Paolo Cardile

Proboviro

View profile on LinkedIn

Titoli

Scuola Superiore di Catania

Facoltà: ND

Anno di conseguimento: 2009

Relatore: Prof. F. Priolo

Tesi: Y2xErxSi2O7 Thin Films For Planar Optical Amplifiers And Photovoltaic Applications

In questo lavoro di tesi per il conseguimento del Diploma di Licenza disecondo livello della Scuola Superiore di Catania, mi sono occupato dellostudio delle proprieta strutturali ed ottiche di lm sottili di disilicato di ittrioed erbio. Composti di questo tipo rientrano nella famiglia dei composti diterre rare, molto interessanti in due importanti branche della fotonica: gliamplicatori ottici e il fotovoltaico.Una di queste terre rare, l'erbio, e particolarmente utilizzata per l'ampli-cazione di segnali in bre ottiche a 1.54 m, lunghezza d'onda fondamentaleper le telecomunicazioni. L'erbio, infatti, e caratterizzato da una transizioneradiativa dal primo stato eccitato (4I13=2) allo stato fondamentale (4I15=2),con emissione di fotoni a questa lunghezza d'onda, proprio in corrispondenzadi un minimo assoluto del coeciente di attenuazione per le bre ottiche insilice. Oltre agli amplicatori di segnali che viaggiano su larghe scale, pero,e interessante lo studio di questo fenomeno su scala micrometrica, incorpo-rando l'erbio non piu in una bra ottica, ma in una guida d'onda planareintegrata su un substrato di silicio. Le guide sono tuttavia molto piu cortedelle bre ottiche e necessitano pertanto di concentrazioni di erbio moltoelevate per poter produrre delle amplicazioni ottiche accettabili. Molti ma-teriali sono stati proposti come matrici per l'erbio per questo tipo di appli-cazioni, ma il limite principale e la solubilita dell'erbio, dal momento che, adesempio, nell'ossido di silicio si puo inserire al massimo una concentrazionedi 1020 cm?3. Il disilicato di ittrio e un materiale molto interessante chesi inquadra in quest'ambito, perche e un composto compatibile con il silicioe, data la somiglianza chimica tra gli ioni Y3+ e Er3+, permette di inserireconcentrazioni di erbio no a 1.51022 (limite del disilicato di erbio), dalmomento che l'erbio si puo inserire in siti sostituzionali no a sostituire tuttigli atomi di ittrio, rendendo cos il materiale un composto di erbio.1Un materiale di questo tipo e certamente caratterizzato da moltissimeinterazioni erbio-erbio, tra cui l'upconversion, deleterio per l'ottenimentodell'inversione di popolazione e quindi dell'amplicazione. Tuttavia, perun altro tipo di applicazioni riguardanti il fotovoltaico, puo essere impor-tante sfruttare queste stesse interazioni ione-ione, tipiche delle terre rare, permigliorare l'ecienza delle celle solari. I composti basati sulle terre rare,infatti, sono ottimi candidati a convertire fotoni in un certo range di ener-gia in altri fotoni ad altre energie, tramite trasferimenti risonanti di energiatra diversi livelli. Pertanto questi materiali consentirebbero un assorbimentomigliore dei fotoni dello spettro solare.I lm sottili di Y2?xErxSi2O7, al variare di x, sono stati sintetizzatitramite un UHV magnetron sputtering, un sistema di deposizione di grandeversatilita, che consente un perfetto controllo della stechiometria dei lm. Laconcentrazione di erbio in questi lm e stata variata in un range compresotra circa 1020 e circa 1022 cm?3. Per ottenere la cristallizzazione dei lm estato necessario eettuare un trattamento termico. Sono state studiate leproprieta strutturali ed ottiche dei lm trattati termicamente a 1200 C per30 secondi sia in ambiente di azoto (inerte) che di ossigeno (reattivo) e in par-ticolare e stato dimostrato che l'ossigeno consente la cristallizzazione in fase del disilicato, environment ideale per le proprieta ottiche di luminescenzadell'erbio.Ampio spazio e stato dedicato alle interazioni erbio-erbio in questo mate-riale, al variare della concentrazione di erbio, del usso di fotoni di eccitazionee della lunghezza d'onda di eccitazione. E stato dimostrato che, pompandol'erbio a 488 nm a bassi ussi di eccitazione, quando si e ancora in regime dilinearita tra l'intensita di fotoluminescenza e il usso di fotoni stesso, rapidis-sime interazioni ione-ione possono avvenire nel sistema. Queste interazionipossono essere piu rapide dei decadimenti non radiativi multifononici e sonotali che uno ione erbio eccitato in uno stato molto energetico possa disec-citarsi eccitando uno o piu ioni erbio vicini. In questo modo si ottiene unamoltiplicazione del numero di eccitazioni al livello 4I13=2: questo fenomeno,2noto come quantum cutting, avviene nei lm di Y2?xErxSi2O7 con ecien-za crescente con l'aumentare di x. In questo caso, tuttavia, a dierenza diquanto osservato e riportato in letteratura, sia il donore che l'accettore nel-lo scambio risonante di energia sono atomi della stessa specie (cioe l'erbio).Inoltre nella maggior parte dei casi l'energia del fotone incidente e divisa indue parti. In questo caso, invece, il valore massimo possibile e di 300%(3 eccitazioni per ogni fotone incidente) ed e stato misurato per il disilicatodi erbio. Un'ecienza ancora piu alta (400%) e stata ottenuta eccitandol'erbio a 380 nm, nell'UV. Questo signica che per ogni fotone di pompa as-sorbito, potenzialmente no a 4 fotoni a 1.54 m possono essere emessi, e daqui nasce l'interesse per il fotovoltaico, in particolare per le celle al germanio.D'altra parte, dallo studio della fotoluminescenza ad alti ussi di fotonidi pompa, si e trovata una dipendenza del coeciente di upconversion dallaconcentrazione di erbio: il campione a minor concentrazione di erbio (x=0.03)e il miglior candidato per l'amplicazione a 1.54 m, avendo un Cup moltobasso (di circa 210?17 cm3/s). Viceversa un valore due ordini di grandezzapiu alto si trova per il disilicato. L'aumento del coeciente di upconversionimplica un aumento anche della rate di interazione dipolo-dipolo.Estato dunque dimostrato che upconversion e quantum cutting aumen-tano entrambi all'aumentare della concentrazione di erbio, poiche sono feno-meni profondamente legati. La dierenza e che avvengono in due regimi dipotenza di eccitazione completamente opposti: il quantum cutting e caratte-rizzato da interazioni Er-Er con ioni che si trovano allo stato fondamentale (eprevale a basse potenze di eccitazione), mentre l'upconversion e caratterizzatoda interazioni che coinvolgono ioni che si trovano in stati eccitati.Possiamo concludere quindi che lm sottili di Y2?xErxSi2O7 sono moltopromettenti per applicazioni in fotonica, o per l'amplicazione a 1.54 m insistemi planari (per bassi valori di x), o per il fotovoltaico (per alti valori dix) come convertitori di fotoni per celle al germanio.

