Auger electron microscopy for the characterization of 1D and 2D nanostructures

This work reports about the use of Scanning Auger Microscopy (SAM) to investigate two prototypical nanostructured systems: (1) 1D Tungsten oxide nanorods and (2) 2D graphene and graphene oxide (GO) single and multilayer films. The growth of 1D Tungsten oxide nanorods by Pulsed Laser Deposition (PLD) at the surface of amorphous-like Tungsten thin films was investigated by SAM and shown to depend mostly on the surface mobility of Oxygen atoms embedded in the amorphous-like Tungsten substrate and on local mechanical conditions. Contrary to intuition, both the concentration of Oxygen atoms within the substrate, which are merely adsorbed at the interfaces between W grains rather than chemically bound to the host material, and their chemical status, resulted to play a minor role in the growth of Tungsten oxide nanorods. The thickness of single and multilayer 2D materials is a key parameter in a variety of applications, ranging from electronics, to energy harvesting and light generation. Graphene and graphene oxide flakes deposited on conductive Au metal and on insulating SiO2 substrates, as representatives of a large variety of flake/substrate couplings, have been characterized by SAM. The flakes had thicknesses ranging from one single atomic layer (few tenth of nm) to a few nm. The effective attenuation lengths of the Auger electrons emitted from the samples were experimentally determined with unprecedented accuracy. This allowed the determination of the layer thickness with an uncertainty well below the single layer, at any point of the surface of individual flakes and in any case of flake/substrate coupling. Moreover, it has been demonstrated that the availability of an absolute thickness reference of sub-layer accuracy, either provided by SAM or by another technique, allows potentially the use of secondary electron contrast in scanning electron microscopy, to provide sub-layer thickness information over statistically relevant sets of data, with nanoscale lateral resolution.

Questo lavoro presenta l'uso di Scanning Auger Microscopy (SAM) per l’indagine di due sistemi nanostrutturati prototipo: (1) nanoverghe 1D di ossido di tungsteno e (2) film 2D di grafene e ossido di grafene (GO) a strato singolo e multiplo. La crescita di nanoverghe di ossido di tungsteno 1D, ottenute da Pulsed Laser Deposition ( PLD ) alla superficie di film sottili quasi-amorfi di tungsteno, è stata studiata tramite SAM e ne è stata mostrata la dipendenza principalmente dalla mobilità superficiale degli atomi di ossigeno incorporati nel substrato quasi-amorfo di tungsteno, e dalle condizioni meccaniche locali. Contrariamente a quanto parrebbe intuitivo, sia la concentrazione degli atomi di ossigeno all'interno del substrato, che risultano essere adsorbiti alle interfacce dei grani di W, piuttosto che chimicamente legati al materiale della matrice, che il loro stato chimico, esercitano un ruolo secondario nella crescita delle nanoverghe. Lo spessore dei materiali 2D mono e multistrato è un parametro chiave in una varietà di applicazioni, che vanno dall'elettronica , alla raccolta di energia, alla generazione di luce. Si sono studiate tramite SAM scaglie di grafene e ossido di grafene depositate su substrati di Au metallico (conduttivo) e SiO2 (isolanti), rappresentativi di un'ampia varietà di accoppiamenti film/substrato. Le scaglie avevano spessori compresi tra il singolo strato atomico (qualche decimo di nm) a pochi nm. Sono state sperimentalmente determinate, con precisione inedita, le lunghezze di attenuazione efficaci degli elettroni Auger emessi dai campioni. Ciò ha permesso la determinazione dello spessore dello strato con una incertezza ben al di sotto del singolo strato atomico, in un qualsiasi punto della superficie di una scaglia e per qualsiasi accoppiamento film/substrato. Inoltre, è stato dimostrato come la disponibilità di un riferimento assoluto di spessore con accuratezza migliore dello strato atomico fornito da SAM o da un'altra tecnica, permetta l'utilizzo del contrasto da elettroni secondari in microscopia elettronica a scansione per fornire informazioni di spessore. La precisione ottenibile, su insiemi di dati statisticamente rilevanti e con risoluzione laterale nanometrica, è potenzialmente migliore dello strato atomico.