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Convertire una tecnica standard per l’ottica nanometrica

La microscopia elettronica utilizza i fasci di elettroni per creare immagini di strutture in scala nanometrica. Comprendere come si comporta la luce a questo livello è fondamentale per le future indagini sui materiali ottici, per far progredire l’imaging e per lo sviluppo di dispositivi optoelettronici, comprese le celle solari e la tecnologia di informazione quantistica.

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La catodoluminescenza (CL) è un fenomeno fisico osservato per la prima volta negli anni ’60, in cui un materiale che viene colpito da un fascio di elettroni emette luce. Storicamente, la CL è stata usata nei televisori a tubo catodico per generare immagini e dai geologi per caratterizzare i minerali.

Un nuovo microscopio elettronico basato sulla CL

Gli scienziati del progetto SCEON, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca (CER), hanno combinato le proprietà della spettroscopia a catodoluminescenza e della microscopia elettronica in un nuovo sistema CL. Nella spettroscopia a catodoluminescenza la luce emessa dalle strutture quando interagiscono con gli elettroni viene raccolta e analizzata, per offrire informazioni ottiche funzionali. «Il nostro obiettivo era quello di combinare i vantaggi del microscopio elettronico e dell’imaging ottico in un sistema innovativo, unico al mondo», spiega il beneficiario del CER e ricercatore principale, Albert Polman. La CL fornisce informazioni sull’interazione tra luce e materia e, poiché utilizza elettroni, offre una risoluzione su scala nanometrica. Il sistema CL SCEON funziona raccogliendo i fotoni emessi dal campione bombardato da elettroni attraverso uno specchio parabolico. Questo migliora l’efficienza di raccolta della luce delle nanostrutture e permette inoltre di effettuare misurazioni su campioni poco luminescenti come i metalli. Allo stesso tempo, la tecnologia SCEON ha molte applicazioni pratiche nella geologia, nella metrologia dei semiconduttori e nella fabbricazione di materiali fotovoltaici, migliorando le prestazioni dei dispositivi che emettono luce e delle celle solari. La manipolazione di sorgenti a singolo fotone utilizzando il sistema CL permetterà un ulteriore sviluppo della tecnologia quantistica dell’informazione. Inoltre, il sistema CL SCEON consente di studiare il comportamento della luce emessa nel tempo su scala nanometrica, offrendo così agli scienziati l’opportunità di studiare i fenomeni fisici sottostanti su scale di lunghezza ridotte e di rispondere a domande fondamentali relative all’interazione degli elettroni con le nanostrutture. Grazie all’uso di impulsi di elettroni, il sistema CL SCEON è in grado di fornire una nuova visione della dinamica dell’elettrone e dell’eccitazione della luce, poiché il dispositivo consente una risoluzione temporale. Dagli studi al microscopio CL SCEON, tra cui lo studio dell’emissione di luce in diverse nanostrutture, sono emersi numerosi risultati interessanti. I ricercatori hanno inoltre potuto determinare l’efficienza di emissione ad altissima risoluzione spaziale dei semiconduttori utilizzati nelle celle solari e studiare le interazioni tra laser ultraveloci e impulsi di elettroni mediati da nanostrutture metalliche.

Prospettive future per il microscopio CL

I microscopi CL sono stati sviluppati in collaborazione con AMOLF, Thermo Fisher e Delmic, per arrivare alla prima versione commerciale dello strumento nel 2014. Il microscopio CL ha ricevuto anche il premio «Innovation and Materials Characterization Award» della Materials Research Society. «Abbiamo ricevuto la sovvenzione «proof-of-concept» del CER per SCEON, per sviluppare una versione commerciale da tavolo del nostro nuovo microscopio, potenzialmente utilizzabile da un’ampia gamma di utenti», sottolinea Polman. Dalla prima caratterizzazione del fenomeno fisico della CL, i ricercatori hanno perfezionato la spettroscopia di imaging CL per scopi più scientifici. «Il nostro sistema consente di studiare praticamente ogni metallo, semiconduttore, materiale dielettrico o nanostruttura e di vedere fisicamente, in modo molto preciso nello spazio, come la luce risuona in questi materiali, la direzione in cui viene emessa e la durata di queste interazioni», continua Polman. Comprendere in che modo gli elettroni ad alta velocità interagiscono con le nanostrutture contribuirà alla progettazione e all’implementazione di una tecnologia fotovoltaica, di circuiti optoelettronici in miniatura e di diodi ad emissione di luce più economici ed efficienti.

Parole chiave

SCEON, catodoluminescenza (CL), microscopio elettronico, spettroscopia, nanostruttura, cella solare, fotovoltaico

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