“Studio per la progettazione e realizzazione di schermi
elettromagnetici trasparenti” (ISPRA/CNIS)
Progetto di vetri nanostrutturati
Prof. Maria Sabrina Sarto
Sapienza Università di Roma - CNIS
[email protected]
Research Center on Nanotechnology applied to Engineering
of Sapienza – CNIS
Dept. of Electrical Engineering
Requisiti di progetto di nuovi schermi
trasparenti
Requisiti:
Trasmittanza ottica: fino al 70%
Efficienza di schermatura a RF: non inferiore a 40 dB
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“Progetto di vetri nanostrutturati”, M.S. Sarto
Nanotecnologie
Nanotecnologie
10-3 m
(millimetro)
capelli
capelli
batteri
batteri
10-6 m
(micron)
transistor per
pentium IV
virus
virus
10-9 m
(nanometro)
DNA
DNA
atomo
Meccanica quantistica
Le nanotecnologie sono
l’insieme di metodi e tecniche
per la manipolazione della
materia su scala atomica e
molecolare e hanno l’obiettivo
di costruire materiali e prodotti
con speciali caratteristiche
chimico-fisiche.
Meccanica classica
1 metro
Nuovi materiali per la schermatura
elettromagnetica
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SOMMARIO
•
•
Il Centro di Ricerca per le
Nanotecnologie applcate
all’Ingegneria della Sapienza
(CNIS)
FILM SOTTILI
NANOSTRUTTURATI PER LA
SCHERMATURA
ELETTROMAGNETICA:
•
APPLICAZIONI:
– Schermi elettromagnetici
trasparenti per radio frequenze
– Schermi attivi trasparenti per il
campo magnetico a frequenza
industriale
– Superfici selettive in frequenza
trasparenti
– Progetto
– Realizzazione
– Caratterizzazione
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Il Centro di Ricerca per le Nanotecnologie
applicate all’Ingegneria della Sapienza
•
Il CNIS è il Centro di Ricerca per le Nanotecnologie applicate
all’Ingegneria della Sapienza
•
Il centro è stato fondato nel 2006
•
Il centro è constituito da 43 professori e ricercatori della Sapienza,
afferenti a 11 Dipartimenti diversi e alle Facoltà di Ingegneria, Scienze
e Medicina.
•
Il CNIS promuove, coordina e sviluppa attività di ricerca e di
formazione nel settore delle micro/nanotecnologie applicate ai
differenti settori dell’ingegneria industriale ed elettronica.
•
Dal 2009 è attiva la Laurea Magistrale in Ingegneria delle
Nanotecnologie.
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Dipartimento
Biologia Cell.
Dipartimento
Ingegneria
Elettronica
Dipartimento
Ingegneria Chimica
Materiali Ambiente
Dipartimento
Ingegneria
Elettrica
Dipartimento
Fisica
Dipartimento
Meccanica e
Aeronautica
CNIS
Dipartimento
Ingegneria
Aerospaziale e
Astronautica
Dipartimento
Energetica
Dipartimento
Chimica
Dipartimento
Ingegneria
Strutturale e
Geotecnica
Dipartimento Scienze
Sanità Pubblica
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Il Laboratorio per le Nanotecnologie e le
Nanoscienze della Sapienza
• Luglio 2008: Presentazione del progetto del Laboratorio al
Rettore
• Dicembre 2009: Individuazione spazi per il Laboratorio
presso città universitaria (P.le Aldo Moro 5)
• Marzo 2009: Assegnazione spazi al Laboratorio (400 mq)
• Maggio 2009: Definizione progetto del Laboratorio
• Luglio 2009: Assegnazione fondi per lavori di
adeguamento e ristrutturazione e inizio lavori
• Ottobre/Novembre 2009: Inizio attività
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Superficie totale: 400 mq
INGRESSO PRINCIPALE CLINICA ORTOPEDICA
INGRESSO LATERALE CARRABILE
PIANO TERRA CLINICA ORTOPEDICA
AREA LABORATORIO: 400
mq
“Studio per la progettazione e realizzazione di schermi elettromagnetici
trasparenti”
INGRESSO P.ZZALE
ALDO MORO 5
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Le linee di ricerca
