Littérature scientifique sur le sujet « Deposizioni di film sottili »

Questo lavoro di tesi è articolato in due parti. Lo scopo della prima è la realizzazione di un impianto di magnetron sputtering, partendo da una camera da vuoto ed assemblando vari componenti: pompe da vuoto, un porta-substrato, due catodi con i rispettivi target ed impianti di raffreddamento, due sensori di pressione, un regolatore di flusso di gas in ingresso, un sistema di acquisizione dati interfacciato al PC tramite un programma in ambiente LabVIEW. L’intero apparato è stato inoltre disegnato tramite software SketchUp per osservarlo in 3D e poterne misurare le caratteristiche interne. Lo scopo della seconda parte è di testare il funzionamento del macchinario depositando una serie di film sottili di biossido di titanio (con diversi spessori) su dei vetrini già ricoperti da uno strato conduttivo di ITO (ossido di indio-stagno). Il biossido di titanio (TiO2) è un materiale noto in letteratura per la realizzazione di fotoanodi. Gli elettrodi prodotti in laboratorio tramite sputtering sono stati successivamente testati utilizzando una cella fotoelettrochimica, immergendo i fotoanodi in una soluzione elettrolitica ed illuminandoli tramite una lampada allo xenon per simulare l’esposizione alla luce solare. Altri elettrodi dello stesso materiale sono stati depositati tramite cannone elettronico per confrontarne le efficienze con quelli prodotti tramite sputtering. L’obiettivo è un buon assorbimento della luce incidente da parte degli elettrodi, la produzione di fotocorrente e la conseguente scissione delle molecole d’acqua della soluzione elettrolitica, al fine di produrre idrogeno evitando emissioni di anidride carbonica in atmosfera (a differenza dei metodi attualmente in uso).

L’ingegneria delle superfici si occupa dello studio di processi finalizzati alla modifica superficiale dei materiali, al fine di conferire a questi ultimi nuove proprietà, lasciandone inalterate le caratteristiche di bulk. Tra i processi di modifica superficiale di materiali, la deposizione di coating (film sottili) risulta di particolare interesse, in quanto permette di migliorare le caratteristiche di materiali largamente impiegati in diversi settori. Tra le varie tecniche di deposizione di coating esistenti, i trattamenti di deposizione plasma assistiti spiccano poiché consentono di ottenere coating con caratteristiche (chimiche, morfologiche e strutturali) idonee per un vasto range di applicazioni, tali trattamenti godono anche di vantaggi peculiari, quali ad esempio basse temperature di processo, tempi di trattamento contenuti ed ecosostenibilità, poiché non richiedono l’utilizzo di solventi chimici. Il processo di deposizione plasma assistito prevede l’introduzione di un precursore, generalmente trascinato da un gas (carrier gas), all’interno della scarica plasma. Quest’ultima ha il compito di frammentare il precursore che, tramite reazioni in volo e in superficie, andrà a ricombinarsi portando alla formazione del coating solido desiderato sulla superficie del materiale. Questa tecnologia può essere implementata sia a pressione atmosferica sia a bassa pressione; benché la deposizione a bassa pressione sia una tecnica consolidata ed implementata industrialmente, recentemente la deposizione a pressione atmosferica sta emergendo come valida alternativa. Nonostante ottenere coating con caratteristiche adeguate sia più complicato a pressione atmosferica che a bassa pressione, la ricerca è fortemente motivata verso questo ambito.

The controlled growth of nanostructured thin films represents a challenging field of research which is related to many different applications of great scientific relevance. The properties of many materials can be greatly enhanced by optimizing the nanoscale assembly processes: by modelling the nanoparticles which create and assemble a film it is possible to achieve very promising results, although it requires a bottom-up approach capable of tailoring the properties with a high level of control or a complex set-up. Plasma-based synthesis processes have been widely developed and applied for an increasing number of technologies leading to important achievements and many industrial-scale applications, in particular in the field of nanoscience. Plasma Assisted Supersonic Jet Deposition offers a novel approach for nanostructured thin films deposition by combining a reactive plasma with a supersonic jet. An argon-oxygen inductively coupled plasma offers a reactive environment where a metalorganic precursor (titanium isopropoxide for TiO2 depositions) is dissociated and oxidized. The gas is then left to expand from a small orifice into a lower pressure vacuum vessel forming a supersonic jet, where the TiO2 nanoparticles are accelerated onto a substrate by the gas carrier mixture. This deposition technique has proven useful for the deposition of nanostructured thin film having a desired morphology at competitive deposition rates. In order to achieve an effective improvement of the synthesis process, an accurate knowledge of the expanding plasma jet chemistry and physics is of fundamental importance. In this PhD project a deep characterization of the supersonic plasma jet was performed using different diagnostics. The plasma discharge in the reactor was monitored by optical emission spectroscopy, Langmuir probes and the measurement of voltage and current across the antenna of the ICP source. The supersonic plasma jet was characterized using a quadrupole mass spectrometer to sample the gas from the jet at different positions along its axis of symmetry. The detection of neutral species, radicals, ion fluxes and their energy distribution functions led to an understanding of the expanding plasma properties, its composition and its influence on thin films deposition. In addition to this, based on experimental observations, a MATLAB code was developed to reproduce the ion energy distribution functions numerically from first principle calculations. During this project plasma assisted supersonic jet deposition was also operated for the deposition of nanostructured TiO2 samples whose chemical, physical and morphological properties were analysed by FTIR, profilometry, ellipsometry, AFM and SEM.

