Denominazione Centro
 LAMM – Laboratorio di Magnetismo Molecolare
Indirizzo
 Via della Lastruccia 3, 50019 Sesto F.no (FI)
Responsabile e persone di contatto
Nome Ruolo Telefono E-Mail
Andrea Caneschi Coordinatore attività 0554573327 andrea.caneschi@unifi.it
Matteo Mannini Responsabile lab. superfici 0554573278 matteo.mannini@unifi.it
 Claudio Sangregorio Responsabile lab. Materiali magnetici nanostrutturati  05545733270 claudio.sangregorio@iccom.cnr.it
Keywords
 Materiali nanostrutturati, caratterizzazione magnetica, caratterizzazione strutturale, caratterizzazione dei materiali, analisi di superfici, morfologia di superfici, XPS, LEIS, LEED, XPD, UPS, TDS, STM, AFM, MFM, TEM, EPR, materiali magnetici, materiali magnetici nanostrutturati, ipertermia, magneto-plasmonica, magneto-ottica, sintesi di nanoparticelle di ossidi misti, nanoparticelle core-shell, isteresi magnetica, campi coercitivi, misure di perdite di carico, nano medicina, SAR, drug delivery, teranostica, caratterizzazione superconduttori, nanoscienza, sintesi e deposizione nuovi materiali, material nanostrutturati.
Il centro ha aderito al “progetto laboratori” ed è stato inserito nel repertorio regionale di cui al Decreto n.4819 del 27-10-2014?
 SI
Descrizione del centro
 Il Laboratorio di Magnetismo Molecolare, LAMM, è molto conosciuto a livello internazionale per i suoi studi sui sistemi magnetici, sia molecolari, essendo stato tra gli scopritori di questo campo di ricerca, sia sistemi tradizionali o nanostrutturati. Nel settore del magnetismo ha la miglior attrezzatura d’Italia e tra le più complete d’Europa. Segue diverse linee di ricerca che includono le nanoparticelle magnetiche per applicazioni biomediche e per il risparmio energetico nell’elettronica d’avanguardia, sistemi per applicazioni magneto-plasmoniche, materiali a base di terre rare, sistemi bistabili, sistemi con effetti quantici e con coerenza quantica di spin, organizzazione di molecole su superfici e integrazione di molecole in dispositivi spintronici. In questi settori il LAMM è risultato un laboratorio di punta nel campo della ricerca mondiale.Da qualche anno, grazie all’unione con un altro gruppo di ricerca, le competenze del LAMM si sono espanse anche alla scienza delle superfici, vantando pure in questo campo un’attrezzatura di avanguardia per studi particolarmente avanzati, come pure la disponibilità di un’attrezzatura più dedicata a studi applicativi, essenzialmente per analisi chimica, fisica e morfologica, di materiali e superfici, finalizzata a collaborazione con aziende. Anche nel campo delle superfici sono stati ottenuti prestigiosi risultati che hanno permesso di attrarre importanti fondi di ricerca ed interessanti collaborazioni applicative.

Una parte importante dell’attività del LAMM è anche quella formativa: il gruppo oscilla tra le 20 e le oltre 30 persone a seconda dei periodi ed ha formato molti ricercatori, italiani e straneri, che hanno trovato poi la loro strada lavorativa sia presso importanti aziende, che in molti centri accademici europei.

Il LAMM è sempre disponibile ad esaminare problemi e desideri che aziende possano avere, sia per sviluppare contratti di ricerca mirati a risolvere problemi o implementare processi, che per promuovere progettualità comune alla ricerca di fondi pubblici di supporto, regionali, italiani ed europei.
Ambiti di applicazione e Servizi
 Il LAMM lavora in ambito chimico, fisco e di scienza dei materiali, con un approccio di caratterizzazione e ricerca su material tradizionali allo stato solido che un approccio nanotecnologico avanzato. Le nanotecnologie sono trasversali a molti settori di ricerca e applicazione, tra questi possiamo ricordare il settore chimico puro, con fortissime applicazioni nel campo dei ceramici e dei polimeri, il settore della moda in quasi tutte le sue declinazioni, il lapideo, il nautico, la meccanica, il risparmio  energetico e l’ambito dele le scienze della vita.Alcuni settori molti specifici in cui il LAMM lavora, sono di seguito elencati, ma approcci a settori nuovi avvengono con continuità, sfruttando la trasversalità delle conoscenze di nanotecnologie:

1) Materiali magnetici: determinazione e analisi delle proprietà magnetiche dinamiche e statiche di materiali magnetici hard e soft (magnetizzazione, isteresi, temperature critica, suscettività….). Sintesi di sistemi magnetici nano strutturati (ossidi, metalli, molecole).

Analisi della composizione elementare e della fase cristallina.

Identificazione del sistema cristallino e del grado di cristallinità.