•
A: NANO-STRUTTURE E NANO-DISPOSITIVI PER L’ELETTRONICA
•
B: NANO-STRUTTURE E NANO-DISPOSITIVI PER LA FOTONICA E
L’INFORMAZIONE QUANTISTICA
•
C: MATERIALI NANO-STRUTTURATI PER DISPOSITIVI DI ACCUMULO E
CONVERSIONE DI ENERGIA
•
D: SUPERFICI MULTIFUNZIONALI INTELLIGENTI PER APPLICAZIONI
INDUSTRIALI
•
E. NANO- E MICRO-DISPOSITIVI PER APPLICAZIONI BIOMOLECOLARI
•
F. FUNZIONALIZZAZIONE E INGEGNERIZZAZIONE DI SISTEMI
BIOLOGICI
•
G. NANO-PARTICELLE E NANO-CARRIERS PER APPLICAZIONI BIOMEDICHE
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Organizzazione del Laboratorio
1) AREA DI MICROSCOPIA E CRESCITA IN-SITU IN UHV (ULTRA-HIGH-VACUUM,
<10-10 MBAR)
2) AREA DI MICROSCOPIA E CRESCITA IN HV (HIGH-VACUUM, 10-9 MBAR)
3) AREA ULTRA-PULITA PER CRESCITA E LITOGRAFIA
4) AREA MICROBIOLOGICA E CELLULARE
5) AREA ORGANISMI EUCARIOTICI
6) AREA PREPARATIVA E PROTOTIPI
7) AREA STUDI E RIUNIONI
8) AREA DIDATTICA E CONFERENZE
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SCHERMI EM TRASPARENTI:
Stato dell’arte
• Griglie metalliche
– Buone prestazioni schermanti (fino a 50-60 dB) per “basse frequenze”
– Trasparenza ottica limitata al 50-60%
– Incremento in peso anche fino al 100% del peso del substrato
• Polveri conduttive
– Uso di polveri altamente conduttive (oro)
– Problemi di connessione a massa
• Film sottili di ossidi trasparenti (ITO)
– SE limitata a 20-30 dB per film dello spessore del micron
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• La tecnica di schermatura innovativa
sviluppata presso il Laboratorio di Compatibilità
Elettromagnetica (Dipartimento di Ingegneria
Elettrica) dell’Università di Roma “La Sapienza”,
in collaborazione con il Centro di Ricerche ENEA
Casaccia, si basa sull’uso di metalli trasparenti
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Thin metal films
Shielding effectiveness SE0 and IR transmittance of a thin metal film 10
nm thick (The shielding effectiveness is computed considering the
theoretical value of electrical conductivity for bulk material)
Metal
σ
(S/m)
SE0
(dB)
IR Transm.
(@ 3 μ m)
VIS Transm.
(@ 550 nm)
aluminum
3.70E+07
37.00
3%
14%
gold
4.55E+07
38.76
8%
55%
silver
6.45E+07
41.77
9%
53%
copper
5.88E+07
40.98
11%
65%
nickel
1.56E+07
29.67
23%
81%
palladium
1.01E+07
26.01
17%
25%
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Single-layer transparent oxide films (e.g. ITO)
Optical transmittance, electrical conductivity, sheet resistance, SE
of ITO films of thickness 200 nm for different values of the no. of
carriers (n)
(x 1020 cm-3)
σ
(S/m)
Rsheet
(W/□)
SE0
(dB)
1
4.80 x104
104
8.98
3
1.44 x105
34.7
15.62
6
2.88 x105
17.4
21.46
10
4.80 x105
10.4
25.63
30
1.44 x106
3.47
34.86
n
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METALLI TRASPARENTI
Film sottili multistrato costituiti dalla sequenza di
strati conduttivi e non conduttivi
Film multistrato con struttura pseudo-periodica
…
Substrate
Dielectric layer
Metallic layer
Cristalli fotonici 1D
metallo-dielettrico
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Lunghezza d’onda nel vuoto: 400 nm - 700 nm
Frequenze nel visibile:
4.29⋅105 GHz - 7.50⋅105 GHz
Profondità di penetrazione in metalli :
5 nm - 7 nm
Limite all’uso di metalli per la
realizzazione di dispositivi ottici
Nei metalli trasparenti fenomeni di interferenza costruttiva
all’interfaccia metallo-dielettrico consentono al campo EM nel visibile di
propagarsi all’interno di strutture che abbiano un contenuto totale di
metallo di decine di nanometri, pari anche a 10 volte la profondità di
penetrazione.
