Short range order in amorphous alumina thin films

Crystalline solids have been always subject of studies. On the other hand, it’s only in recent times that amorphous materials, with their properties and their structure have been investigated. The latters, thanks to their random atomic arrangement, can be considered “defect free” materials. In many cases, they are transparent, have good diffusion resistance and do not present grain boundaries (preferential sites for defects nucleation). They are therefore excellent candidates for applications where this kind of property is required. Nevertheless, their random configuration and their difficulty in being reproduced makes their study very complicated. Not having a long-range order but only a short-range one, amorphous materials are not reproducible in a univocal way. The material selected for the present work is the amorphous Aluminum Oxide (Al2O3) produced with the Pulsed Laser Deposition technique at the Italian Institute of Technology (IIT). Most of the characterization techniques have been developed for crystals. New ones that investigate also the short-range order are thus needed. For this work, the following will be used: X-Ray Diffraction (XRD), to observe the evolution of Al2O3-phases with temperature, X-Ray Reflectivity (XRR), to measure the material’s density, Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Nuclear Magnetic Resonance (NMR), both used to obtain information regarding the Aluminum coordination number. It is important to underline that amorphous materials, not having a well-defined structure, can greatly differ from one to another. Depending on the production method and the different parameters used, they can have properties (Refractive Index, Young's Module, Hardness, Aluminum coordination number) that can vary up to 40%. It’s therefore essential to be aware of the production method used in each specific case. In the future, it will be necessary to increase the number of samples to be analyzed and to combine the different characterization techniques even with computer simulations. Although many studies have been developed during past years, Amorphous Aluminum oxide remains a very complex material.

I solidi cristallini sono stati da sempre oggetto di studi. Viceversa, è solo negli ultimi tempi che si è voluto approfondire lo studio dei materiali amorfi, delle loro proprietà e della loro struttura. Quest’ultimi, grazie alla loro casuale disposizione atomica, possono essere ritenuti materiali “privi di difetti”. Sono tipicamente trasparenti, hanno buona resistenza a diffusione e non presentano bordigrano (siti preferenziali di nucleazione dei difetti). Sono quindi ottimi candidati per applicazioni dove questo genere di proprietà è richiesto. Quello che si vorrebbe ottenere anche per il mondo amorfo, è la stessa padronanza che siamo riusciti ad avere per i materiali cristallini. Questo non è ancora possibile. La loro configurazione casuale e la loro difficoltà nell’essere riprodotti, rende tutto molto più complicato. Non possedendo una ben definita struttura, possono differire di molto tra di loro. A seconda del metodo di produzione e dei diversi parametri utilizzati all’interno di una stessa tecnica, essi possono presentare proprietà (Indice di rifrazione, Modulo di Young, Durezza, numero di coordinazione dell’Alluminio) che variano anche del 40%. È quindi fondamentale essere a conoscenza del metodo di produzione utilizzato in ciascun caso specifico. Il materiale selezionato per questo lavoro di tesi è l’Ossido di Alluminio (Al2O3) prodotto con una tecnica fase vapore presso il Center of Nanoscience and Technology (CNST@Polimi) dell’IIT. Per il suo studio, è stato necessario utilizzare nuove tecniche di caratterizzazione come: La Diffrazione dei raggi X, utilizzata per osservare l’evoluzione delle fasi dell’Al2O3 con la temperatura, la Riflettività dei raggi X, utilizzata per misurare la densità, la Spettroscopia Fotoelettronica e la Risonanza Magnetica Nucleare, entrambe utilizzate per ottenere informazioni sul numero di coordinazione dell’Alluminio. In futuro, servirà incrementare il numero di campioni da analizzare e combinare le diverse tecniche di caratterizzazione anche con simulazioni al computer. Con questo lavoro di tesi spero, nel mio piccolo, di aver contributo allo studio dell’affascinate ma allo stesso tempo complesso mondo dei materiali amorfi.