and type of organisation Scuola Superiore di Catania, a high excellence University center within the University of Catania

Facoltà: Physics; Physics

Anno di conseguimento: 2008

Relatore: Prof.F.Priolo, Dott.ssa M. Miritello

Tesi: Propriet

In questo lavoro di tesi mi sono occupato dello studio delle propriet`a ottichedi nuovi materiali basati su silicio, per applicazioni nel campo dell?optoelettronicae della microfotonica. Nel primo capitolo si ha una panoramicagenerale sullo stato dell?arte della ricerca relativa alle terre rare e in particolareall?erbio e alle sue propriet`a ottiche quando `e incorporato in siliciocristallino e in ossido di silicio. Il secondo capitolo `e incentrato sulla tecnicadi deposizione utilizzata in questa tesi per la sintesi di film sottili di ossidodi silicio drogati con erbio e sulle loro propriet`a strutturali. Vale la pena disottolineare la grande versatilit`a del sistema di deposizione UHV magnetronsputtering, che permette un efficace controllo della concentrazione del droganteed `e anche utile per la deposizione di strutture pi`u complesse comei multistrati. Il terzo capitolo contiene lo studio delle propriet`a di luminescenzadell?erbio in tali film. `E stato osservato come i film sottili di ossidodi silicio drogati con erbio sintetizzati mediante sputtering sono carenti diossigeno e le propriet`a ottiche ne risentono: immettendo l?ossigeno durantela deposizione l?intensit`a di fotoluminescenza e il rispettivo tempo di decadimentomisurati a 1.54 ?m aumentano in modo considerevole, segno chel?ossigeno introdotto satura i legami pendenti migliorando notevolmente lepropriet`a di fotoluminescenza. `E stata inoltre analizzata l?influenza dellaconcentrazione dell?erbio sulle propriet`a ottiche di fotoluminescenza di filmdi ossido di silicio, ed in particolare `e stato trovato un valore di concentrazionedel drogante oltre il quale predomina l?effetto negativo del concentrationquenching. Dai dati sperimentali si `e anche data una stima per la costantedi accoppiamento tra due ioni erbio assolutamente confrontabile con quellatrovata da altri gruppi di ricerca per diverse matrici vetrose. `E stata inoltrestudiata la stabilit`a delle propriet`a di fotoluminescenza dei campioni oggettodi questa tesi, monitorandola anche al passare del tempo trascorso a partiredal trattamento termico a 900 C in azoto. I gruppi OH sono stati individuatiquali responsabili della diminuzione al passare del tempo sia dell?intensit`a difotoluminescenza che del tempo di vita media. Per risolvere questo problemasi sono trovate due possibili soluzioni: a) un secondo trattamento termicoa 600 C in azoto ha permesso il desorbimento dell?idrogeno, riducendo cos`?il numero dei gruppi ossidrili; b) la deposizione di uno strato di silicio haevitato che i gruppi OH venissero assorbiti nel mezzo attivo. Infine `e statastudiata l?influenza del mezzo dielettrico, presente all?interfaccia con i film diossido di silicio drogati con erbio, sulle propriet`a di fotoluminescenza ed inparticolare sulla vita media radiativa. Si `e dimostrato che un controllo deimezzi dielettrici pu`o modificare notevolmente la densit`a degli stati ottici e,di conseguenza, le propriet`a radiative dei film.

Liceo Scientifico Siciliani

Facoltà: ND

Anno di conseguimento: 0000

Relatore: ND

Tesi: ND

ND

University of Catania

Facoltà: Nanoscience

Anno di conseguimento: 0000

Relatore: ND

Tesi: ND

ND

University of Catania

Facoltà: Physics; Physics

Anno di conseguimento: 0000

Relatore: ND

Tesi: ND

ND

 

Esperienze lavorative

      Process Development Engineer @ Caliopa

      Assegnista di ricerca @ Consiglio Nazionale delle Ricerche

      PhD student in Nanoscience @ Scuola Superiore di Catania

      Visiting PhD student @ University of St. Andrews

      Graduated student @ Scuola Superiore di Catania

      Student @ Scuola Superiore di Catania

      Product Development Engineer @ JSR Micro (Brussels Area, Belgium)