La ricerca sulle fonti di energia rinnovabili è un tema di grandissima importanza. Tra queste, l’energia solare è una delle più promettenti. Essa può essere convertita in energia chimica. In questo caso, l’energia solare viene sfruttata per produrre combustibili, i cosiddetti solar fuels, fra i quali spicca l’idrogeno, che non rilascia sostanze inquinanti o gas serra durante la combustione tradizionale o in celle a combustibile. L’idrogeno può essere ottenuto dall’acqua tramite una cella fotoelettrochimica, in cui la luce solare, assorbita da un elettrodo semiconduttivo, permette che avvenga la scissione delle molecole d’acqua. Il materiale più studiato per realizzare i fotoelettrodi è la TiO2, grazie alla resistenza alla corrosione e al basso costo. In questa tesi è descritta la realizzazione, effettuata in laboratorio, di fotoelettrodi di TiO2 e le misure effettuate su di essi. Gli elettrodi sono stati prodotti tramite deposizione fisica di vapori, con la quale è stato possibile realizzare dei film sia compatti che porosi costituiti da nanoparticelle, questi ultimi tramite la condensazione in atmosfera gassosa. Sono stati prodotti elettrodi di vari spessori e in diverse condizioni durante l’evaporazione e sono stati sottoposti a trattamenti termici. Essi sono stati utilizzati come fotoanodi in una cella fotoelettrochimica sulla quale sono state compiute misure per determinare grandezze come la fotocorrente prodotta in condizioni di illuminazione e il flatband potential. Inoltre è stato discusso un modello circuitale con cui è possibile schematizzare la cella ed è stato verificato il suo effettivo funzionamento tramite misure di spettroscopia di impedenza. In questo modo si è cercato di determinare per quali valori di spessore, trattamento termico e condizioni di crescita i campioni dessero le risposte migliori. La morfologia superficiale dei campioni è stata analizzata tramite la microscopia elettronica a scansione (SEM) e quella a forza atomica (AFM).

La polimerizzazione plasma assistita è una tecnica che permette di ottenere film sottili adatti per una vasta gamma di applicazioni. Questi polimeri presentano differenti proprietà rispetto a quelli prodotti mediante polimerizzazione convenzionale: mostrano una struttura reticolata, sono amorfi, presentano un limitato numero di pinhole e aderiscono bene alla maggior parte dei substrati. Grazie a queste eccellenti proprietà, i film prodotti tramite polimerizzazione plasma assistita sono utilizzati in diverse applicazioni nel settore meccanico, elettronico e biomedicale. Inoltre, negli ultimi decenni, questi film hanno ricevuto grande attenzione da parte dell'industria del packaging alimentare poiché i materiali plastici principalmente impiegati, quali il polipropilene (PP) e il polietilene tereftalato (PET), hanno lo svantaggio di non assicurare sufficienti proprietà barriera ad agenti esterni come l’ossigeno e il vapore acqueo. La conseguente non adeguata shelf-life dei prodotti confezionati ha spinto il mondo industriale a ricercare nuove soluzioni. Attualmente l'industria alimentare si è orientata verso l'impiego di coating a base silicio (SiO2) che oltre a garantire un miglioramento delle proprietà barriera, sono trasparenti. Tra le tecniche principalmente utilizzate per la deposizione di questi film vi è la Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), dove un precursore viene vaporizzato, frammentato dalle specie presenti nel plasma e ricombinato per poi formare su un substrato il coating desiderato. I precursori più utilizzati sono gli organosilicati poiché presentano una buona volatilità a temperatura ambiente, non sono tossici, non sono infiammabili e sono facilmente reperibili a livello commerciale. L'obiettivo del seguente elaborato, in una prima fase è stato quello di caratterizzare chimicamente e morfologicamente il coating depositato tramite Corona Jet. Nella seconda fase è stato affrontato il calcolo della potenza dissipata in DBD .

