Crescita mediante deposizione laser pulsata di film sottili di leghe W-Ta per applicazioni in sistemi a fusione nucleare

The main objective of this thesis is to develop a novel technique, based on the Pulsed Laser Deposition (PLD), to grow thin films of W-Ta metal alloy for hypothetical applications in magnetic confinement devices. The PLD technique has not found many applications in the research of metal alloys, and thus the analysis of its influences on these materials could be interesting. The objective of the experimental phase of this thesis is the development of a novel ablation target which allows a free-range selection of the sample's stoichiometry, without the need to acquire a single homogeneous ablation target for each different stoichiometry. This technique uses an heterogeneous target, made of a Tantalum “web-like” structure attached on a Tungsten disc; stoichiometric selection can be achieved with a modification of the Tantalum structure. The geometry of the Tantalum structure has been properly selected in order to allow the growth of a solid solution alloy at high ablation rates (i.e. without the growth of a multi-layer structure). We have also analyzed samples developed in different conditions (e.g. vacuum or low pressure atmosphere), with the objective to gain control of the film's nano-structure. Analysis has been carried with SEM microscopy, EDXS and XRD techniques. We were able to gain a preliminary control of the metal alloy stoichiometry, and some control on the nano-structure of the thin films. Future characterizations will require the analysis of Hydrogen-retention, of the erosion by interaction with energetic particles, and of the mechanical properties of the metal alloy, especially at temperatures lower than the DBTT of pure Tungsten.

L'obiettivo principale di questa tesi è lo sviluppo di una tecnica innovativa, basata sulla deposizione laser pulsata (PLD), per crescere film sottili della lega metallica Tungsteno-Tantalio (W-Ta) per future, ipotetiche, applicazioni in sistemi a fusione nucleare basati sul confinamento magnetico. La tecnica della PLD non ha finora trovato numerose applicazioni nel campo della ricerca sulle leghe metalliche, e quindi l'analisi delle sue potenzialità per la produzione di questi materiali può essere interessante. L'obiettivo specifico della fase sperimentale di questa tesi consiste nello sviluppo di un bersaglio di ablazione innovativo, che consenta la libera selezione della stechiometria del film sottile che si desidera crescere, senza la necessità di acquisire un singolo bersaglio di ablazione omogeneo per ciascun differente rapporto stechiometrico della lega. Questa tecnica fa uso di un bersaglio eterogeneo, costituito da una “rete” di Tantalio agganciata su un disco di Tungsteno; la selezione della stechiometria della lega avviene modificando la struttura di Tantalio. La geometria di questa struttura di Tantalio è stata selezionata in modo tale da permettere la crescita di una lega in soluzione solida sostituzionale (e, quindi, senza la crescita di una struttura a multi-layer) anche ad alti tassi di ablazione . Sono anche stati analizzati campioni cresciuti con differenti parametri di deposizione (ad esempio, in vuoto o in condizioni di bassa pressione), con l'obiettivo di acquisire un controllo della nano-struttura del film sottile. Le caratterizzazioni sono state effettuate attraverso microscopia a scansione elettronica (SEM), ed analisi EDXS ed XRD. È stato possibile acquisire un controllo preliminare della stechiometria della lega metallica, ed un controllo della nano-struttura dei film sottili così cresciuti. Future analisi richiederanno la determinazione delle proprietà di ritenzione di Idrogeno, degli effetti legati all'erosione da parte di particelle energetiche provenienti dal plasma e delle sue proprietà meccaniche, specialmente a temperature inferiori alla DBTT del Tungsteno puro.