Film sottili di materiali molecolari organici sono cresciuti e studiati per le loro possibili applicazioni come materiali per la raccolta di luce, il trasferimento di energia e di carica, il management dell’energia e come materiali semiconduttori in dispositivi organici. Per ottenere un elevato controllo delle proprietà dei film, si effettua la crescita tramite epitassia da fasci molecolari organici (OMBE), accordando parametri sperimentali come la pressione, il tipo di substrato e la sua temperatura, la velocità di deposizione, la conservazione in condizioni controllate dopo la crescita.

Il principale interesse del gruppo di ricerca è rivolto alle proprietà intrinseche dei materiali molecolari nello stato solido, in particolare nella forma di film sottili ed eterostrutture dalla qualità cristallina controllata. Inoltre, si studiano fenomeni fisici come il trasferimento di energia e di carica, la fissione di singoletto e la fusione di tripletti, di possibile interesse per le applicazioni; la fisica di tali fenomeni è caratteristica dei materiali molecolari ed è strettamente legata alle interazioni intermolecolari e, quindi, alla struttura del materiale nello stato solido.

Negli ultimi anni, sono state considerate diverse molecole, appartenenti, per esempio, alle famiglie degli oligotiofeni, oligoceni e porfirine.

Lo studio del processo stesso di crescita tramite OMBE viene condotto analizzando in-situ e in tempo reale le proprietà dei campioni durante la crescita, ma anche controllando nel tempo le proprietà dei campioni dopo la crescita. Si studiano ex-situ la morfologia superficiale dei campioni e la loro struttura, strettamente legate alle condizioni di crescita, prevalentemente con misure di microscopia a forza atomica; inoltre, si studiano ex-situ le proprietà ottiche dei film molecolari cresciuti, anche attraverso il paragone con le proprietà dei cristalli singoli delle stesse molecole. Attraverso collaborazioni stabilite negli anni, si verifica la struttura cristallina attraverso diffrazione di raggi X e, per alcuni materiali, si arricchisce lo studio con misure di fotoluminescenza, anche in situ e risolta in tempo.

La crescita di film di diverse molecole su substrati costituiti da cristalli singoli delle stesse molecole o di molecole simili permette lo studio delle condizioni per l’epitassia organica, che consente la realizzazione di eterostrutture con interfacce di elevata qualità e proprietà controllate. Infine, in vista delle applicazioni in dispositivi o per ulteriori caratterizzazioni sono state messe a punto diverse procedure per trasferire i film cresciuti tramite OMBE dai substrati originari, che ne possono aver determinato le caratteristiche, ad altri substrati, senza alcun deterioramento delle proprietà dei materiali.

Prof.ssa Adele Sassella
Dott. Alessandro Minotto

Laboratorio OMBE – Edificio U5, Piano Terra, locale T044A/B – T072

L’apparato OMBE consiste in diverse camere da vuoto, che raggiungono condizioni di alto e ultra-alto vuoto, dove si possono installare fino a sei sorgenti per la deposizione di film sottili di diversi materiali; durante la crescita OMBE, lo spessore del film viene controllato in situ con una microbilancia al quarzo. Per lo studio di film e multistrato (o eterostrutture) vengono utilizzate tecniche di spettroscopia ottica, cioè assorbimento, riflessione, fotoluminescenza (PL) ed ellissometria; la PL viene anche utilizzata in situ per il controllo della crescita. Le misure ottiche si possono applicare anche in funzione della temperatura, fino a pochi K, con luce polarizzata e a diversi angoli di incidenza. Per caratterizzare la morfologia superficiale dei campioni e per lo studio del processo stesso di crescita viene utilizzata anche la microscopia a forza atomica, raccogliendo le immagini ex situ; la morfologia viene usualmente analizzata su aree della superficie del campione dell’ordine di alcuni μm², mentre su campioni cristallini si può ottenere anche risoluzione molecolare.