DiaTHEMA Lab

 

Daniele M. Trucchi  -

Marco Girolami  -

Alessandro Bellucci  -

Valerio Serpente  -

Matteo Mastellone  -

Eleonora Bolli -

Veronica Valentini  -

Fabrizio Pallotta -

Riccardo Polini (Uni Roma2) - Associato ISM

Massimo Adriani (CNR) - Tecnico visitatore

Stefano Salvatori (UniCusano) - Associato ISM

Sara Pettinato (UniCusano) - Associato ISM

 

Sede di Roma - Monterotondo

 

Attività Scientifica

Fondato nel 2010 come DiaC2 Lab e successivamente evolutosi in DiaTHEMA (Diamond, Thermal & Harsh Environment Materials & Applications), concentra l'attività di R&S sullo sviluppo di materiali avanzati a film sottile e relativi prototipi per applicazioni operanti in ambienti ostili. In particolare, le principali attività attuali sono dedicate allo sviluppo di convertitori di energia che operano ad alte temperature per sistemi a concentrazione solare, convertitori di energia termica ad altissima temperatura, spettrometri per neutroni veloci in grado di monitorare reattori a fusione nucleare, dosimetri per la radioterapia, piattaforme optoelettroniche integrate quantistiche ad alta stabilità per applicazioni ad alta potenza. Il laboratorio DiaTHEMA vanta un'esperienza più che decennale nello sviluppo della tecnologia dei diamanti sintetici, che ha permesso, nel corso degli anni, di estendere le attività verso la produzione di materiali a film sottile altamente innovativi come boruri, carburi, fluoruri, ossidi, ecc. che sono stati applicati nei recenti progetti che il laboratorio DiaTHEMA sta sviluppando.

Le nostre competenze

• Capacità di deposizione e di ingegnerizzazione di film sottili
• conoscenza della caratterizzazione delle proprietà elettriche, elettroniche e fotoelettroniche dei materiali
• competenza nello sviluppo di dispositivi elettronici e prototipi per ambienti ostili (ad esempio, alta temperatura, irradiazione di radiazioni e particelle ad alta energia, ambienti chimicamente aggressivi)
• ideazione e sviluppo di dispositivi basati su principi innovativi elettronici e/o fotonici.

Tematiche

• Materiali operanti ad alta temperatura e dispositivi per la conversione dell'energia solare concentrata

D. M. Trucchi, A. Bellucci, M. Girolami, P. Calvani, E. Cappelli, S. Orlando, R. Polini, L. Silvestroni, D. Sciti and A. Kribus
Solar Thermionic-Thermoelectric Generator (ST2G): concept, material and prototype demonstration
Advanced Energy Materials 8, 32 (2018) 1802310

 

 

P. Calvani, A. Bellucci, M. Girolami, S. Orlando, V. Valentini, R. Polini, and D. M. Trucchi
Black Diamond for Solar Energy Conversion
Carbon 105 (2016) 401-407

 

• Materiali operanti ad alta temperatura e dispositivi per la conversione dell'energia termica

A. Bellucci, M. Mastellone, V. Serpente, M. Girolami, S. Kaciulis, A. Mezzi, D. M. Trucchi, E. Antolín, J. Villa, P. G. Linares, A. Martí and A. Datas
Photovoltaic Anodes for Enhanced Thermionic Energy Conversion
AACS Energy Lett. 5 (2020) 1364-1370

 

 

A.Bellucci, M.Mastellone, M.Girolami, S.Orlando, L.Medici, A.Mezzi, S.Kaciulis, R.Polinia and D.M.Trucchi
ZnSb-based thin films prepared by ns-PLD for thermoelectric applications
Appl. Surf. Sci. 418 (2017) 589-593

 

• Rivelatori di radiazioni ionizzanti basati su diamante CVD

C. Cazzaniga, M. Nocente, M. Rebai, M. Tardocchi, P. Calvani, G. Croci, L. Giacomelli, M. Girolami, E. Griesmayer, G. Grosso, M. Pillon, D. M. Trucchi, and G. Gorini
A diamond based neutron spectrometer for diagnostics of deuterium-tritium fusion plasmas
Rev. Sci. Instr. 85 (2014) 11E101

 

 

M. Girolami, A. Bellucci, M. Mastellone, V. Serpente and D.M. Trucchi
Reproducibility analysis of diamond pixel detectors for large ionizing radiation fields
Optical Materials 91(2019) 292-295

 

• Defect-engineering di semiconduttori ad ampia bandgap

M. Mastellone, A. Bellucci, M. Girolami, R. M. Montereali, S. Orlando, R. Polini, V. Serpente, E. Sani, V. Valentini; M. A. Vincenti and D. M. Trucchi
Enhanced selective solar absorption of surface nanotextured semi-insulating 6H-SiC
Optical Materials x (2020) xxxxxx

 

 

M. Girolami, A. Bellucci, M. Mastellone, S. Orlando, V. Valentini, R.M. Montereali, M.A. Vincenti, R. Polini and D.M. Trucchi
Optical characterization of double-nanotextured black diamond films
Carbon 138 (2018) 384-389

 

D.M. Trucchi, A. Bellucci, M. Girolami, M. Mastellone, S. Orlando
Surface Texturing of CVD Diamond Assisted by Ultrashort Laser Pulses
Coatings 7 (2017) 185

