NANOFABRICATION AND SYNCHROTRON TECHNIQUES FOR ADVANCED MATERIALS

Questo corso fornisce agli studenti di dottorato conoscenze fondamentali ed esperienza pratica sulle tecniche avanzate di nanofabbricazione utilizzate nell'ingegneria dei dispositivi. Copre la litografia, la deposizione di film sottili e i metodi di incisione, con un'enfasi sulle applicazioni reali. Inoltre, introduce le tecniche di caratterizzazione basate su raggi X da sincrotrone, essenziali per lo studio delle proprietà dei materiali su scala nanometrica, tra cui diffrazione, spettroscopia e imaging. Attraverso lezioni e dimostrazioni pratiche direttamente sugli strumenti, gli studenti acquisiranno sia conoscenze teoriche che competenze pratiche sull'uso e sulle applicazioni delle moderne tecniche di nanofabbricazione e caratterizzazione.

Al termine del corso, gli studenti saranno in grado di:
• Comprendere i fondamenti della nanofabbricazione.
• Differenziare la litografia ottica da quella a fascio di elettroni in termini di risoluzione e scalabilità.
• Utilizzare strumenti CAD per la progettazione di maschere litografiche.
• Confrontare le tecniche di deposizione di film sottili, come evaporazione e sputtering.
• Conoscere i metodi di incisione a umido e a secco, comprendendone applicazioni e limitazioni.
• Pianificare la nanofabbricazione di un dispositivo reale.
• Comprendere i principi fondamentali e le applicazioni delle tecniche a raggi X da sincrotrone, inclusi diffrazione, spettroscopia e imaging.
• Analizzare criticamente e interpretare i dati ottenuti dagli esperimenti con il sincrotrone.
• Individuare collegamenti tra la propria ricerca e le metodologie avanzate a sincrotrone, facilitando collaborazioni interdisciplinari.

È consigliata una conoscenza di base della fisica dello stato solido, della scienza dei materiali, dell’interazione tra radiazione e materia e della tecnologia dei film sottili.

0. Struttura del corso

1. Introduzione alla nanofabbricazione (2 ore)
• Panoramica sulle tecnologie di nanofabbricazione: applicazioni in fisica, elettronica, scienza dei materiali e oltre.
• Ambienti di cleanroom: controllo della contaminazione, protocolli di sicurezza e strumenti.
• Breve introduzione alle tecnologie del vuoto, alla criogenia e al plasma.

2. Tecniche di litografia (5 ore)
• Litografia ottica:
o Principi della litografia ottica: laser writer e mask aligner.
o Photoresist: litografia positiva e negativa, chimica dei polimeri.
• Litografia a fascio di elettroni:
o Principi della litografia a fascio di elettroni per patterning ad alta risoluzione.
o E-beam resists (PMMA e altri materiali) e loro processamento.
• Confronto tra litografia ottica e a fascio di elettroni: risoluzione, scalabilità e costi.
• Progettazione CAD per la litografia: introduzione agli strumenti di CAD design (AutoCAD) per layout e creazione di maschere.
• Dimostrazione: litografia con laser writer.

3. Evaporazione e sputtering (4 ore)
• Tecniche di evaporazione:
→ Evaporazione a fascio di elettroni: principi di funzionamento, materiali, applicazioni.
→ Evaporazione termica: fondamenti, sorgenti, controllo dello spessore del film.
• Sputtering:
→ Sputtering DC e RF: principi, deposizione di metalli e ossidi.
• Dimostrazione: evaporazione di un film sottile.

4. Tecniche di incisione: a umido e a secco (4 ore)
• Incisione a base acida:
→ Principali acidi (HF, HCl, H2SO4) e il loro ruolo nella rimozione del materiale.
→ Incisione isotropica vs. anisotropica: controllo del profilo di incisione.
• Pulizia con solventi:
→ Rimozione del resist con solventi (acetone, IPA), metodi di pulizia delle superfici.
• Plasma ashing:
→ Fondamenti della rimozione del resist mediante plasma ashing.
• Reactive Ion Etching (RIE):
→ Principi di incisione anisotropica, gas di processo, selettività dei materiali.
• Confronto tra incisione a umido e a secco: vantaggi e svantaggi.
• Dimostrazione: utilizzo di un sistema RIE o plasma ashing.

