Synthesis of ZnO-based nanostructured materials via pulsed laser ablation in liquid

The ablation of solid targets immersed in liquid via pulsed lasers is a technique which, due to its peculiarity, is becoming even more important to obtain nanostructures in simple, economical and chemically clean approach. This innovative technique is halfway within the top-down and bottom-up methodologies, as well as within the chemical and physical processes of synthesis of nanoparticles. The current field where one thinks that the technique could develop mainly is the ablation of oxides and of semiconductors, and in particular of doped materials, in order to take advantage of its benefits respect to other techniques of synthesis. We have identified this opportunity of development, and we built the required instrumentation to perform the ablation of target of Aluminium doped Zinc Oxide, a very promising material in the field of the photovoltaic cells of new generation. Achieved this first purpose, we made every effort to optimize the physical quantities in the running to obtain a high rate of ablation and very concentrated solutions of nanoparticles in suspension. From these lasts we succeeded in growing films of various thickness; therefore with only one technique was possible obtaining a huge variety of nanostructured materials: nanospheres, nanorods, thin films and other more complex structures which are going to be shown during the dissertation. Furthermore we dealt with a systematic analysis of the main factors which participate in the process of ablation, correlating them with the properties of the synthesised nanostructures, from various points of view: from the dimensions to the morphology, from the composition to the vibrational properties. Finally were taken in account many potential fields of application, and someone of these was also subject of investigation during this thesis project.

L'ablazione di target solidi immersi in liquido tramite laser pulsati è una tecnica che, a causa delle sue peculiariatà, si sta sempre più affermando per ottenere nanostrutture in maniera semplice, economica e chimicamente pulita. Questa tecnica innovativa si pone a metà strada tra le metodologie top-down e bottom-up, nonché tra i processi chimici e fisici di sintesi di nanoparticelle. L'attuale ambito in cui si pensa che la tecnica si possa sviluppare maggiormente è l'ablazione di ossidi e di semiconduttori, ed in particolare di materiali drogati, allo scopo di sfruttarne i benefici rispetto ad altre tecniche di sintesi. Noi abbiamo individuato questa opportunità di sviluppo, ed abbiamo costruito la strumentazione necessaria per effettuare l'ablazione di target di ossido di zinco drogato con alluminio, un materiale molto promettente nel campo delle celle fotovoltaiche di nuova generazione. Conseguito questo primo obiettivo, ci siamo impegnati ad ottimizzare le grandezze fisiche in gioco per ottenere un'elevata velocità di ablazione e soluzioni molto concentrate di nanoparticelle in sospensione. Da queste ultime siamo riusciti a far crescere film di vario spessore; pertanto con una sola tecnica è stato possibile ricavare una grande varietà di materiali nanostrutturati: nanosfere, nanobacchette, film sottili ed altre strutture più complesse che saranno mostrate nel corso della trattazione. Inoltre ci siamo spinti in una sistematica analisi dei principali fattori che intervengono nel processo di ablazione, correlandoli con le proprietà delle nanostrutture sintetizzate, sotto vari punti di vista: dalle dimensioni alla morfologia, dalla composizione alle proprietà vibrazionali. Infine sono stati presi in considerazione molti potenziali campi di applicazione ed alcuni di questi sono stati anche oggetto di studio durante questo progetto di tesi.