Phase Nanoengineering via direct laser writing for functional oxide thin films

Nanomaterials are systems whose peculiar properties follow from their nanostructure or reduced dimensionality, typically requiring specialized growth techniques or critical nanofabrication processes. In this work, I exploited Phase Nanoengineering - a methodology based on exposing solid-state systems with a localized and controlled energy source - to induce stable changes in the electronic, magnetic, and optical properties of oxide thin films. Specifically, Direct Laser Writing was used to locally modulate the characteristic properties of two complex oxides: Yttrium Iron Garnet (YIG) and Yttrium Barium Copper Oxide (YBCO), allowing for the engineering of functional magnonic and superconducting nanostructures. In YIG, laser irradiation generated a strained state characterized by enhanced perpendicular magnetic anisotropy. This modification is confined laterally within the film plane at the nanoscale and is tunable in depth, demonstrating three-dimensional nanostructuring capabilities. The laser-written regions were characterized by means of magnetic, structural, and optical techniques. This localized control over the magnetic properties was then harnessed to fabricate different magnonic crystals, highlighting the potential of this method for spin-wave manipulation. For YBCO, phase nanoengineering proved to be an effective approach for navigating its complex phase diagram, where electronic transport properties are highly sensitive to oxygen stoichiometry. Laser-induced deoxygenation enabled the creation of distinct superconducting states within a single film, which were investigated in terms of their electrical, structural, and optical properties. This tunability opens up new opportunities for the design and fabrication of advanced superconducting devices. Compared to conventional fabrication techniques, phase nanoengineering offers enhanced versatility, reduced process complexity, and grayscale patterning capabilities. These advantages position it as a promising strategy for tailoring the properties of diverse oxide systems and creating functional nanostructures.

I nanomateriali sono sistemi le cui proprietà peculiari derivano dalla loro nanostruttura o dalla ridotta dimensionalità, e richiedono tipicamente tecniche di crescita specializzate o processi di nanofabbricazione critici. In questo lavoro, ho sfruttato la nano-ingegnerizzazione di fase (Phase Nanoengineering) - una metodologia basata sull'esposizione di sistemi allo stato solido a una sorgente di energia localizzata e controllata - per indurre cambiamenti stabili nelle proprietà elettroniche, magnetiche e ottiche di film sottili di ossidi. In particolare, la scrittura laser diretta (Direct Laser Writing) è stata impiegata per modulare localmente le proprietà caratteristiche di due ossidi complessi: il granato di ittrio e ferro (YIG) e l'ossido di ittrio, bario e rame (YBCO), consentendo l'ingegnerizzazione di nanostrutture funzionali di tipo magnonico e superconduttivo. Nel caso dello YIG, l'irraggiamento laser ha generato uno stato di tensione locale che ha comportato un aumento della anisotropia magnetica perpendicolare. Questa modifica è confinata lateralmente all'interno del piano del film su scala nanometrica ed è regolabile in profondità, dimostrando capacità di nanostrutturazione tridimensionale. Le regioni scritte dal laser sono state caratterizzate attraverso tecniche magnetiche, strutturali e ottiche. Questo controllo localizzato delle proprietà magnetiche è stato poi sfruttato per fabbricare diversi cristalli magnonici, mettendo in evidenza il potenziale di questo metodo per la manipolazione delle onde di spin. Per quanto riguarda lo YBCO, il phase nanoengineering si è rivelato un approccio efficace per esplorare il suo complesso diagramma di fase, in cui le proprietà di trasporto elettronico sono altamente sensibili alla stechiometria dell'ossigeno. La deossigenazione indotta dal laser ha permesso di creare regioni superconduttive distinti all'interno di un singolo film, che sono state analizzate in termini di proprietà elettriche, strutturali e ottiche. Questo controllo apre nuove opportunità per la progettazione e la fabbricazione di dispositivi superconduttivi avanzati. Rispetto alle tecniche di fabbricazione convenzionali, la nano-ingegnerizzazione di fase offre maggiore versatilità, minore complessità di processo e la capacità di creare modulazioni strutturali continue. Questi vantaggi la collocano come una strategia promettente per plasmare le proprietà di ossidi complessi e per creare nanostrutture funzionali.