EuroFEL Support Laboratory (EFSL)

Daniele Catone  -

Patrick O’Keeffe  -

Alessandra Paladini  -

Francesco Toschi  -

Stefano Turchini  -

Faustino Martelli (CNR-IMM) -

 

Sede di Roma - Tor Vergata

Sede di Roma - Monterotondo

http://efsl.ism.cnr.it

 

Attività Scientifica

EuroFEL Support Laboratory (EFSL) è un laboratorio laser ultraveloce situato nella sede dell'Istituto di Struttura della Materia del CNR. Le principali attività si concentrano sullo studio dei processi ultraveloci nei materiali nanostrutturati, plasmonici, per il fotovoltaico ed in sistemi molecolari, mediante tecniche di spettroscopia laser pompa-sonda al femtosecondo. La missione del laboratorio è quella di costituire una comunità spettroscopica ultraveloce in Italia per supportare le attività presso le strutture Free Electron Laser sia in Italia che all'estero. Per fare ciò il laboratorio è aperto a proposte di ricerca per lo studio di processi ultraveloci fotoindotti nei materiali.

Plasmonica

Le nanoparticelle plasmoniche mostrano una forte interazione con la luce attraverso la risonanza plasmonica di superficie localizzata (LSPR). Tale fenomeno si verifica quando le oscillazioni degli elettroni nella banda di conduzione del materiale plasmonico entrano in risonanza con il campo elettromagnetico incidente. Questo produce conseguenze affascinanti sull’interazione fra luce e materia, tra cui assorbimento e diffusione molto efficiente della luce e concentrazione spaziale del campo elettrico in "hot spot" (vedi figura in cui i punti caldi si formano sulle punte degli ellissoidi plasmonici). L'attività del laboratorio EFSL mira a studiare le dinamiche ultraveloci che si verificano a seguito dell'interazione della luce con varie nanostrutture, quali ad esempio nanosfere d'oro nei liquidi, matrici di nanoparticelle 2D su substrati trasparenti, e nanoparticelle depositate su nanofili di semiconduttori. L'EFSL è principalmente attivo nei seguenti campi:

• Generazione di portatori caldi in nanostrutture metalliche
• Trasferimento di energia da nanostrutture plasmoniche a semiconduttori a banda larga
• Termoplasmonica
• Controllo morfologico delle nanostrutture mediante un riscaldamento localizzato

Fotovoltaico

La dinamica ultraveloce dei portatori nelle perovskiti ibride ad alogenuro e nelle celle fotovoltaiche organiche non è ancora completamente conosciuta, anche se è noto che un’efficiente raccolta dei portatori può aumentare l'efficienza di conversione della potenza delle celle. Le spettroscopie ultraveloci basate su assorbimento transiente e up-conversion della fluorescenza sono strumenti molto potenti per la caratterizzazione delle dinamiche ultraveloci dei portatori. Ad esempio, utilizzando queste tecniche si possono studiare processi come la termalizzazione e il raffreddamento dei portatori, che si verificano sulla scala temporale dei femtosecondi. In questo modo è possibile studiare il destino dei portatori prodotti in seguito alla fotoeccitazione e il processo di trasferimento dallo strato di fotoassorbimento agli strati di trasporto di elettroni e lacune. Una maggiore comprensione degli aspetti fondamentali della dinamica ultraveloce dei portatori consentirà di migliorare l'efficienza delle celle solari a base di perovskiti e materiali organici. L'EFSL è principalmente attivo nei seguenti campi:

• Dinamica ultraveloce dei portatori nelle celle solari a base di perovskite
• Generazione e termalizzazione del portatori caldi
• Trasferimento di carica nelle celle fotovoltaiche organiche

L'EFSL svolge questi studi grazie alla collaborazione con l'Università di Tor Vergata e con CHOSE.

Nanomateriali

La dinamica dei portatori di carica nei semiconduttori dipende in parte dalla morfologia dei campioni. Lo studio di questi materiali mediante la spettroscopia ultraveloce di assorbimento transiente e la fotoluminescenza a basse temperature fornisce importanti dettagli sulla dinamica ultraveloce dei portatori e sugli effetti che hanno sulla scala dei tempi del femtosecondo / picosecondo come ad esempio la rinormalizzazione del band gap. L'EFSL è principalmente attivo nel campo di:

• Dinamica ultraveloce di portatori di carica e semiconduttori nanostrutturati
• Processi di trasferimento di energia tra nanofili semiconduttori e nanostrutture plasmoniche
• Dinamica della fotoluminescenza nei semiconduttori.

L'EFSL studia queste tematiche in collaborazione con l'Istituto di microelettronica e microsistemi (IMM).

Dinamica Molecolare

Eccitando con impulsi laser a femtosecondo sistemi molecolari e seguendo i cambiamenti spettrali in assorbimento o emissione degli stati fotoeccitati, è possibile sondare i cambiamenti elettronici e strutturali ultraveloci che avvengono durante il rilassamento della molecola verso il suo stato fondamentale. In questo modo è possibile ottenere informazioni importanti sulla dinamica strutturale, le interazioni a lungo raggio, i processi di trasferimento di carica in molecole, macromolecole e cluster. EFSL è attivo principalmente nei seguenti campi:

• Processi ultraveloci in molecole organiche in soluzione
• Decadimento dello stato eccitato nei complessi di metalli di transizione

Strumentazioni

Il laboratorio è equipaggiato con un Sistema laser Ti:Sa amplificato (800 nm, 35 fs, 4 mJ) accoppiato con un amplificatore ottico parametrico (OPA), che permette di produrre impulsi laser sub 40 fs nell’intervallo di lunghezze d’onda 240-20000 nm.  In EFSL sono disponibili diversi setup sperimentali:

• Spettrometro di assorbimento transiente (FTAS) FemtoFrame-II (IB Photonics)
• Spettrometro per up-conversion di fluorescenza Halcyone (Ultrafast Systems)
• Spettroscopia pompa-sonda a singola lunghezza d’onda Tabletop
• Fotoluminescenza risolta in tempo Photoluminescence
• Apparato per Generazione di armoniche di ordine elevato (HHG) HHG