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Design and realization of transparent EM
shielding coatings
Multilayered coating transparent in the VIS
– Metallo-dielectric PBG or metallo-semiconductor PBG
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
dielectric
metal
electric field intensity
•
Constructive interference
phenomenon at the metallodielectric interface allows EM field
propagation through the structure,
even if the total metal content is
much higher that penetration
depth.
0.0
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PROGETTO E REALIZZAZIONE
MATERIALI SORGENTE
Ag:
Elevata conducibilità elettrica (σAg (bulk)=1.59⋅106 S/m);
risonanza di plasma a 320 nm
TiO2:
Elevato indice di rifrazione nel visibile;
elevata permettività dielettrica
Conducibilità elettrica misurata di film sottili di argento
Spessore [nm
[nm]]
17
63
400
bulk
Conducibilità
Conducibilità elettrica
[S/m]
7.75⋅
7.75⋅106
12.8⋅
12.8⋅106
15.6⋅
15.6⋅106
66.7⋅
66.7⋅106
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CURVA DI SENSITIVITA’ DELL’OCCHIO UMANO
100
Responsivity [%]
80
60
40
20
0
300
400
500
600
700
800
Wavelength [nm]
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VINCOLI DI PROGETTO
1) Efficienza di schermatura a radiofrequenza:
SE ≥ 40 dB
Poichè:
per
30 MHz ≤ f ≤ 6 GHz
lim SE = 45.51 + log d Agσ Ag
f →0
σ Ag ≅ 7.75 ⋅10 6 S/m
d Ag = 68 nm
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2) Portata di corrente al limite termico
Campione di
metallo
trasparente
di larghezza
w con
contenuto
totale di
argento pari
a 68 nm.
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2) Elevata trasparenza nel visibile:
Trasmittanza ottica alla frequenza di massima sensitività
dell’occhio umano, per incidenza normale, superiore al 70%
Trasmittanza media nel visibile, per incidenza normale,
superiore al 60%
2) Invarianza della trasmittanza ottica alla
direzione di incidenza:
Trasmittanza media per angolo di incidenza tra 0° e 90° alla
frequenza di massima sensitività dell’occhio umano,
normalizzata rispetto al valore per incidenza normale,
compresa tra 0.9 e 1.1
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GEOMETRIA DI RIFERIMENTO
d4
Spessore totale di Ag:
d3
Ag
Ag
Ag
d4
d Ag = 2 (d 3 + d 4 ) = 68 nm
Ag
d3
TiO2
TiO2
TiO2
TiO2
TiO2
FILTRO A BANDA
STRETTA
d1
d2
d2
d2
d1
FILTRO A
BANDA LARGA
d3=12 nm
d4=22 nm
d3=d4=17 nm
Gli spessori d1 e d2 degli strati di TiO2 derivano
dall’ottimizzazione delle proprietà ottiche del film
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DEPOSITION OF TRANSPARENT METALS BY
DUAL-ION BEAM SPUTTERING (DIBS)
60
turns/min
substrate
+
Ar + O 2
target
ion
source
Ar
+
GUN1:
sputtering
substrate
ion
source
GUN2:
etching
(1 min)
targets
pumping
system
p ≈ 10-4 mbar
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Sputtering a doppio fascio ionico
(Centro di ricerche ENEA Casaccia)
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ALCUNI CAMPIONI REALIZZATI:
d1
d2
d3
d4
Transparent
Metal
[nm]
[nm]
[nm]
[nm]
A
55
81
12
22
62
91
12
22
32
64
17
17
(narrow-band; high
transmittance)
B
(narrow-band; high
omnidirectionality)
C
(broad-band)
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TRASMITTANZA OTTICA CALCOLATA
(TF Calc, Software Spectra Inc.)
