Characterization of exotic crystal structures of titanium thin films through Brillouin spectroscopy

Titanium is a transition metal widely exploited in the industrial engineering and medical instrumentation fields because of its strength-to-density ratio and corrosion resistance in harsh conditions. While pure titanium (and the majority of its alloys) exhibits an hexagonal-closed-packed (hcp) crystal structure at room temperature under atmospheric pressure, a body-centered cubic crystal phase can be observed upon varying the temperature. The exceptional properties of titanium and its alloys are linked to their crystal structures. For instance, the hcp structure exhibits limited plastic deformability as compared to the bcc one. A face-centered cubic (fcc) crystal structure has recently been observed in titanium and its alloys. This new exotic titanium phase has strongly stimulated research interest as such a phase is not predicted by the usual pressure-temperature phase diagram of Ti. The marked interest in the study of titanium exotic phases is intertwined with its widespread applications and usage. Indeed, the physical and mechanical properties of titanium crystal structures are key to understand and design possible technological application. Thin films of exotic titanium structures have been produced at the Micro and Nano Structured Materials Laboratory (NanoLab) of the Politecnico di Milano. Upon analyzing the samples through X-Ray Diffraction, one finds that the lattice parameter of the structure investigated is compatible with that of a face-centered-cubic Ti strucure. The aim of this thesis work is to characterize the thermomechanical properties of these thin films of exotic titanium structures, assessing the values of the elastic constants through Surface Brillouin Spectroscopy (SBS). The analysis yields elastic constant estimates which differ from those expected in the case of an hcp crystal structure. This suggests that the newly discovered titanium exotic phase is harder than pure titanium typically found in nature.

Il titanio (Ti) è un metallo di transizione largamente utilizzato nei campi dell’ingegneria industriale e delle strumentazioni mediche, grazie alla sua resistenza alla corrosione quando esposto a condizioni estreme e al suo rapporto di forza-densità. Il titanio puro (e la maggior parte delle sue leghe) si trova a temperatura ambiente e sotto pressione atmosferica in una struttura cristallina esagonale compatta, mentre assume una struttura cristallina cubica a corpo centrato variando la temperatura. Le proprietà eccezionali del titanio e delle sue leghe sono legate alle sue strutture cristalline. Per esempio, la struttura esagonale compatta risulta meno soggetta a deformazioni plastiche rispetto alla struttura cubica a corpo centrato. Una struttura cristallina cubica a facce centrate è stata osservata di recente nel titanio e nelle sue leghe. Questa nuova fase esotica del titanio ha fortemente stimolato interesse di ricerca in quanto non è predetta dall’usuale diagramma di fase pressione-temperatura del Ti. Il marcato interesse nello studio delle fasi esotiche del titanio è intrecciato alle sue vaste applicazioni. Infatti, le proprietà fisiche e meccaniche delle strutture cristalline del titanio sono fondamentali per capirne possibili applicazioni tecnologiche. Al Laboratorio di Materiali Micro- e Nanostrutturati del Politecnico di Milano sono stati recentemente prodotti film sottili di strutture esotiche di titanio. Una prima analisi attraverso diffrazione a raggi X suggerisce che il parametro di cella della struttura investigata è compatibile con quello di una struttura cubica a facce centrate del Ti. Lo scopo di questa tesi è quello di caratterizzare le proprietà termomeccaniche di questi film sottili che mostrano strutture esotiche del titanio, valutandone le costanti elastiche grazie all’ausilio della spettroscopia Brillouin di superficie. Le costanti elastiche trovate differiscono da quelle aspettate nel caso di una struttura cristallina esagonale compatta e suggeriscono che questa nuova fase esotica del titanio sia più resistente del titanio che si trova in natura.