Indagine della morfologia.

2) Materiali paramagnetici: indagine ed analisi delle proprietà elettroniche mediante EPR (risonanza paramagnetica elettronica).

Determinazione e analisi delle proprietà magnetiche dinamiche e statiche (magnetizzazione,  suscettività, momento magnetico, accoppiamento tra centri paramagnetici….).

Analisi della composizione elementare, determinazione della struttura molecolare.

Indagine della morfologia.

Sintesi di sistemi paramagnetici molecolari puramente inorganici, organici-inorganici ed organici (radicali). Organizzazione su superfici.

3) Materiali nano strutturati: indagine ed analisi delle dimensioni e della morfologia.

Analisi della composizione elementare e della fase cristallina. Identificazione del sistema cristallino e del grado di cristallinità.

Determinazione e analisi delle caratteristiche magnetiche dinamiche e statiche di materiali con proprietà magnetici.

Determinazione delle capacità ipertermiche.

Sintesi di nano particelle (ossidi, metalli, core-shell ed altre combinazioni) per le seguenti applicazioni:

  1. a) preparazione di nuovi materiali magnetici;
  2. b) ricopertura di nanoparticelle con strati molecolari funzionali per la preparazione di sistemi per drug delivery, per riconoscimento molecolare (targeting) e per diagnostica mediante NMR e MRI;
  3. c) preparazione di sistemi magneto-plasmonici ed indagine delle loro proprietà ottiche, magnetiche e magneto-ottiche;
  4. d) sistemi elettronici (induttori e trasformatori) a basse perdite di carico

4) Superfici: analisi morfologica e composizionale.

Mappatura composizionale della superficie.

Preparazione di superfici metalliche per evaporazione in UHV.

Preparazione di sistemi multistrati metallici.

Preparazione di monostrati e multistrati molecolari per evaporazione in UHV o per via umida (SAM: self assembled monolayers).

Funzionalizzazione di sistemi molecolari per attacco su superficie. Preparazione di film molecolari per spin coating.

5) Superconduttori: determinazione delle perdite di carico e della temperatura critica.

Cicli di isteresi.

Determinazione della composizione elementare.

Collaborazioni e contratti con imprese ed altri centri: 

Negli ultimi anni, oltre a partecipazione congiunta in progetti Europei e regionali,  sono stati sviluppati contratti di ricerca con aziende il cui nome è coperto da NDA, trattasi comunque di aziende operanti nei seguenti settori:

– biomedicale

– farmaceutico

– ceramici

– risparmio energetico

– elettronica avanzata

– superconduttori
Infrastrutture e principali attrezzature
 –  2 Magnetometri SQUID ad alta sensibilità,  Cryogenic ed Oxford, dotati di magnete superconduttore da 6,5 T, operante tra 2 e 450 K, equipaggiati con lock-in e bobine per misure di suscettività dinamica. Dotati di fibra ottica per misure di foto-magnetismo in campo magnetico applicato da 300 a 6 K. Lampada eccitatrice UV-Vis e vari laser.-  Magnetometro a campione vibrante (VSM), Oxford Instruments, Magnetometro caratterizzato da alta sensibilità a campi magnetici elevati e da rapida risposta. E’ dotato di un magnete non persistente che può raggiungere ± 12 T, di bobine di rivelazione ad alta sensibilità, fornace per misure ad alta temperatura operante tra 1.5 e 1000 K. E’ dotato di bobine per misure di suscettività ac nell’intervallo di frequenze tra 5 Hz e 50 kHz.

– Magnetometro Cantilever, Oxford Instruments, per misure di anisotropia magnetica su monocristalli di dimensioni microscopiche in campi sino a 12 T, operante tra 1.6 e 280 K.

Physical Property Measurement System (PPMS): Quantum Design. Piattaforma con campo magnetic di 9 T per differenti tipi di misura: VSM, suscettometria AC (10 Hz-10KHz), misure di trasporto AC-DC ed esperimenti MFM (vedi dopo) 1.8K and 400K.

– Suscettometro ac,  dotato di un criostato ad 3He Oxford Instruments, operante tra 0.3 e 300 K ed

equipaggiato con magnete superconduttore da 5 T.  La frequenza di lavoro è operante nell’intervallo 20 Hz e 30 kHz.

– Suscettometro ac, operante tra 1.5 e 300 K equipaggiato con magnete superconduttore da 12 T; sonde di misura operanti nell’intervallo di frequenze 0.1Hz-25kHz e 50kHz-500kHz.

–Set-up per misure magneto-termiche con generatore CELES MP6 operante tra 50 e 400 kHz con campi fino a 11 kA/m permette di misure l’effetto ipertermico di nanoparticelle magnetiche.

