at the same time maintaining all the peculiar
solare (fino al 98%) mantenendo al contempo charge transport properties for which CVD
le proprietà di trasporto di carica del diamond is well-known. The very high solar
diamante CVD. La elevatissima assorbanza absorptance is induced by a subwavelength
solare è indotta da una tessitura della super- surface texturing which in turn induces a
ficie, causa a sua volta di fotogenerazione di significant increase of charge photo-
carica anche per fotoni di energia inferiore generation at sub-bandgap photon energies.
alla bandgap del diamante. Queste proprietà These properties enable black diamond to
permettono al black diamond di essere be legitimately considered to fall within the
considerato legittimamente come uno dei groundbreaking scientific topic of inter-
semiconduttori a banda intermedia, di mediate band semiconductors, interesting
notevole interesse per applicazioni foto- for PV applications.
voltaiche. L’utilizzo delle proprietà fisiche The use of the extreme physical properties
estreme del diamante CVD, combinato a of CVD diamond combined to an active
un’interazione efficiente con la luce solare, interaction with sunlight opens a broad
apre la strada a un ampio numero di range of solar applications requiring also
applicazioni, che richiedono capacità di operational capability at high temperature
operare ad alte temperature e/o in ambienti and resistance in harsh environments. In
ostili. Nello specifico, la diretta applicazione particular, our specific aim is to use black
del materiale è per celle solari ad alta diamond for future high-temperature solar
temperatura e per assorbitori selettivi in cells and efficient selective absorbers for
sistemi a concentrazione. solar concentrating systems.
Staff: A. Bellucci, M. Girolami, S. Orlando, R. Polini, V. Valentini, D.M. Trucchi
Contact: daniele.trucchi@ism.cnr.it
Black diamond films as a function of the ultrashort- Microstructure of the black diamond surface
pulse laser treatment dose responsible for the optical and electronic properties
13Advanced
Materials
2D Transport of
Hydrogenated Diamond Films
Il diamante esibisce caratteristiche intrinsiche Diamond exhibits intrinsic semiconducting
da semiconduttore che lo rendono il materiale characteristics that make it the ideal material
ideale per la fabbricazione di dispositivi a stato for fabrication of high-frequency high-power
solido per alta frequenza e/o alta potenza. solid state devices.
L’idrogeno forma sulla superficie del diamante Hydrogen on diamond surface forms a dipole
un dipolo che trasforma il suo comportamento that turns the diamond electrical insulating
da isolante in un conduttore di tipo p. behavior into a p-type conductor. The
La natura peculiare del trasporto di carica peculiar nature of the H-induced charge
indotto dall’idrogeno è tipico di un gas quasi transport is characteristic of a quasi 2D hole
bidimensionale di lacune, che permette lo gas transport produced in a 3D semi-
sviluppo di dispositivi elettronici semplici dal conductor that enables the development of
punto di vista tecnologico e altamente technologically-simple electronic devices
performanti. Infatti, canali conduttivi di tipo p characterized by very high performance.
hanno permesso lo sviluppo di MESFET a Indeed, p-type conducting channels led to
canale superficiale con frequenze operative develop surface-channel MESFETs with an
fino a 120 GHz. Il sistema diamante idrogenato operating frequency up to 120 GHz. The
può essere usato anche per produrre sensori di hydrogenated diamond system can also be
gas e sensori bioelettrochimici. Il pieno used for producing high-performance gas
sfruttamento per applicazioni commerciali si and bio-electrochemical sensors.
basa sulla comprensione, a livello micro- The full exploitation for commercial appli-
scopico, del meccanismo alla base dell’ cations relies upon the understanding at a
aumento della conducibilità elettrica, che microscopic level of the basic mechanism
dipende strettamente dai dettagli della enhancing the surface conductivity, strictly
struttura elettronica, questione ancora oggi depending to details of the electronic
sfuggente. structure that remains up to now elusive.
Staff: S. Iacobucci, P. Alippi, A. Bellucci, M. Girolami, D.M. Trucchi
Contact: stefano.iacobucci@ism.cnr.it
Ricostruzione dei dettagli della struttura elettronica del diamante idrogenato mediante metodi di
simulazione e metodi sperimentali spettroscopici (angle-resolved photoelectron spectroscopy – ARPES @
Elettra)
14Advanced
Materials
Thin-films for
Thermoelectric Power Generation
Il progressivo esaurimento di risorse di The progressive shortage of natural energy
energia presenti in natura ha innalzato resources has raised to general attention the
l’attenzione verso la necessità di un uso need for a rational use of energy itself and
razionale dell’energia stessa per un suo also, where possible, for its efficient
efficente “riciclaggio”. Ecco perchè grandi recycling. That is why many efforts have
sforzi sono rivolti al riutilizzo del calore been directed towards the possible re-use of
residuo da processi industriali. Ciò ha indotto waste heat from industrial processes. This
l’interesse per lo sviluppo di materiali triggered a great interest in the develop-
termoelettrici efficienti, capaci di convertire il ment of efficient thermoelectric materials,
calore potenzialmente perso in energia able to convert the heat potentially lost into
elettrica. electrical power.
L’ISM sta lavorando per migliorare le pro- ISM is working to improve the thermoelectric
prietà termoelettriche in un intervallo di properties for applications in the range of
temperatura tra 30 e 500 °C di differenti temperatures of 30 - 500 °C of different
materiali calcogenuri (e.g. tellururi) e di chalcogenide materials (e.g. tellurides) as
antimoniuro di zinco, un materiale atossico, well as non-toxic, abundant, and low-cost
abbondante e a basso costo. zinc antimonide (ZnSb).
Lo sviluppo di strati sottili di materiali The development of thermoelectric thin-films
termoelettrici è in corso sia con tecniche is being carried out both with standard
standard, come il magnetron sputtering, sia techniques like magnetron sputtering, and
mediante soluzioni avanzate, come la with advanced solutions like nanosecond or
deposizione da laser pulsato al nanosecondo femtosecond laser pulsed deposition, nat-
e al femtosecondo, in grado di nanostrut- ively nanostructuring the materials.
turare nativamente i materiali.
Staff: A. Bellucci, M. Girolami, M. Mastellone, L. Medici (IMAA), S. Orlando, R. Polini,
D.M. Trucchi Contact: daniele.trucchi@ism.cnr.it
Thermoelectric thin-films for aerospace, automotive, Nanostructure of PLD-developed thermoelectric film.
solar power generations
15Advanced
Materials
Nuovi materiali emergenti New emerging materials
per l’illuminazione for lighting
Il laboratorio EFSL (Eurofel Support The Eurofel Support Laboratory is equipped
Laboratory) è dotato di un sistema laser a with a femtosecond laser system and with
femtosecondo e di tecniche spettroscopiche advanced spectroscopic techniques which
avanzate che consentono al gruppo di ricerca allow the research team to investigate the
di indagare le dinamiche ultraveloci in molti ultrafast dynamics in many materials. These
materiali. Queste tecniche sono parti- techniques are particularly interesting in the
colarmente interessanti per lo studio della study of the dynamics of perovskites and
dinamica delle perovskiti e dei polimeri che polymers which form the basis of recently
costituiscono la base delle recenti tecnologie emerging organic solar cell and O-LED
emergenti nel campo delle celle solari technologies. By measuring the ultrafast
organiche e degli O-LED. Misurando il charge transfer and propagation in the first
trasferimento di carica ultraveloce e la sua picoseconds after excitation it is possible to
propagazione nei primi picosecondi dopo understand the mechanisms that regulate
l'eccitazione è possibile comprendere i the efficiency of these devices and provide
meccanismi che regolano l'efficienza di questi important information for the design of new
dispositivi e fornire importanti informazioni and more efficient materials.
per la progettazione di nuovi e più efficienti
materiali.