 

• Funzionalizzazione di film sottili

V. Serpente, A. Bellucci, M. Girolami, M. Mastellone, A. Mezzi, S. Kaciulis, R. Carducci, R. Polini and V. Valentini, D.M. Trucchi
Ultra-thin films of barium fluoride with low work function for thermionic-thermophotovoltaic applications
Mat. Chem. Phys 249 (2020) 122989

 

 

A. Bellucci, M. Mastellone, S. Orlando, M. Girolami, A. Generosi, B. Paci, P. Soltani, A. Mezzi, S. Kaciulis, R. Polini and D.M. Trucchi
Lanthanum (oxy)boride thin films for thermionic emission applications
Appl. Surf. Sci. 479 (2019) 296-302

 

A.Bellucci, M.Mastellone, M.Girolami, S.Orlando, L.Medici, A.Mezzi, S.Kaciulis, R.Polini and D.M.Trucchi
ZnSb-based thin films prepared by ns-PLD for thermoelectric applications
Appl. Surf. Sci. 418 (2017) 589-593

 

Strutture

Le attività e le attrezzature del DiaTHEMA Lab sono organizzate in tre strutture, una prima struttura dedicata alla deposizione di film sottili, una seconda alla caratterizzazione di materiali e dispositivi, sviluppati dalla struttura per la prototipazione. Queste strutture sono supportate anche da un servizio di officina meccanica.

• Struttura per la sintesi dei materiali
  
  La struttura di deposizione e lavorazione dei materiali a film sottile è caratterizzato da un'ampia scelta di tecniche possibili che garantiscono una grande versatilità nella deposizione, che va dalla crescita di film sottili e ultrasottili alla crescita di strutture policristalline. Gli strumenti principali includono:
  Due reattori CVD  CVD a microonde Microwave enhanced CVD   e CVD a filamento caldo Hot-filament CVD , generalmente impiegati per la crescita dei diamanti sintetici;
  Un sistema di evaporazione a fascio elettronico, Evaporatore da fascio elettronico dedicato alla crescita di film sottili e ultrasottili e per rivestimenti a bassa affinità elettronica;
  Un sistema per deposizione a laser pulsato ns-PLD (@193 nm) che può operare in ambiente di gas reattivo;
  Una workstation di fabbricazione laser di materiali uFAB - Micro & Nano lavorazioni per nano- e micro-lavorazioni in condivisione con il FemtoLAB di Tito Scalo.
   
• Facility di caratterizzazione

  L’attività di caratterizzazione di materiali e dispositivi sfrutta l’utilizzo e lo sviluppo di tecniche di misura delle proprietà morfologiche, ottiche, elettroniche, termiche ed optoelettroniche. Tutti i setup sperimentali sono stati opportunamente ottimizzati per lo studio delle prestazioni e della durabilità di materiali avanzati, sia in forma bulk, sia a film sottile.
  Le principali strumentazioni in dotazione al laboratorio comprendono:

  • Microscopio a forza atomica (AFM) AFM Quesant per lo studio della morfologia superficiale;

  • Banco ottico di fotoconducibilità spettrale (190-1100 nm) Fotoconducibilità spettrale composto da

    • Sistemi operanti in ultra-alto vuoto (<10-8 mbar)VTEC Simulatore solare Simulatore solare

    • Sistema di caratterizzazione del coefficiente Seebeck SEEBECK

    • Camera Climatica

    • Termocamera a infrarossi per la misura di temperatura fino a 2000 °C.

    • Set-up di fotoconducibilità a raggi-X sviluppato in collaborazione con CNR-IC.
       

• Prototipazione

  Gli strumenti principali includono:

  • Un sistema di deposizione a magnetron sputtering RF/DC, Leybold LH Z400 utilizzato principalmente per la fabbricazione di contatti ohmici metallici;

  • Un sistema di deposizione per evaporazione indotta da fascio elettronico IONVAC EVPK 500EBK per la metallizzazione o per la fabbricazione di strutture multistrato;

  • Un sistema Reactive Ion Etching RIE per la microlavorazione di diverse tipologie di substrati;

  • Un sistema di deposizione a laser pulsato (PLD) ns-PLD (@193 nm)   per la sintesi di materiali particolari (metalli refrattari, composti ultra refrattari);

  • Un mask aligner  Fotolitografia 1µm per litografia ottica con risoluzione micrometrica;

  • Una microsaldatrice  Kulicke & Soffa 4123 per bonding termico/ultrasonico micrometrico;

  • Una workstation di fabbricazione laser Litografia a 2 fotoni

Collaborazioni

• Ionvac Process;
• Università la Sapienza;
• Solaris Photonics;
• Enea;
• Abengoa Research;
• Fraunhofer ISE;
• Tel Aviv University;
• Exergy;
• Technion - Israel Institute of Technology;
• Sharp;
• Prysmian;
• Alta;
• CAEN;
• Università Roma Tre;
• INFN;
• Tübitak;
• Instituto de Energía Solar Universidad Politécnica de Madrid;
• Center for research and Technology Hellas Chemical Process & Energy Resources Institute
• Università degli Studi Niccolò Cusano