– Set-up per misure di perdite di potenza e di permeabilità elettrica di conduttori ed induttori in campo magnetico. Sistema home-made operante nell’intervallo 0 – 2 MHz per le perdite di potenza e 9 KHz – 1 GHz per la permeabilità.

– Spettrometro NMR a banda larga, Stelar, per misure su campioni paramagnetici allo stato solido, sia in forma massiva che diluita nell’intervallo 3-120 MHz, dotato di criostato a flusso operante tra 4 e 300 K.

– Spettrometro EPR E500 Elexys, X-band, Bruker equipaggiato con  criostato CF helium della Oxford Instruments (4-300 K), e con  criostato CF nitrogen della Oxford Instruments  (100-500 K), cella portacampione ad alta sensibilità per soluzioni (AquaX), cavità standard e cavità ad alta sensibilità. Equipaggiabile anche sistema goniometrico automatico per misure ad angolo variabile.

– Spettrometro EPR E600CW, W-band, Bruker, operante con sorgenti eccitatrici a 95 GHZ nella frequenza della banda W. Equipaggiato con magnete superconduttore da 6 T con split coils, insert per alta e bassa sensibilità, criostato ad elio liquido per operare da 300 K sino a 2 K, goniometro per misure su cristallo singolo.

– Spettrometro EPR: 2 spettrometri Varian E9 equipaggiati con criostato a flusso della Oxford Instruments (4 – 300 K) operanti con sorgenti eccitatrici alle frequenze delle bande X e Q.

– Irraggiamento Tutti gli spettrometri descritti precedentemente hanno la possibilità di irraggiare I campioni usando differenti fibre ottiche. Sono disponibili lampade (75 W Xe  Lamp con filtri bandpass) e diodi laser che possono operare alle seguenti frequenze: 904, 850, 785, 690, 658, 655, 534, 405 nm. Collimatori, filtri e power-meter completano la disponibilità. Anno 2009, 20.000 E.

– Criostato con finestra ottica Oxford Spectromag SM4000-11.5 con 4 finestre in silice fusa operante nell’intervallo 1.4–260 K ed equipaggiato con magnete superconduttore con split coil orizzontali, campo magnetico +/- 11.5 T a 2.2 K. A questo criostato sono abbinate le seguenti sorgenti laser: Melles-Griot He:Ne (632.8 nm) laser. Argon laser (458-514 nm). Laser Ti:Al2O3  con impulso al femtosecondo e sorgente laser (780-860 nm). Dye laser (580-640). Altri diodi laser con lunghezza d’onda e potenza di uscita variabili (normalmente nell’intervallo da 3 a 15 mW).

– SMOKE:  setup per misure KERR e MOKE anche su superficie è stato costruito usando come base il criostato Spectromag  precedentemente descritto per misure magneto-ottiche quantitative del vettore di magnetizzazione. Questo set-up è velocemente adattabile per eseguire anche misure di Dicroismo Circolare e di Effetto Faraday, utilizzando i componenti specificati sopra. Anno 2004, 100.000 E.

– SPM a temperature variabile: marca Omicron mod. XA-VT completo di camera di preparazione e trattamento dei campioni in situ (molecular and beam evaporator, QCM, stadi di raffreddamento e riscaldamento del campione) in ultra alto vuoto e collegamento diretto con la piattaforma di caratterizzazione e analisi chimico-fisica di superficie (vedi sotto) permette lo studio morfologico di superfici solide attraverso la tecniche STM ed AFM  in un intervallo di temperatura compreso fra i 20K ed i 500K. Permette anche: Friction Force Microscopy, Electrostatic Force Microscopy (EFM), Scanning Kelvin Probe Microscopy (SKPM) and Magnetic Force Microscopy (MFM).

– AFM/STM operante a temperatura ambiente: NT-MTD (http://www.ntmdt.ru). Sistema ad alta stabilità, è adatto a nanolitografia AFM, Lateral force microscopy, Magnetic force microscopy (MFM), Kelvin Probe Microscopi e molte altre tecniche di analisi SPM.

– HV-AFM: si tratta di un sistema AFM operante in alto vuoto e predisposto per anche per l’irraggiamento con luce UV-Vis durante la misura AFM.

– LT-MFM: Attocube attoMFM permette misure di Magnetic Force Microscopy in temperatura variabile da 1.8K a 320K con campo magnetico fino a 9T perpendicolare al piano della superficie. Questo set-up modificabile secondo le esigenze dell’utenza, è estremamente efficace per la caratterizzazione di materiale magnetico nano-strutturato e, in dipendenza dalla qualità della punta, permette una risoluzione fino sotto i 20nm in contrasto magnetico con modalità dual pass.

