Il settore Dispositivi Quantistici svolge attività di ricerca fondamentale ed applicata nel campo della superconduttività e nei nanodispositivi a semiconduttore. Gli argomenti di ricerca sono focalizzati sugli effetti quantistici osservabili in tali materiali e dispositivi allo scopo di indagare nuovi sistemi e tecniche utili a vari aspetti della metrologia e della scienza delle misure, spaziando dalla metrologia elettrica tradizionale al controllo ambientale, dalle misure in ambito biologico alla metrologia alimentare.
Sono state effettuate misure di dipendenza dalla temperatura della corrente critica nell'ambito dell'ottimizzazione dei parametri delle giunzioni Josephson sovrasmorzate Nb/Al-AlOx/Nb recentemente sviluppate. I dati sperimentali differiscono dalle curve teoriche calcolate di Superconduttore-Isolante-Superconduttore (SIS) e delle giunzioni a barriera metallica, ed hanno una marcata dipendenza dall'effetto di prossimità tra l'elettrodo di Niobio ed il film spesso (100 nm) di Alluminio.
Dipendenza dalla temperatura della corrente critica di giunzioni Nb/Al-AlOx/Nb con differenti spessori di Alluminio e trasparenza di barriera. I dati sperimentali sono comparati con le curve teoriche per SIS e giunzioni a barriera metallica.
Sono stati fabbricati e testati Mixer SIS a densità di corrente adatte per uso astronomico a 220 GHz, ed è stato implementato un packaging preliminare con montaggio in guida d'onda utilizzando saldatura a riflusso di indio per la resistenza di contatto.
Ricevitore mixer SIS. Dettaglio del packaging di montaggio del dispositivo.
Caratteristica I-V del SIS a 4.2 K: si noti la serie di due giunzioni.
E' stata studiata la riflettanza R di film sottili di MgB2 in vista della loro applicazione in dispositivi rivelatori di fotoni e bolometri. I dati sperimentali sono congruenti con la riflettività tipica dei film di MgB2, confermando la buona qualità della superficie dei campioni e l'assenza di ossido all'interfaccia con l'aria.
Nell'ambito del progetto FIRB "Fotorivelatori microlavorati in silicio basati su film superconduttori di MgB2", è stato realizzato un bolometro in MgB2 su membrana in nitruro di silicio. Sono stati inoltre strutturati mediante litografia ottica e tecnica di ion-milling alcuni film di MgB2 cresciuti per tecnica di co-deposizione . La conduttanza termica valutata mediante metodi elettro-termici è minore di 5·10-6 W/K e la responsività a frequenza zero è di circa 1500 V/W.
Riflettività R di film sottili di MgB2 di differenti spessori.
Meandro di MgB2 su membrana di nitruro di silicio spessa 0,5 micrometri.
E' stato sviluppato un metodo per la fabbricazione di nanostrutture di diboruro di Magnesio. Sono stati strutturati film di MgB2per mezzo di nanolitografia a fascio elettronico e ion milling ad Argon, ottenendo buone finiture superficiali e spessori che variano dai 50 ai 150 nm. Grazie all'ottimizzazione dei parametri di ion-milling sono stati ottenuti nanobridge riproducibili (larghi da 150 a 500 nm e lunghi 1 micrometro). La tecnica di nanostrutturazione mediante fascio elettronico è molto flessibile e rende possibile ottenere vari tipi di nanostrutture, consentendo la fabbricazione di nanodispositivi superconduttivi innovativi.
Micrografie SEM di quattro nanobridges di MgB2.
Sono stati fabbricati e caratterizzati sensori di gas basati su silicio nanostrutturato. Sono state inoltre studiate le caratteristiche IV dei dispositivi mesoporosi sia in vuoto che in presenza di tracce di NO2 mediante l'utilizzo di differenti configurazioni degli elettrodi di contatto è stato inoltre possibile misurare e confrontare le componenti trasversale (perpendicolare alla superficie del campione) e longitudinale (parallela alla superficie del campione) della conduttanza elettrica, in modo da ottimizzare la risposta del sensore. In questo modo è stato possibile costruire dispositivi estremamente sensibili e osservare una correlazione tra la risposta del sensore e la morfologia del silicio nanostrutturato.
Microfotografia SEM di una sezione di silicio mesostrutturato utilizzato nella fabbricazione di sensori di gas e biosensori.
Risposta elettrica anisotropa del silicio mesoporoso al gas NO2.
E' stata utilizzata l'irradiazione mediante fascio elettronico per definire delle nanostrutture biomolecolari sulla superficie del silicio poroso. Il fascio elettronico è in grado di attivare il materiale, in modo da consentire il legame selettivo tra le proteine e la superficie irradiata. Il processo può essere ripetuto serialmente, consentendo la realizzazione di biochip in cui varie biomolecole possono venire immobilizzate in regioni differenti. In tal modo la tecnica è ideale per la produzione di biosensori innovativi.
Immagine di microscopia a fluorescenza di un biochip in silicio poroso con diverse bioproteine (Glucose-Galactose Binding Protein (GGBP) e Glutamine Binding Protein (GlnBP)) immobilizzate su microaree adiacenti.
Sono stati sviluppati un dispositivo ed un metodo di determinazione del grado alcoolico dei vini mediante lo studio delle proprietà ottiche di una Microcavità in Silicio Poroso Ossidato (PSOM). La sensibilità di questo dispositivo è stata comparata con il metodo ufficiale di titolazione dei vini imposta dalla legislazione italiana ed è stato ottenuto un buon accordo.
Lo spostamento del modo della cavità, correlato al cambio di indice di rifrazione della PSOM dovuto alla fisisorbimento dell'etanolo all'interno dei pori, è stato misurato in presenza di diversi vini e in funzione di diversi contenuti alcoolici. E' stata inoltre provata la selettività della PSOM rispetto ad altri composti volatili del vino quale l'acido acetico, e si è trovato un ottimo accordo in fase di evaporazione.
Schema esploso della cella.
Andamento lineare del sensore in funzione del grado alcolico.