Staff: D. Catone, P. O’Keeffe, A. Paladini, F. Toschi, S. Turchini
Contact: francesco.toschi@ism.cnr.it
16Micro-Nano Electronics
Micro-Nano
Advanced
Electronics
Materials
Nanoantenne per Nanoantennas for high
sensori spettroscopici efficient spectroscopic
ad alta efficienza sensors
Il gruppo di ricerca del laboratorio EFSL The Eurofel Support Laboratory research
(Eurofel Support Laboratory) sta lavorando team is working on a number of candidates
su una serie di candidati per sensori avanzati. for advanced sensors. In particular, the use of
In particolare, l'utilizzo di nanostrutture metal nanostructures as nanoantennas for
metalliche come nanoantenne per la concen- the concentration of light allows a huge
trazione di luce, permette un enorme increase in the efficiency of standard
aumento dell'efficienza di sensori spettro- spectroscopic sensors such as those based
scopici standard come quelli basati su Raman on Raman scattering (Surface Enhanced
(Surface Enhanced Raman Scattering - SERS) Raman Scattering - SERS) and infrared
e assorbimento infrarosso (Surface Enhanced absorption (Surface Enhanced Infrared
Infrared Absorption - SEIRA). Le tecniche di Absorption - SEIRA). The ultrafast spectro-
spettroscopia ultraveloce disponibili in EFSL scopic techniques available in the Eurofel
consentono al gruppo di ricerca di ottimiz- Support Laboratory allow the research team
zare tali sensori mediante l'uso di materiali to optimize such sensors by the use of novel
innovativi quali nanofili decorati con nano- materials such as nanoparticle decorated
particelle metalliche. nanowires.
Staff: D. Catone, P. O’Keeffe, A. Paladini, F. Toschi, S. Turchini
Contact: alessandra.paladini@ism.cnr.it
1
19Micro-Nano Electronics Sensori nanomeccanici Nanomechanical sensors per sicurezza ambientale for environmental and ed alimentare food safety Lo studio della sicurezza ambientale ed The field of environmental and food safety alimentare si sta indirizzando verso i dispo- has recently moved towards the use of sitivi nanostrutturati grazie allo sviluppo di nanostructured devices, mainly due to new nuove tecnologie, capaci di determinare technologies capable of rapid determination precocemente la presenza di inquinanti of chemical and biological pollutants. chimici o biologici. Tra questi dispositivi, i Among these devices, the nanomechanical sensori nanomeccanici (NMS) stanno acqui- sensors (NMS) are growing in importance: sendo una importanza crescente: grazie alla due to their sensitivity and versatility they loro sensibilità e versatilità permettono di can be used to identify very small reagent identificare rapidamente anche piccole concentrations in liquid or in air. For instance, concentrazioni di reagenti in ambiente the presence of molecules on one side of a liquido e in aria. Ad esempio, la presenza di NMS produces a static deflection of the molecole su una faccia di un NMS provoca system, whose amplitude depends on the una sua deflessione statica, la cui ampiezza concentration and kind of molecule attached. dipende dal numero e proprietà delle stesse. This allows the detection of ppb of target Questo permette il riconoscimento di ppb di molecules in air environment. molecole target. Miniaturizzando e paral- By miniaturizing and parallelizing these lelizzando tali dispositivi, si possono devices, new technological devise can be sviluppare sistemi tecnologici per sensori conceived, such as inexpensive and easily trasportabili ed economici che possono transportable sensors for applications in the determinare la presenza di contaminanti detection of chemical pollutants in systems chimici in sistemi di interesse per l'industria of interest for agribusiness safety, i.e. food agroalimentare, quali alimenti ed acque and clean waters. potabili. Staff: Marco Girasole, Giovanni Longo, Simone Dinarelli Contact: giovanni.longo@ism.cnr.it Schema di funzionamento di un NMS: un layer di Schematizzazione di un array di NMS. Le loro molecole su un lato del sensore causa una deflessione dimensioni possono andare da un centimetro a meno statica che dipende dal tipo e proprietà delle di 100 micron, con diverse sensibilità e proprietà molecole. meccaniche. 20 1