– Piattaforma Multi-Tecnica di Caratterizzazione e Analisi Chimico-Fisica di Superficie: Piattaforma multi tecnica (XPS + XPD + UPS + LEIS + TDS + LEED) per analisi chimico-fisica qualitativa e quantitativa di superfici metalliche  ed ibride. Essa permette attraverso varie tecniche di analisi in ultra alto vuoto, basate su spettrometrie di foto-elettroni, elettroni e ioni, di determinare la composizione e la struttura superficiale di campioni solidi. La piattaforma oltre alle tecniche di analisi offre la possibilità di trattamento termico ed etching superficiale (sputtering & annealing) dei campioni da analizzare, così come di crescita di film metallici e di ossidi. La tecnica XPS, atta a rivelare la composizione e lo stato chimico degli elementi presenti nella prima decina di strati atomici superficiali dei campioni analizzati, è comprensiva di una sorgente a raggi X a doppio anodo (Al+Mg) mod. TA10 di fabbricazione VSW, di una sorgente a raggi X micro focalizzata e mono cromatica SPECS mod. XR-MF Focus 600 e di un analizzatore emisferico SPECS mod. Phoibos 150 con rivelatore multi canale 1D-DLD. La spettroscopia di foto-elettroni in luce ultra violetta (UPS) fa uso di una lampada UV di fabbricazione VG e dell’analizzatore emisferico di cui sopra ed è in grado di rivelare lo stato di legame che esiste fra le molecole adsorbite e la superficie medesima. La spettroscopia di ioni di bassa energia (LEIS), capace di rivelare la composizione chimica del solo primo strato atomico superficiale, è basata su una sorgente ionica  focalizzata Omicron mod. ISE100 e sul medesimo analizzatore emisferico. La diffrazione di foto elettroni X (XPD) atta a determinare la struttura cristallina tridimensionale dei primi strati atomici, è basata sulle apparecchiature della spettrometria XPS e l’uso di un manipolatore automatizzato con cinque gradi di libertà di marca VG. La diffrazione di elettroni lenti (LEED) fa uso di uno spettrometro NG LEED a quattro griglie di marca Omicron ed è capace di rivelare la struttura cristallina bidimensionale dell’ultimo strato atomico. Infine la spettroscopia di desorbimento termico (TDS), facendo uso delle possibilità di variazione della temperatura dei campioni trai 100 ed i 1000K offerte dal manipolatore VG, è in grado di rivelare qualitativamente e quantitativamente le molecole adsorbite in superficie basandosi sulla loro temperatura di desorbimento, attraverso uno spettrometro di massa a quadrupolo di marca VG mod.VGQ.

– Preparazione in UHV: Setup indipendente per evaporazione molecolare Home build.  Sempre home-made setup per deposizione in alto flusso in condizioni UHV.

– Camera UHV per evaporazione molecolare connessa alla piattaforma preparativa: MBE Komponenten NTEZ cella evaporatrice NTEZ 40-10-22-KS

– Camera UHV per evaporazione di metallica, connessa alla piattaforma preparativa: evaporatore  Omicron EFM3 equipaggiato con neutralizzatore ionico.

– Spin-coater, home-made, che permette una deposizione controllata di film via spin-coating con una scelta di modulazione di spinning programmabile.

– Glove Box MBraun, attrezzata per sintesi chimica e manipolazione materiali sensibili, doppia camera di ingresso, sensori per umidità ed ossigeno, riciclo a circuito chiuso su trappole e catalizzatori.
Modalità di accesso
 Il laboratorio è aperto alla collaborazione con altri centri accademici e con aziende, ed ha una consolidata esperienza per entrambi.
Le modalità di accesso sono informali, e passano da un contatto preliminare con i responsabili indicati in questa schede. Non essendo un laboratori di analisi e studi  routinari l’accesso si basa su un’analisi preliminare della problematica proposta a cui segue un piano operativo in cui sono anche resi noti i costi, nelle varie opzioni proposte o in contratti step o ad obbiettivo.
Brevetti
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Collaborazioni e partecipazioni in ambito nazionale ed EU a reti ed organizzazioni strutturate (quali cluster, nazionali ed europei, PPP, reti di ricerca, reti COST, etc.)
 A livello nazionali il Laboratorio partecipa a reti di collaborazione su progetti scientifici con diversi altri laboratori e centri di ricerca sulle seguenti piattaforme, convenzioni, reti:Consorzio INSTM, Progetti FIRB; Progetti MISE; Progetti PRIN; Progetti SIR.

A livello internazionale siamo presenti in diversi progetti di ricerca e su piattaforme per la condivisione delle facilities quali:

European Institute of Molecular Magnetism – EIMM,  3 reti COST (MOLSPIN, RADIOMAG, CRM-EXTREME).

Progetti europei recenti (VIIFP, H2020, ERC): MOLNANOMAS, NANOPYME, ANPHIBIAN, NANOMAGMA, FEMTOTERABITE, MOLSPINQIP, NANOTHER, DEISA, eCAMM, AMNOS, ESN-STM