NORMAL INCIDENCE
Transmittance [%]
100
80
60
40
C
A
B
20
0
300
500
700
900
Wavelength [nm]
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Transmittance at 550 nm [%]
Incidenza obliqua
80
A
C
60
40 B
20
0
0
20
40
60
80
Incidence angle θ [deg]
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Immagine SEM del film nanostrutturato
in sezione
Campione C
Ag
TiO2
substrato
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TRASMITTANZA OTTICA MISURATA
Campione A
8080
0°
7070
40°
5050
60°
Transmittance [%]
transmittance av. pol. (%)
6060
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0 300
300
400
400
500
500
600600
700
700
800
800
900
900
wavelenght (nm
)
Wavelenght
[nm]
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Campione B - Risoluzione cromatica: giallo
8080
7070
0°
Transmittance [%]
transmittance av. pol. (%)
6060
40°
5050
60°
4040
30
30
20
20
10
10
0
0
300
300
400
400
500
500
600
600
700700
800
800
900900
wavelenght [nm]
(nm)
Wavelenght
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Campione C – risoluzione cromatica: neutrale
8080
0°
7070
40°
Transmittance [%]
transmittance av. pol. (%)
6060
60°
5050
4040
3030
2020
1010
00
300
300
400
400
500
500
600
600
700
700
800
800
900
900
wavelenght (nm)
Wavelenght [nm]
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Campione C – risoluzione cromatica: neutrale
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Variazione percentuale della trasmittanza media nel
visibile al variare dell’angolo di incidenza:
ΔTav =
Tav (θ ) max − Tav (θ ) min
Da dati misurati:
Tav (θ ) max
⋅ 100
Transparent
Metal
Tav(0°)
Tav(40°)
Tav(60°)
[%]
ΔTav
[%]
A
64.5
58.2
47.7
26.0
B
42.8
45.1
43.4
5.1
C
65.1
62.7
56.6
13.0
[%]
[%]
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SCHERMATURA PASSIVA DI CAMPI EM A
RADIO FREQUENZA
• Efficienza di schermatura
SE dBE
E
= 20 log
Eˆ
SEdBH
H
= 20 log
Hˆ
E, H : campi elettrico e magnetico in assenza di schermo
Eˆ , Hˆ : campi elettrico e magnetico nella stessa posizione in
presenza dello schermo
Per onda piana e schermo
piano infinito:
SEdBE = SEdBH = SEdB
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Modellistica EM:
B A
A B A
E y0
E yN
…
H z0
H zN
y
z
⎡ E y0 ⎤
⎢ H ⎥ = Φ tot
⎣ z0 ⎦
Φ tot =
⎡ E yN ⎤
⎢H ⎥
⎣ zN ⎦
∏Φ
i
i =1, N
x
1
2
3
N-1 N
d1 d2
[
]
SE = 20 log{0.5 Φ tot (1,1) + Φ tot (2,2 ) + η 0 Φ tot (2,1) + η 0−1Φ tot (1,2 ) }
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“Progetto di vetri nanostrutturati”, M.S. Sarto
PROVE SPERIMENTALI
Misure nell’intervallo di frequenze 30 MHz – 18 GHz presso il
Laboratorio di Compatibilità Elettromagnetica (Dip. Ing. Elettrica,
Univ. “La Sapienza” di Roma)
r3=39 mm
r3=22 mm
A. Tamburrano, M.S. Sarto, “Electromagnetic
characterization of innovative shielding materials in
the frequency range up to 8 GHz”, IEEE Int. Symp. on
EMC, S. Clara, Aug. 2004.
A. Tamburrano, M.S. Sarto, “An innovative test
method for the shielding effectiveness measurement
of conductive thin films in a wide frequency range “
IEEE Trans. on EMC, 2006.
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Problematiche di bonding
Film nanostrutturato
su
nanolayered coating
vetro on polycarbonate
33.4 mm
76.8 mm
Film nanostrutturato
nanolayered
coating
su polycarbonate
vetro
on
87 mm
Campione per
misura di
riferimento
87 mm
Campione di
test
Vetro
polycarbonate
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“Progetto di vetri nanostrutturati”, M.S. Sarto
SE misurata
50
SE [dB]
40
poor bonding !
B computed
30
20
B measured [7]
10
0
0
400
800
1200
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frequency [MHz]
“Progetto di vetri nanostrutturati”, M.S. Sarto
Campione di misura con anello di bonding
33.4 mm
Film con struttura
modificata (senza l’ultimo
strato dielettrico)
76.8 mm
87 mm
Campione di
test
modificato
Film multistrato
schermante
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“Progetto di vetri nanostrutturati”, M.S. Sarto
Campione per misura
di riferimento
modificato
33.4 mm
76.8 mm
87 mm
Film con struttura
modificata (senza l’ultimo
strato dielettrico)
Film multistrato
schermante
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“Progetto di vetri nanostrutturati”, M.S. Sarto
SE misurata
50
B measured
- new bonding system
SE [dB]
40
B computed
30
20
good bonding !
