Characterization of a supersonic plasma source for nanostructured

Characterization of a supersonic plasma source
for nanostructured thin films deposition
S. Caldirola
Dipartimento di Fisica G. Occhialini, Università degli Studi di Milano-Bicocca,
piazza della Scienza 3, I-20126 Milano, Italy
!
Progetto di Tesi di dottorato
La crescita di film sottili nanostrutturati rappresenta un campo di ricerca fondamentale per lo
sviluppo di importanti applicazioni dal grande impatto scientifico. Le proprietà di numerosi
materiali possono essere migliorate significativamente ottimizzando il processo di
deposizione a livello nanometrico: modellando le nanoparticelle che formano un film è
possibile ottenere risultati notevoli, nonostante questo richieda un processo di deposizione
particolare, capace di intervenire sulle proprietà strutturali dei film con un livello di controllo
elevato e un set-up sperimentale complesso. Le tecniche di deposizione a plasma sono state
molto usate e applicate per un numero crescente di applicazioni che hanno portato a
importanti risultati e applicazioni industriali, soprattutto nel campo delle nanoparticelle.
La deposizione a plasma tramite getto supersonico (PA-SJD) offre un nuovo e moderno
approccio per la deposizione di film sottili, unendo un plasma reattivo e un getto supersonico.
Un plasma di argon e ossigeno, generato ad accoppiamento induttivo, offre un ambiente
chimicamente reattivo dove un precursore metallorganico (Isopropossido di titanio per
deposizioni di TiO2) viene dissociato e ossidato. Nella PA-SJD successivamente il gas si
espande da una prima camera in una camera a pressione più bassa, formando così un getto
supersonico che accelera le nanoparticelle facendole impattare su un substrato. Questa tecnica
di deposizione è stata utilizzata con successo per la deposizione di film sottili con specifiche
nanostrutture a rate di deposizione elevati. Per migliorare e poter sviluppare questo processo
di deposizione è stato necessario uno studio della chimica e della fisica del plasma e del getto
supersonico.
In questo progetto di dottorato è stata condotta una caratterizzazione del getto di plasma
supersonico mediante differenti diagnostiche. La scarica a plasma nel primo reattore è stata
studiata tramite spettroscopia ottica di emissione, sonde di langmuir e misurando tensione e
corrente ai capi dell’antenna usata per l’accoppiamento induttivo. Il getto supersonico di
plasma è stato caratterizzato mediante uno spettrometro di massa a quadrupolo, con il quale il
gas in espansione è stato studiato a diverse posizioni lungo l’asse di simmetria del getto.
L’analisi dei flussi di particelle neutre, radicali, ioni e della loro energia ha portato a una
comprensione avanzata delle proprietà del getto, permettendo di comprendere il loro effetto
sulla deposizione di film sottili. Inoltre, basandosi sulle osservazioni sperimentali, un codice
MATLAB è stato sviluppato per riprodurre le funzioni di distribuzione dell’energia degli ioni
attraverso simulazioni. Durante questo progetto sono state realizzate anche diverse
deposizioni di film sottili di biossido di titanio per caratterizzare i film sottili mediante
diagnostiche quali FTIR, ellissometria, profilometria, AFM e SEM imaging.