Crescita e caratterizzazione di film sottili di TiO2 su un substrato di Au(100)

This dissertation reports on the growth and characterization of thin titanium dioxide films (TiO2) grown onto a gold substrate, Au (100). The films had been grown by means of Molecular Beam Epitaxy (MBE), by evaporating metallic titanium (Ti) in a oxygen atmosphere (O2) at two different substrate temperatures: room temperature and 300°C. The increasing attention payed by the scientific community to titanium dioxide stems from its promising applications in the fields of photocatalysis and photovoltaic. For the purpose of this analysis, the latter, with reference to Dye-sensitizes Solar Cell (DSC), will be analysed. The titanium dioxide samples had been characterized through electron spectroscopy techniques. Low Energy Electron Diffraction (LEED) pointed out that the film grows in the rutile phase, exposing the (100) surface. The growth and the stoichiometry of titanium dioxide films had been monitored by means of X-ray Photoemission Spectroscopy (XPS) and the following results were found. The sample grown at room-temperature was characterized, across its full thickness, by the presence of titanium reduced states (Ti3+ ions). Instead, the sample grown at 300°C appeared to be substoichiometric (Ti2O3) only close to the interface with the gold substrate. A stoichiometric (TiO2) crystal film was obtained at high coverages. The electronic structure of the valence and conduction bands was analysed by UV Photoemission Spectroscopy (UPS) and Inverse PhotoEmission Spectroscopy (IPES). Finally, the effect on the film stoichiometry of the post-growth annealing treatment, respectively in vacuum and in oxygen atmosphere, was assessed. The annealing in vacuum worsens the film’s stoichiometry, while the one in oxygen brings the film back to its pre-treatment conditions.

Questo lavori di tesi tratta della crescita e caratterizzazione di film sottili di ossido di titanio (TiO2) deposti su un substrato di oro, Au(100). Il film di ossido di titanio è stato cresciuto mediante epitassia da fasci molecolari evaporando titanio metallico (Ti) in atmosfera reattiva di ossigeno (O2), a due diverse temperature del substrato: temperatura ambiente e 300 °C. L’interesse crescente, da parte del mondo scientifico, riguardo l’ossido di titanio radica le sue ragioni nelle promettenti applicazioni nell’ambito della fotocatalisi e del fotovoltaico. Si analizzano in particolare le applicazioni fotovoltaiche, con riferimento alle celle elettrochimiche a colorante di Grätzel (Dye-sensitized Solar Cell, DSC). Il campione di ossido di titanio è stato caratterizzato mediante spettroscopie elettroniche. La diffrazione ad elettroni a bassa energia indica che il film cresce in fase rutilo mostrando la superficie (100). Tramite spettroscopia di fotoemissione a raggi X si è monitorata la crescita e la stechiometria del film di ossido di titanio. Il film cresciuto a temperatura ambiente è caratterizzato, in tutto il suo spessore, dalla presenza di stati ridotti del titanio (ioni Ti3+). Il film cresciuto a 300°C, invece, risulta essere sottostechiometrico (Ti2O3) solamente all’interfaccia con il substrato di oro. Ad alti spessore cresce invece un film cristallino con stechiometria TiO2. La struttura elettronica della banda di valenza e di conduzione è investigata mediante spettroscopia di fotoemissione UV e spettroscopia di fotoemissione inversa. Infine, si è analizzato l’effetto sulla stechiometria del film di un trattamento di annealing post-crescita, in vuoto e in atmosfera di ossigeno. L’annealing in vuoto peggiora la stechiometria del film mentre il successivo annealing in ossigeno riporta il film nelle condizioni precedenti al trattamento.