Metastable Ti FCC films produced by PLD: synthesis and characterization

Titanium, a versatile transition metal, exhibits remarkable properties making it indispensable in various applications. Renowned for its high specific strength, corrosion resistance, and intrinsic biocompatibility, titanium's polymorphic nature undergoes phase variations under different temperature and pressure conditions. At room temperature and atmospheric pressure, it adopts a stable hexagonal close-packed (HCP) crystal structure. Elevated temperature and pressure stabilize respectively BCC and ω phases. Recent studies also revealed the presence of a metastable FCC titanium phase, not present in conventional temperature-pressure phase diagrams. Efforts to stabilize this metastable FCC phase have been done in both bulk and thin films. In bulk titanium, the FCC phase emerges through plastic deformation effect, while in thin films deposition techniques (like HiPIMS and vacuum arc discharge) it is shown to be stable up to limited thickness. Interestingly, impurities such as O, H, N contribute to this phase stabilization. This thesis aims to produce thin films of metastable FCC phase using Pulsed Laser Deposition (PLD), varying parameters like background pressure, fluence rate, deposition time, and gas atmosphere. Through SEM, EDXS, Raman, and XRD analyses (both grazing and ϴ/2ϴ configurations) has been investigated the metastable FCC stability at different working conditions. Pulsed Laser Deposition (PLD), characterized by its pulsed and high-energy nature, stabilizes a mix of FCC and HCP phases up to 2 μm. The presence of 1 Pa Ar gas becomes significant only at low fluences (2 J/cm²), slowing PLD's energy and favoring the thermodynamically preferred HCP crystal structure. Titanium's strong getter function reduces background pressure, forms films with over 30% oxygen, and enhances FCC phase stabilization. Elevated oxygen levels expand the lattice cell to 4.22-4.30 Å. The final part of the thesis is devoted to Raman analysis of Ti-O vibrations in the film.

Il titanio, un versatile metallo di transizione, mostra proprietà notevoli che lo rendono indispensabile in varie applicazioni. Rinomato per la sua elevata resistenza specifica, resistenza alla corrosione e biocompatibilità intrinseca, il titanio mostra variazioni di fase a diverse temperature e pressioni. A temperatura ambiente e pressione atmosferica, assume una struttura cristallina stabile esagonale compatta (HCP). Temperature e pressioni elevate stabilizzano rispettivamente le fasi BCC e ω. Studi recenti hanno rilevato la presenza di una fase metastabile del titanio con struttura cristallina FCC, non prevista dai diagrammi di fase. Sforzi per stabilizzare questa fase metastabile FCC sono stati fatti sia in titanio in forma bulk che in forma di nanofilm. Nel titanio bulk, la fase FCC emerge attraverso l’effetto della deformazione plastica, mentre nei film sottili le tecniche di deposizione come HiPIMS e scarica ad arco in vuoto mostrano stabilità fino a uno spessore limitato. In modo interessante, impurezze come O, H, N contribuiscono a questa stabilizzazione di fase. Questa tesi mira a produrre film sottili della fase metastabile FCC utilizzando deposizione laser pulsata (PLD), variando parametri come pressione in camera (di vuoto e di gas), fluenza e tempo di deposizione. Attraverso analisi SEM, EDXS, Raman e XRD (in configurazioni sia grazing sia ϴ/2ϴ), è stata indagata la stabilità della fase metastabile FCC in diverse condizioni operative. La deposizione laser pulsata (PLD), caratterizzata dalla sua natura pulsata e ad alta energia, stabilizza in modo affidabile una mix di fasi FCC e HCP fino a 2 μm. La presenza di 1 Pa di gas Ar diventa significativa a basse fluenze (2 J/cm²), rallentando l'energia di PLD e favorendo la struttura cristallina HCP. La forte affinità del titanio per le impurezze riduce la pressione in camera, forma film con oltre il 30% di ossigeno e stabilizza la fase FCC. Elevati livelli di ossigeno espandono la cella reticolare a 4,22-4,30 Å. La parte finale della tesi coinvolge l'analisi Raman delle vibrazioni Ti-O nel film.