Characterization and analysis of titanium dioxide thin film of columnar structure

In previous studies, the formation of peculiar columnar structure has been observed in films made with different types of material deposited with PLD. Furthermore, a dependence of this morphology on the deposition parameters has been found. The present work is focused on titanium dioxide films, deposited with PLD, because a specific range of background pressure was already identified where the formation of this structure takes place and where its characteristics change the most. Thus, the aim of this thesis is developing a characterization of the columnar structure of titanium dioxide films deposited in that interval, concentrating on the vibrational analysis. The samples studied are made of titanium dioxide deposited at three different pressures and with three different thicknesses to identify possible dependencies of the elastic properties on these parameters. The investigation was focused on the execution of a systematic vibrational analysis of the samples with the aid of the Brillouin spectroscopy, carried out at different angles of incidence, to obtain information on the frequencies or propagation velocities of the vibrational modes supported by these films, from which we can derive the elastic properties. Images of the morphological structure of the titanium dioxide films were obtained with FE-SEM and compared with the data derived from the analysis of the Brillouin spectra to verify the congruence of the results. From this, a hypothesis on the typology of material was formulated, then confirmed by means of two analytical models of the structure: homogenous isotropic and completely anisotropic. By comparing the latter with the experimental data, it has been shown that the convergence between the theoretical model and the empirical results is obtained not in correspondence with one of the two extremes studied but between them. The future analysis through finite element models will allow to obtain an agreement between theory and experiment, deepening and completing the characterization started here.

In alcuni studi precedenti è stata osservata la formazione di peculiari strutture colonnari in film di differenti materiali deposti tramite PLD. Inoltre, è stata trovata una dipendenza di questa morfologia dai parametri di deposizione. Il presente lavoro è incentrato sui film di biossido di titanio, deposti con PLD, poichè è già stato identificato uno specifico intervallo di pressione di deposizione nel quale avviene la generazione di questa struttura e dove le sue caratteristiche cambiano maggiornamente. Pertanto, lo scopo di questa tesi è sviluppare una caratterizzazione della struttura colonnare dei film di biossido di titanio depositati in questo intervallo, concentrandosi sull’analisi vibrazionale. I campioni studiati sono costituiti da biossido di titanio depositati a tre diverse pressioni di deposizione e con tre spessori differenti per indentificare eventuali dipendenze delle proprietà elastiche da questi parametri. L’indagine si è concentrata sull’esecuzione di una sistematica analisi vibrazionale dei campioni con l’ausilio della spettroscopia Brillouin, effettuata a diversi angoli di incidenza, per ottenere informazioni sulle frequenze o velocità di propagazione dei modi vibrazionali supportati da questi film, da cui è possibile ricavare le proprietà elastiche. Immagini della struttura morfologica dei film di biossido di titanio sono state ottenute tramite FE-SEM e confrontate con i dati derivati dall’analisi degli spettri Brillouin per verificare la congruenza dei risultati. Da ciò è stata formulata un’ipotesi sulla tipologia del materiale, poi confermata mediante due modelli analitici della struttura: omogenea isotropa e completamente anisotropa. Dal confronto di questi ultimi con i dati sperimentali è stato dimostrato che la convergenza tra il modello teorico e i risultati empirici si ottiene non in corrispondenza di uno dei due estremi studiati ma tra di essi. L’analisi futura attraverso modelli ad elementi finiti consentirà di ottenere un accordo tra teoria ed esperimento, approfondendo e completando la caratterizzazione qui iniziata.