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- Istituto per la Microelettronica e Microsistemi
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La fotonica rappresenta una tecnologia abilitante strategica, intrinsecamente multidisciplinare, alla base dello sviluppo di dispositivi e sistemi ad alto impatto per la società contemporanea. Le sue applicazioni interessano ambiti cruciali quali la conversione dell’energia solare, le telecomunicazioni e il trattamento dell’informazione, la biomedicina, il monitoraggio della qualità ambientale e alimentare, la sicurezza, la mobilità intelligente, la domotica, l’aerospazio e la valorizzazione del patrimonio culturale.
L’Istituto sviluppa competenze avanzate nella progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di materiali, dispositivi e sistemi fotonici innovativi, con un approccio che integra micro e nanotecnologie, scienza dei materiali e tecnologie quantistiche.
Le principali linee di attività riguardano:
Il settore dei dispositivi per la conversione dell’energia sta vivendo una crescita significativa, trainata dal crescente interesse verso le fonti rinnovabili e dalla necessità, a livello globale, di ridurre le emissioni di carbonio associate alla produzione energetica. Il fotovoltaico su scala industriale ha già raggiunto la grid parity in numerosi Paesi, aprendo importanti prospettive di sviluppo industriale.
Il fotovoltaico rappresenta inoltre una tecnologia chiave per l’energy harvesting, destinata ad alimentare le nuove generazioni di microsistemi in silicio, sistemi su chip (SoC) e sistemi in package (SiP).
Attualmente, la tecnologia fotovoltaica dominante è basata sul silicio. Tuttavia, nuove tecnologie emergenti stanno assumendo un ruolo sempre più rilevante, sia in integrazione con il fotovoltaico al silicio negli impianti su larga scala, sia in applicazioni innovative quali il fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV), l’elettronica nomade e i dispositivi indossabili.
La varietà di applicazioni e le opportunità di mercato stanno alimentando un intenso sforzo di ricerca e sviluppo. In questo contesto, l’IMM è pienamente coinvolto nelle attività di ricerca sul fotovoltaico, con un forte orientamento verso soluzioni innovative ad elevato potenziale industriale.
Un esempio significativo è il progetto europeo H2020 AMPERE, coordinato da 3SUN / Enel Green Power e con la partecipazione del CNR-IMM, dedicato allo sviluppo di linee di produzione automatizzate per celle solari bifacciali in silicio ad alta efficienza. Tali tecnologie promettono elevati rendimenti, riduzione dei costi e maggiore produttività in termini di kWh per kWp installato.
Le attività di ricerca dell’IMM sono spesso svolte in stretta collaborazione con aziende, con un approccio orientato all’innovazione e al trasferimento tecnologico. Le principali aree di lavoro sono riportate di seguito e possono essere approfondite attraverso i link dedicati.
La fotonica su silicio e le tecnologie optoelettroniche a integrazione ibrida stanno guidando una profonda evoluzione della ricerca industriale, orientata verso l’integrazione efficace e a basso costo di componenti ottici a bassa perdita e circuiti micro/nanoelettronici sullo stesso chip.
L’Istituto è fortemente impegnato in questo ambito, con attività di ricerca focalizzate su tre obiettivi principali:
superare l’intrinseca incapacità del silicio di emettere luce;
sviluppare nuove famiglie di fotodetettori;
progettare tecniche originali di manipolazione della luce su chip a scala sub-micrometrica.
I dispositivi e le tecnologie sviluppati sono destinati a interconnessioni ottiche on-chip e intra-chip, alle future reti ottiche per la trasmissione ultraveloce dei dati e a microsistemi e nanosistemi basati sulla luce.
Tecnologie quantistiche
Un ambito di crescente interesse riguarda le tecnologie quantistiche, con particolare attenzione alla progettazione di hardware e software quantistici. Le attività si fondano sul consolidato know-how dell’Istituto nella realizzazione di dispositivi micro- e nanofotonici, applicabili direttamente allo sviluppo di circuiti e sistemi quantistici integrati.
Strutture fotoniche naturali e biomimetica
Sono inoltre oggetto di studio strutture fotoniche biologiche, come le diatomee, al fine di sfruttarne le proprietà ottiche uniche per la progettazione di dispositivi bio-ispirati e sistemi optoelettronici biomimetici, tra cui super-lenti e concentratori solari.
Imaging, spettroscopia e sensoristica ottica
Le tecnologie fotoniche vengono impiegate anche nello sviluppo di sistemi innovativi di imaging e spettroscopia, basati principalmente su:
olografia digitale,
effetti Raman lineari e non lineari,
tecniche interferometriche e spettroscopiche avanzate.
Le applicazioni includono imaging e microscopia label-free in ambito biomedico, scienza dei materiali, micro/nanoelettronica e in numerosi settori di rilevante interesse industriale.
Parallelamente, vengono sviluppati dispositivi e sistemi in fibra ottica basati su concetti innovativi, quali strutture plasmoniche e metasuperfici integrate sulla punta della fibra, per la realizzazione di sensori ottici biochimici e fisici di nuova generazione. Queste tecnologie aprono la strada allo sviluppo di sistemi lab-on-fiber.
Oltre 60 ricercatori distribuiti nelle diverse sedi dell’Istituto sono coinvolti nelle attività di optoelettronica, riconducibili principalmente ai seguenti ambiti:
