Vibrational characterization of nanostructured films by Brillouin spectroscopy

Brillouin spectroscopy (BS) is an established optical, contact-less and non-destructive technique which provides a full elastic characterization of both bulk materials and thin films. This technique measures acoustic excitations at submicrometric wavelengths without requiring sample manipulations. In the present work, the whole process of Brillouin spectroscopy is analysed, from the theory to the experimental set-up and applied to the analysis of nanostructured films of titanum dioxide, produced with PLD (pulse laser deposition) at different pressures. The direct outcome of the measurements is the frequency or the propagation velocity of the vibrational modes supported by the film. The obtained data, recovered as spectra, are analysed from different point of view trying to explain the vibrational behaviour of the material structure, through the comparison to the morphological structure probed with SEM (scanning electron microscopy). BS will prove to be a very sensitive measurement technique able to catch very dissimilar vibrational behaviours even with a strong similarity between the crystallinity and the morphology of the samples investigated. Together with the main physics and morphological characteristics, some practical applications of TiO2 are reported to give an idea of the importance of surface and bulk characterization of materials to reach the precise results required in technological applications.

La spettroscopia Brillouin (BS) è una tecnica ottica che misura le eccitazioni ultrasoniche a lunghezze d’onda sub-micrometriche, attraverso lo scattering inelastico di luce laser. Si tratta di una tecnica di misura senza contatto e non distruttiva che viene sfruttata soprattutto per misurare le proprietà elastiche di film sottili omogenei. I recenti sviluppi nelle tecniche di fabbricazione dei materiali hanno portato alla produzione di vari tipi di film nanostrutturati. L’estrema varietà di morfologie e di proprietà che si possono ottenere sottolinea la necessità di avere a disposizione strumenti di caratterizzazione adeguati. Il biossido di titanio, TiO2, è un materiale particolarmente versatile, che si presta a molteplici applicazioni; alcune di queste possono trarre vantaggio dal fatto di avere a disposizione un film nanostrutturato piuttosto che un film compatto. Questo lavoro è probabilmente un primo tentativo di sfruttare in maniera sistematica la spettroscopia Brillouin per ottenere la caratterizzazione di film nanostrutturati di biossido di titanio. Questa tecnica risulta essere molto potente, in quanto è in grado di individuare comportamenti vibrazionali significativamente diversi in campioni dotati di morfologia simile, prodotti in condizioni non particolarmente differenti. I primi due capitoli introducono i fondamenti base della teoria elastica e delle onde elastiche, sia nel caso di mezzi isotropi che anisotropi. Lo scattering Brillouin viene poi descritto in dettaglio nel corso del capitolo 3, insieme al relativo apparato sperimentale. Il capitolo 4 contiene una descrizione generale delle proprietà del biossido di titanio e illustra alcuni esempi delle sue numerose applicazioni, incluse quelle che traggono vantaggio dalla nanostruttura dei film. Il capitolo 5 presenta in dettaglio la campagna sperimentale, condotta in modo sistematico su due gruppi di campioni di biossido di titanio nanostrutturato prodotti tramite PLD. I risultati più interessanti derivano dall’analisi degli effetti della pressione di base nella camera di deposizione. L’attenzione si concentra su un intervallo di pressioni abbastanza limitato (da 5 a 15 Pa). La microscopia a scansione elettronica (SEM) rivela che i film cresciuti a pressioni crescenti presentano morfologie che evolvono in modo progressivo senza differenze particolarmente nette. L’analisi vibrazionale mostra invece forti differenze tra questi campioni: picchi che sono presenti negli spettri ottenuti da campioni ad una certa pressione di deposizione, ma non in altri campioni prodotti a pressioni diverse e, cosa ancora più interessante, picchi che, per diverse pressioni di deposizione, hanno frequenze simili ma una dipendenza diversa dall’angolo di scattering. Nel capitolo 6 vengono discussi i tentativi fatti per comprendere il comportamento osservato, attribuendo i picchi a possibili modi di vibrazione del film nanostrutturato. Per alcuni sembra essere possibile trovare una descrizione consistente mentre altri rimangono di dubbia attribuzione. Questo tentativo di utilizzare lo scattering Brillouin per caratterizzare film nanostrutturati mostra come tale tecnica sia uno strumento sensibile, in grado di discriminare comportamenti vibrazionali diversi tra campioni prodotti in condizioni non particolarmente differenti e con simili morfologie. La complessità dei modi vibrazionali nei film nanostrutturati, e le difficoltà riscontrate nel modellizzarli, suggerisce la necessità di uno studio interpretativo più approfondito e apre la strada alla possibilità di ottenere una migliore comprensione delle proprietà caratteristiche di questi film.