Micro-Nano
Advanced
Electronics
Materials
Elettronica molecolare Molecular electronics
L'ISM è attivo nella preparazione di ISM is working on the preparation of organic
semiconduttori organici (oligotiofeni π- semiconductors (π-conjugated oligothio-
coniugati) interagenti con superfici metalliche phenes) interacting with metal surfaces for
per applicazioni optoelettroniche. Si tratta di optoelectronic applications. These compounds
semiconduttori di tipo p in grado di auto- are p-type semiconductors able to self-
organizzarsi all'interfaccia con l'elettrodo per organize at the interface with the electrode to
massimizzare il trasporto di carica nel maximize the transport of charge in the final
dispositivo. Tale processo è la chiave per lo device. This is the key process for the
sviluppo di un'elettronica molecolare che development of molecular electronics
costituisca una valida alternativa, a basso representing a valid low-cost alternative to the
costo, all'elettronica tradizionale. L'attività va traditional one. The work goes beyond the
oltre l'uso di semiconduttori organici use of commercial organic semiconductors
commerciali (ad es. il tertiofene, 3T). (e.g. the terthiophene, 3T). Particularly
Particolare interesse riveste la sintesi di interesting is the synthesis of compounds such
composti quali l’1,3-ditienilbenzo[c]tiofene as 1,3-ditienilbenzo[c]thio-phene (DTBT) and
(DTBT) e analoghi, caratterizzati dalla analogues, characterized by the presence of a
presenza di un anello benzenico condensato condensed benzene ring to the oligothio-
con l'oligotiofene, che consentono marcate phene, which allows large variations in the
variazioni delle proprietà ottiche del sistema. optical properties of the system. Recent ISM
Le attività recenti dell'ISM consistono nello activities consist in the careful study of these
studio accurato di tali interfacce elettrodo- electrode-semiconductor interfaces by means
semiconduttore per mezzo di spettroscopia of conventional optical spectroscopy and
ottica convenzionale e di luce di sincrotrone, synchrotron radiation, assisted by ab initio
assistite da simulazioni ab initio su scala simulations at the atomic scale of the
atomica dell'interfaccia stessa. Risultati interface. Preliminary results for the DTBT/Ag
preliminari per il sistema DTBT/Ag dimo- system show that the oligothiophene-metal
strano che i processi di interazione oligotio- interaction processes play an extremely
fene-metallo hanno un ruolo estremamente important role in pushing towards the
importante nel determinare la formazione di formation of an ordered interface rather than
un'interfaccia ordinata piuttosto che la the degradation of the semiconductor onto
degradazione del semiconduttore the electrode.
sull'elettrodo.
Staff: Ambra Guarnaccio, Giuseppe Mattioli, Antonio Santagata
Contact: ambra.guarnaccio@ism.cnr.it
Right : Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS)
shows the fingerprint of polythiophene chains for 3T and Difference density maps (Δρ) calculated for: (left
a characteristic S−S stretching signal compatible with panels, top and side view) the 3T and (right panels, top
ring-opening processes for DTBT. Left: DFT results show and side view) DTBT interacting with the Ag (110)
that 3T is planar over the Ag surface; while, the central surface. Charge density flows from blue to red zones
unit of DTBT forms a 12−15° angle with respect to the Ag when the molecules interact with the Ag surface.
surface. 1
21Micro-Nano
Electronics
High-Temperature Solar Cells
Celle solari ad alta temperatura, basate sul High-temperature solar cells based on the
meccanismo dell’emissione termoionica exploitation of photon-enhanced thermionic
assistita da fotoni (PETE), sono in sviluppo emission (PETE) mechanism are under
all’ISM. development at ISM.