Negli ultimi 20 anni lo studio dei materiali organici dalle proprietà conduttive si è ampliato significativamente in un range di applicazioni molto vasto, che va dall'assemblaggio e costruzione di sistemi microelettronici avanzati ad applicazioni nel campo della bioelettronica e dell'ingegneria biomedica. Il presente lavoro rappresenta un punto d'incontro tra la fisica dei materiali e la ricerca in ambito biomedico e verte sullo studio delle particolari proprietà del poli(3,4-etilenediossitiofene) drogato con poli(stirene sulfonato), o PEDOT:PSS, utilizzato nella preparazione di substrati per colture cellulari. Nel primo capitolo, di natura descrittiva, viene presentata una panoramica sui polimeri conduttivi e sulle loro caratteristiche principali con particolare approfondimento sul PEDOT:PSS e sulle sue applicazioni in ambito di ricerca. Il secondo capitolo contiene una descrizione approfondita della strumentazione e delle procedure utilizzati per la caratterizzazione dei campioni: sommariamente, questi comprendono misure di resistenza superficiale, di angolo di contatto e analisi morfologiche tramite AFM. Nel terzo e ultimo capitolo vengono esposte le tecniche di preparazione dei campioni e vengono mostrati e discussi i risultati delle misure eseguite sui campioni preparati.

Scopo del presente lavoro di tesi è lo studio dei processi di fotogenerazione e trasporto di carica in film sottili di Rubrene trasferiti su substrati differenti, attraverso un’analisi degli spettri di fotocorrente ottenuti in laboratorio. I cristalli sono studiati realizzando contatti ohmici mediante deposito di vapori di oro sul campione. Le prestazioni ottenute variano a seconda del substrato; i segnali di fotocorrente migliori derivano dai campioni su vetro. L’andamento qualitativo è il medesimo al variare dei cristalli, così come i valori di energia dei fotoni incidenti corrispondenti ai picchi massimi del segnale. Si evidenziano tuttavia distribuzioni di difetti leggermente differenti. Nell’analisi comparata tra gli spettri di assorbimento e fotocorrente si riscontra un comportamento antibatico; vari tentativi di simulazione e applicazione dei modelli finora noti in letteratura per i cristalli organici (sebbene non ve ne siano per i film sottili di Rubrene), mostrano la completa inapplicabilità degli stessi al presente caso di studio evidenziando la necessità di modelli teorici specificamente studiati per la nanoscala. Una ragionevole motivazione di tale scontro risiede proprio nel conflitto tra gli ordini di grandezza dei parametri delle strutture in esame e le leggi sulle quali si basano le analisi proposte in letteratura, incongruenza che non appare invece su scala micrometrica, ove tali modelli sono stati sviluppati.

Lo scopo della tesi risiede nel caratterizzare film sottili di Rubrene cresciuti per mezzo dell’epitassia molecolare. In particolare si è studiata la densità di stati di trappola con il fine di determinare il grado di purezza di questi campioni. Partendo dalle caratteristiche I-V (Corrente-Tensione) in temperatura è stato possibile utilizzare il modello TM-SCLC (Temperature Modulated Space Charge Limited Current)concludendo che i campioni così cresciuti raggiungono un grado di purezza maggiore rispetto al Rubrene bulk ed escludendo la presenza di difetti estrinseci.

In questa tesi viene presa in esame una classe di materiali semiconduttori caratterizzata dalla presenza di una struttura nanoporosa in superficie. L’analisi è stata svolta tramite surface photovoltage spectroscopy (SPS) su cinque film di Ge realizzati in condizioni diverse, sfruttando due tecniche di impiantazione ionica (MBE e Sputtering). Valutando il valore in energia e l’ampiezza del picco della curva SPV che si ottiene, sarà possibile studiare come vengono modificate alcune proprietà elettriche e strutturali del Ge al variare della geometria e della disposizione dei nanopori. I risultati ottenuti mettono in risalto le potenzialità di questo nuovo tipo di materiale per realizzare e migliorare applicazioni come sensori, catalizzatori e pannelli fotovoltaici.

Si sono ottenuti, tramite PECVD, film sottili a funzionalizzazione carbossilica a diversa e controllata densità di gruppi COOH. Il controllo della densità avviene variando i parametri di deposizione e i reagenti usati. I campioni sono stati caratterizzati mediante profilometria, angolo di contatto, spettroscopia FT-IR, TBO test, SEM, AFM ed ellissometria.