B measured [7]
10
0
0
400
800
1200
“Studio per la progettazione
e realizzazione
frequency
[MHz]di schermi elettromagnetici trasparenti”
“Progetto di vetri nanostrutturati”, M.S. Sarto
SE misurata
Frequency range : 30 MHz – 1.2 GHz
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Frequency range : 30 MHz – 6 GHz
60
50
measured
computed sample B
SE [dB]
40
computed
30
measured sample B
SE = 40 dB
20
10
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Frequency [MHz]
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SCHERMATURA ATTIVA DI CAMPI
MAGNETICI A 50 Hz
transparent metal coating
(active shield current path)
I3
I2
I
I
I1
window (plain substrate)
Il metallo trasparente è applicato sulla superficie da schermare e costituisce il
percorso conduttivo per le correnti dello schermo attivo.
Brevetto Sapienza-ENEA no. RM2006A000021, Sarto et al.
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Nickel contacts
Substrato di vetro
Contatti in Nickel
Campione di prova
con contatti in nickel
Metallo trasparente
depositato su area
di dimensioni
(30 mm x 3 mm)
Configurazione schematica
del metallo trasparente
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Misura di trasmittanza ottica e portata di
corrente al limite termico
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Risultati:
•
•
La trasmittanza ottica rimane invariata al variare della corrente iniettata nel
film
La rottura del campione si verifica per corrente superiore di un fattore 3 al
valore teorico della corrente al limite termico
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transparent metal coating
(active shield current path)
I3
I
I2
I
La deposizione del film schermante
sul substrato trasparente ne può
modificare la trasmittanza ottica e la
risoluzione cromatica
I1
window (plain substrate)
transparent metal coating
(active shield current path)
I3
I2
I
I1
L’applicazione di un filtro ottico
dielettrico avente le stesse
caratteristiche di trasmittanza pottica
e luminosità del metallo trasparente
contente di risolvere il problema.
window + optical filter
“Studio per la progettazione e realizzazione di schermi elettromagnetici trasparenti”
“Progetto di vetri nanostrutturati”, M.S. Sarto
100
illuminant CIE-D65
detector photopic (human eye)
T/R (%)
80
T dielettrico
T conduttivo
R dielettrico
R conduttivo
60
40
20
0
400
500
600
700
800
lunghezza d'onda (nm)
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Test configuration
2D enclosure
x
a
PEC
Conductor
Is
a /2
b
h
c
z
Aperture
p
Is=25 A
h=150 mm
a=500 mm
b=600 mm
c=400 mm
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Campo di induzione magnetica
12 dB
22 dB
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SUPERFICI SELETTIVE IN FREQUENZA
TRASPARENTI
6a
3a
a
a
6a
3a
a
a
f [GHz]
a [cm]
0.9
2.96
1.8
1.48
metal
dielectric
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Coefficiente di trasmissione
1.2
dAg=136 nm
dAg=68 nm
1.0
PEC - CST
0.8
T
dAg=34 nm
PEC - EMAT
0.6
0.4
0.2
0.0
0.0
0
0.5
1.0
1.0
frequency [GHz]
1.5
2.0
2.0
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Efficienza di schermatura
50
PEC - EMAT
40
dAg=136 nm
SE [dB]
30
dAg=68 nm
20
dAg=34 nm
10
0
1.E+06
106
1.E+07
107
1.E+08
108
frequency [Hz]
1.E+09
109
1.E+10
1010
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CONCLUSIONI
•
Film sottili nanostrutturati per la schermatura elettromagnetica
– Schermi passivi per radio frequenza
– Schermatura attiva di campi magneticia 50 Hz
– Superfici selettive in frequenza
•
•
•
Realizzazione mediante tecnica di sputtering a doppio fascio ionico
(ENEA Casaccia)
Vantaggi della tecnica di deposizione (substrato plastico o vetroso,
rigido o flessibile, elevato controllo dello spessore, costi contenuti)
Definizione relazione tra le proprietà funzionali e la micro-struttura del
film.
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