I vantaggi connessi con i dispositivi PETE The advantages of the PETE devices are
sono tali da superare di gran lunga le connected to the capability to overcome the
limitazioni delle celle solari tradizionali limitations of traditional solar cells (even the
(addirittura anche di quelle a multi-giunzione) more advanced multiple junction ones) when
durante il funzionamento in sistemi a operating in solar concentrating systems.
concentrazione solare. Le caratteristiche dei The characteristics of PETE converters
convertitori PETE sono, infatti, un compor- actually are: a better operation at increasing
tamento operativo migliore quando le temperatures and a more efficient (>50%)
temperature si innalzano e un più efficiente use of the solar photons by exploiting, along
(>50%) uso dei fotoni dello spettro solare with the direct photogeneration of charge
poiché sfruttano, assieme alla fotogene- carriers in a semiconducting absorber, all
razione diretta in un semiconduttore, tutti i thermalization effects and IR absorption as
processi di termalizzazione e l’assorbimento useful heat sources for thermionic emission.
IR per incrementare il contributo termo- The cells developed by ISM include the black
ionico. diamond technology as well as the innovative
Le celle sviluppate da ISM includono la micrographitization of diamond, together
tecnologia del black diamond e l’innovativa with an advanced and original p-i-n structure.
micrografitizzazione del diamante, insieme a More detailed information can be found at
un’avanzata e originale struttura di disposi- www.prometheus-energy.eu
tivo p-i-n.
Informazioni più dettagliate possono trovarsi
sul sito www.prometheus-energy.eu
Staff: A. Bellucci, M. Girolami, S. Orlando, R. Polini, V. Valentini, D.M. Trucchi
Contact: daniele.trucchi@ism.cnr.it
The resulting structures from the application on a
diamond cathode structure of innovative technologies Black diamond high-temperature solar cell under
like black diamond, graphitic microstructuring, and characterization
emitting surface doping.
22 1Micro-Nano
Advanced
Electronics
Materials
ST2G – Solar
Thermionic-Thermoelectric Generator
Due sono le tecnologie attualmente utilizzate Two main technologies are in use for
per convertire la radiazione solare concen- concentrated solar radiation conversion:
trata: convertitori termodinamici che sfrutta- thermo-dynamic converters that use high
no l’elevata temperatura raggiunta da fluidi o temperature achieved by fluids or gases
gas (turbine, motori Stirling e/o Rankine) e (turbines, Stirling and/or Rankine motors)
celle fotovoltaiche ad alto rendimento (multi- and high-efficiency multi-junction
giunzione). Entrambi i metodi hanno severe photovoltaic cells. Both methods present
limitazioni in termini di scalabilità e technological problems and several strict
problematiche tecnologiche. Il modulo limitations in terms of scalability. The
sviluppato da ISM propone soluzioni per conversion module developed by ISM sug-
superare tali limitazioni, con la possibilità di gests solutions to overcome such limitations,
lavorare ad elevate temperature (700-1000 with the possibility to operate in a high
°C) e sfruttare due effetti di conversione temperature range (700-1000 °C) and to
combinata: effetto termoionico e termoelet- exploit two mixed conversion effects:
trico. thermionic and thermoelectric effects.
Il modulo di conversione è stato progettato e The conversion module was designed and
sviluppato per convertire l’energia solare developed to be housed in concentrated
concentrata in energia elettrica e termica solar systems in order to generate electrical
(cogenerazione). Il diamante CVD e un and thermal energies (co-generation).
nanotexturing superficiale sono le innova- CVD diamond films and surface nano-
zioni di nanotecnologia applicate ai materiali texturing are the nanotecnology innovations
del modulo, la cui efficienza di conversione in applied to the module materials.
energia elettrica può superare il 30%. Electrical energy conversion efficiency can be
L’efficienza di conversione in energia termica > 30%. Thermal power output is about 65%
è circa pari al 65% dell’energia termica of residual thermal power.
residua.
Staff: A. Bellucci, M. Girolami, S. Orlando, D.M. Trucchi
Contact: daniele.trucchi@ism.cnr.it
CVD
Diamond
film
Texturing
performed
with fs laser
Materials used in the conversion module Conversion module under operations.
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