“ NEw MEthodology for dIamond UV DE tec tors ” (NEMEIDE) Realizzazione di fotocatodi per la rivelazione di radiazione UV a film di diamante a partire da polveri nanocristalline. ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE COMITATO NAZIONALE PER IL TRASFERIMENTO TECNOLOGICO COMUNICAZIONE DI INVENZIONE TITOLO PROVVISORIO DELL’INVENZIONE Fotocatodi ad alta efficienza per ultravioletto a base di nanodiamante

Motivazione principale alla base di questo programma ________________________________________________ Recenti risultati sperimentali (1),(2) ottenuti indicano che: Fotocatodi a base di film di diamante preparati con tecnica Spray possono avere le caratteristiche e le potenzialità per tutte quelle applicazioni in esperimenti che richiedono l’uso di un fotorivelatore UV (2) D. Melisi, et.al. “Radiation detectors based on Multiwall Carbon Nanotubes deposited by a spray technique” Thin Solid Films 543 (2013) 19–22 (1) D. Melisi, et.al., “Photodetectors based on carbon nanotubes deposited by using a spray technique on semi- insulating gallium arsenide”. Beilstein Journal of Nanotechnologies, 2014, 5, , doi: /bjnano.5.208

Motivazioni  Trovare un metodo, efficace, semplice, economico per la costruzione di fotocatodi per radiazione UV  Main requirement  QE:  Lunghezza di assorbimento dei fotoni  Lunghezza di diffusione dei fotoelettroni  probabilità di fuga dei fotoelettroni  EA del materiale

Ricerca di nuovi materiali  Materiale più usato CsI  Pros:  Banda proibita di 6.1 eV  Lunghezza di assorbimento dei  comparabile con lunghezza di diffusione degli e   Bassa affinità elettronica (0.1 eV)  Cons:  “fragilità chimica” per proprietà igroscopiche  QE variabile per esposizione ad aria umida  Diminuzione QE per high  flux (dQE/d  = -20%/5mC/cm 2 )  QE diminuisce in assenza di flusso

Proprietà del diamante micro e nano-cristallino  Una band-gap di 5.5 eV   absorption length  e  diffusion length  Buone proprietà fotoemissive (bassa EA < 1 eV)  EA dipende dalle proprietà di superficie  Elevatissima resistenza alle radiazioni  Stabilità chimica (1) La maggior parte degli elementi hanno affinità elettronica negativa. Questo significa che non necessitano di energia per acquistare un elettrone, al contrario, la rilasciano Schema a bande per: a) affinità elettronica positiva; b) affinità elettronica negativa generata dai dipoli indotti a seguito di cesiazione della superficie; c) affinità elettronica negativa “true” ottenuta per diamante cresciuto in presenza di plasma di idrogeno a 800°C.

Tecniche di deposizione  Le tecniche che vengono principalmente utilizzate per crescere i film di diamante sono:  chemical vapor deposition (CVD);  microwave plasma enhanced CVD (MWPECVD);  hot filament CVD (HFCVD)  Struttura amorfa  struttura cristallina  temperatura del subtrato ( °C)  Favorito il Si, stessa struttura cristallina, conducibilità termica (vedi 3D_SOD)  Efficienza fotoemissiva  proprietà chimico-fisiche dei grani e valori NEA del materiale L’attivazione delle proprietà NEA di un film di diamante post-deposizione ha bisogno:  di alte temperature  processo reversibile con esposizione ad aria del film

Metodo innovativo  Procedura di realizzazione di fotocatodi con film di diamanti depositati a bassa temperatura (T amb -120°C) con proprietà NEA  Utilizzate tecniche spray per la deposizione (1) da diamante policristallino (procedura per la richiesta di brevettazione in fase avanzata (2) ) Vantaggi della tecnica  Maggiore stabilità nel tempo per esposizione all’aria  Facile scalabilità su grandi dimensioni  Il processo realizzativo garantisce la piena eco-sostenibilità del prodotto (1) M. Ambrico et.al.,“Photodetectors based on carbon nanotubes deposited by using a spray technique on semi- insulating gallium arsenide” Beilstein J. Nanotechnol. 2014, 5, 1999–2006. This work was carried out in the frame of HP3 (Hadron Physics 3) European Project and GR.V-INFN SinPhoNIA (Single Photon Nanotechnology Innovative Approach) Collaboration (2) A. Valentini, D. Melisi, G. De Pascali, G. Cicala, L. Velardi, A. Massaro “Fotocatodi ad alta efficienza per ultravioletto a base di nano diamante” Proposta di Brevetto INFN rif. 02/2015

Risultati ottenuti (I)  Diversi tipi di substrato:  (i) su substrato p-Si,  (ii) Prototipi A e B su substrato p-Si e prototipo C su substrato di Kapton.  (iii) su substrato p-Si

Risultati ottenuti (II)  Variazione della QE vs Time;  Ottima stabilità nel tempo

I° Anno 1)Testare altri tipi di polveri di diamante per la realizzazione dei fotocatodi. In particolare si vogliono testare polveri con grani di dimensioni più piccole (fino a 50 nm) di quelle già testate di 250 nm. 2) Innovazione delle metodologie già messe a punto per la realizzazione su grandi aree di fotocatodi per l'UV a base di film di diamante 3)realizzare fotocatodi su altri tipi di polimero oltre al Kapton; 4)ottimizzare per questi nuovi materiali i processi di trattamento delle superfici per renderlo NEA. Particolare attenzione sarà posta in questa fase anche alle proprietà chimiche di partenza delle polveri (rapporto sp2/sp3); II° Anno 4) testare altri tipi di solventi per la realizzazione delle soluzioni, con particolare riferimento alla possibilità di usare soluzioni a base di acqua: rendere il processo ecosostenibile; 5) effettuare uno studio più sistematico sui processi di decadimento della QE dei primi giorni di esposizione ad aria e fare uno studio sulla stabilità per esposizione ad alto flusso di fotoni; 6) Infine, tenuto conto che nella Sezione di Bari c’è un Gruppo di ricerca INFN che si sta occupando di GEM, in collaborazione con loro si realizzerà un prototipo di GEM con fotocatodo basato sulle metodologie messe a punto durante le precedenti fasi.

Milestones  Risultati dei test di fotoemissione di fotocatodi su polimeri diversi dal Kapton (Aprile 2016)  Risultati dei test di realizzazione dei fotocatodi con metodi maggiormente ecosostenibili (Giugno 2016)  Risultati sugli studi di stabilità della QE per esposizione ad aria (Novembre 2016)  Risultati inerenti la stabilità della QE dei fotocatodi per esposizione ad alto flusso di fotoni (Aprile 2017)  Test finale di prototipi di GEM con fotocatodo di diamante realizzato sulla base delle metodologie messe a punto durante le precedenti fasi (Luglio 2017)

I° anno II° anno Missioni 34 Materiale di consumo: - Substrati 5 -Polveri di diamante 2 - Gas 2 -Solventi1 -Provette per centrifuga1 -Crogioli410 Materiale inventariabile Atomizzatore9 ________________________________________________________________________ TOTALE 2714 Richieste Finanziarie

Sezione di Bari - Antonio Valentini 40% Resp. Naz. e Locale - Enrichetta Maria Fiore 20% (Ric. Univ.) -Luigi Schiavulli 20% (Prof. Associato) -Teresa Ligonzo 20% (Ric. Univ.) -Vincenzo Paticchio 20% (Pr. Ric. INFN) - Grazia Cicala (I° Ric. CNR) 30%(da associare) - Luciano Velardi(Borsista CNR) 30%(da associare) Formazione del Gruppo