5. Fabbricazione di un dispositivo reale (2 ore)
• Panoramica delle fasi di fabbricazione del dispositivo: combinazione di litografia, deposizione e incisione.
• Sfide pratiche nella fabbricazione di dispositivi nanometrici.
• Esempio pratico.

6. Introduzione alle tecniche a sincrotrone (4 ore)
• Interazione tra raggi X e materia.
• Generazione della radiazione di sincrotrone:
→ Proprietà della radiazione X, vantaggi della radiazione di sincrotrone.
• Principi di base degli anelli di accumulazione del sincrotrone.

7. Spettroscopia (8 ore)
• Photoemission (PES):
→ Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES): mappatura della struttura a bande, superficie di Fermi, interazioni a molti corpi.
• Assorbimento di raggi X (XAS).
• Scattering risonante di raggi X (RXS).
• Esempi di applicazioni della spettroscopia per la caratterizzazione di materiali avanzati.

8. Imaging nello spazio reale e reciproco (3 ore)
• Microscopia e tomografia a raggi X.
• Tecniche di diffrazione.
• Small-Angle X-ray Scattering (SAXS), X-ray Photon Correlation Spectroscopy (XPCS): applicazioni nell’analisi strutturale ad alta risoluzione.

• “Micro- and Nanofabrication for Beginners” – Eiichi Kondoh
• “Micro and Nano Fabrication Tools and Processes” – Hans H. Gatzen, Volker Saile, Jürg Leuthold
• “Synchrotron Light Sources and Free-Electron Lasers” – Eberhard J. Jaeschke, Shaukat Khan, Jochen R. Schneider, Jerome B. Hastings

L’esame è diviso in due parti: Nanofabbricazione e Tecniche a sincrotrone.
• Nanofabbricazione: esame orale con presentazione (~15 minuti) di un processo di fabbricazione tratto da una recente pubblicazione scientifica ad alto impatto, seguita da 15-20 minuti di domande.
• Tecniche a sincrotrone: seminario (20-25 minuti) in cui gli studenti:
→ Presentano la propria ricerca e il suo legame con le tecniche a raggi X da sincrotrone.
→ Discutono tecniche del corso con esempi dalla letteratura.
→ Dimostrano padronanza dei concetti con spiegazioni chiare ed esempi pertinenti.

orale

Il/la docente ha il dovere di vigilare affinché siano rispettate le regole di autenticità e originalità delle prove d'esame. Di conseguenza, nei casi in cui vi sia il sospetto di un comportamento irregolare, l'esame può prevedere un ulteriore approfondimento, contestuale alla prova d'esame, che potrà essere realizzato anche in modalità differente rispetto alle modalità sopra riportate.

• 27-30/30: Padronanza solida e ampia dei concetti discussi durante le lezioni, con chiare connessioni tra gli argomenti.
• 22-26/30: Buona comprensione dei singoli argomenti, ma integrazione limitata tra di essi.
• 18-21/30: Conoscenza di base dei singoli concetti con profondità concettuale minima.

• Lezioni frontali con slide e discussioni interattive.
• Dimostrazioni pratiche sull’uso degli strumenti di nanofabbricazione.
• Esercitazioni pratiche con strumenti CAD per la progettazione di layout litografici.
• Analisi di casi studio e applicazioni reali.

• Saranno forniti lecture notes, slide e materiali supplementari, nonché manuali e rapporti tecnici provenienti dalle principali synchrotron facilities (e.g., ESRF, DLS, SLAC), che offrono indicazioni pratiche sugli allestimenti sperimentali e sulle tecniche.
• Gli argomenti e il contenuto del corso potranno essere adattati in base alle esigenze degli studenti e ai progressi nel settore.

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Cambiamento climatico e energia" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile