Vanadium oxide thin films for dynamically switchable applications: synthesis, characterization and phase transition investigation

Vanadium dioxide (VO2) is a widely studied transition-metal oxide due to its reversible insulator-to-metal transition (IMT) near 67 °C (340 K), coupled with a structural phase transition (SPT) between monoclinic and rutile phases. This property, enabling a sharp modulation of electrical and optical characteristics, makes VO2 a promising material for photonic, electronic, and energy-efficient devices such as smart windows. This thesis focuses on the synthesis and characterization of VO2 thin films deposited by pulsed laser deposition (PLD), optimizing the deposition parameters for compact and nanoporous morphologies and analysing their phase transition behaviour. The effects of gas type and pressure, laser fluence, and substrate were investigated by Raman spectroscopy and scanning electron microscopy (SEM), while post-deposition annealing at 500 °C was crucial to obtain the crystalline VO2(M1) phase. The depositions were carried out by employing two different targets, namely V metal and VO2, under specific atmospheres tailored to achieve the desired film morphology and phase. Indeed, compact VO2 films were obtained in an oxygen atmosphere at 3.5 Pa (V target) and 1.5 Pa (VO2 target), whereas nanoporous structures formed at 50 Pa in Ar (V target) or mixed O2/Ar (VO2 target) atmospheres. Increasing total pressure promoted the growth of highly porous, tree-like architectures. Temperature-dependent Raman and electrical/optical analyses confirmed the VO2 structural and electrical reversible transitions respectively, with resistivity changes of two orders of magnitude and optical behaviour consistent with literature. The compact VO2 film on glass exhibited the lowest transition temperature and narrowest hysteresis (∼ 5 K), while the nanoporous film showed slightly higher values. Overall, precise control of PLD parameters enables the synthesis of pure VO2 films with tunable morphology. The correlation between structure, electrical, and optical properties confirms that the control of phase and morphology is an effective strategy to tailor phase transition kinetics, consolidating VO2 as a key material for dynamic photonic and smart energy applications.

Il diossido di vanadio (VO2) è un ossido di metallo di transizione ampiamente studiato per la sua transizione reversibile da isolante a metallico (IMT) che avviene intorno a 67 °C (340 K), accompagnata da una transizione di fase strutturale (SPT) tra le fasi monoclina e rutilo. Questa proprietà, che consente una brusca modulazione delle caratteristiche elettriche e ottiche, rende il VO2 un materiale promettente per dispositivi fotonici, elettronici e ad alta efficienza energetica, come le smart windows. Questa tesi si concentra sulla sintesi e caratterizzazione di film sottili di VO2 depositati mediante deposizione a laser pulsato (PLD), con l’obiettivo di ottimizzare i parametri di crescita per ottenere morfologie compatte e nanoporose e analizzare il comportamento della loro transizione di fase. Gli effetti del tipo e della pressione del gas, della fluenza del laser e del substrato sono stati studiati tramite spettroscopia Raman e microscopia elettronica a scansione (SEM). Il trattamento termico post-deposizione a 500 °C si è rivelato cruciale per ottenere la fase cristallina VO2(M1). Le deposizioni sono state fatte utilizzando due target diversi, rispettivamente di vanadio metallico e di VO2, in atmosfere specifiche scelte per ottenere la morfologia e la fase desiderate. In particolare, film compatti di VO2 sono stati ottenuti in atmosfera di ossigeno a 3.5 Pa (target di V) e a 1.5 Pa (target di VO2), mentre strutture nanoporose si sono formate a 50 Pa in atmosfera di Ar (target di V) o in miscele di O2/Ar (target di VO2). Un aumento della pressione totale ha favorito la crescita di architetture altamente porose con morfologia ad "albero". Le analisi Raman e le misure elettriche e ottiche in funzione della temperatura hanno confermato rispettivamente le transizioni reversibili strutturali ed elettroniche del VO2, con variazioni di resistività di circa due ordini di grandezza e un comportamento ottico in linea con quanto riportato in letteratura. Il film compatto di VO2 su vetro ha mostrato la temperatura di transizione più bassa e l’isteresi più stretta (circa 5 K), mentre il film nanoporoso ha presentato valori leggermente superiori. Nel complesso, un controllo preciso dei parametri di deposizione PLD consente la sintesi di film puri di VO2 con morfologia modulabile. La correlazione tra struttura, proprietà elettriche e ottiche conferma che il controllo della fase e della morfologia rappresenta una strategia efficace per modulare la cinetica della transizione di fase, consolidando il VO2 come materiale di riferimento per applicazioni fotoniche dinamiche e per dispositivi energetici intelligenti.