Crescita e caratterizzazione di film sottili di TiO2 su substrati metallici

The experimental work here presented is about the growth and characterization of titanium dioxide (TiO2) thin films on different metal substrates. At first, growth was performed on iron both at high and room temperature, giving very different results with respect to the previous work (TiO2 grown on crystalline gold) in terms of interdiffusion and substrate oxidation. The process was repeated on an iron substrate with a gold buffer layer under high temperature conditions (300° C) to control the reactions at the interface. The scientific interest in studying these structures lies mainly in their applicability in photovoltaics, in particular in the so-called Dye-sensitized Solar Cells (DSCs): here, the principles of operation and the efficiency parameters are described, together with a brief description of another type of electrochemical cells (McFarland and Tang’s ballistic cells) that differ from the first ones as they do not involve the use of an electrolytic solution. Thereafter we also introduce the Diluted Magnetic Oxides (DMO) that are of interest in the field of spintronics and in which the titanium dioxide is playing an important role. Both the iron substrate and the gold and titanium dioxide thin films were grown by Molecular Beam Epitaxy (MBE) and characterized by means of electron diffraction, UV Photoemission Spectroscopy (UPS), Inverse PhotoEmission Spectroscopy (IPES) and X-ray Photoemission Spectroscopy (XPS). It is found that the choice of iron as a substrate is not suitable for the growth since interdiffusion of titanium occurs at high temperature, while the oxide layer is substoichiometric at room temperature (i.e. reduced species are found); in both cases the iron below presents an oxidized component. The addition of an intermediate 1 nm thick gold layer is not enough to protect the underlying film from oxidation and seems to allow iron interdiffusion towards the surface: here a model is proposed which assumes that gold form islands on iron, allowing the latter to be in contact with TiO2 and showing again oxidation and interdiffusion, as observed on the TiO2/Fe system. For what future developments concern, once an efficient shielding for iron against oxidation is obtained, it will be possible to dope the titanium dioxide film with cobalt ions and to study its magnetic behavior.

Il lavoro sperimentale presentato in questa tesi riguarda la crescita e la caratterizzazione di film sottili di biossido di titanio (TiO2) su substrati metallici di diversi elementi. Dapprima è stata eseguita la crescita su ferro sia ad alta temperatura che a temperatura ambiente, ottenendo risultati molto diversi rispetto al precedente lavoro di crescita su oro cristallino in termini di interdiffusione e ossidazione del substrato. Il processo di crescita è stato ripetuto su substrato di ferro con uno strato intermedio d’oro in condizioni di alta temperatura (300° C) per il controllo delle reazioni all’interfaccia. L’interesse scientifico nello studiare questo tipo di strutture risiede principalmente nella loro applicabilità alle celle fotovaltaiche a colorante (DSCs, Dye-sensitized Solar Cells): se ne descrivono il funzionamento e i parametri di merito, per poi riportare anche alcune informazioni riguardo un tipo di celle elettrochimiche alternative (celle balistiche di McFarland e Tang) che differiscono dalle prime in quanto non prevedono l’impiego di soluzione elettrolitica. Successivamente si introducono anche i cosiddetti ossidi magnetici diluiti (DMO, Diluted Magnetic Oxides) di interesse nel campo della spintronica e in cui l’ossido di titanio sta giocando un ruolo rilevante. Sia il substrato di ferro che i film sottili di oro e ossido di titanio sono stati cresciuti tramite epitassia da fasci molecolari (MBE, Molecular Beam Epitaxy) e caratterizzati tramite diffrazione di elettroni, spettroscopia di fotoemissione a raggi UV e di fotoemissione inversa e spettroscopia di fotoemissione a raggi X. Si trova che la scelta del solo ferro non è adeguata alla crescita, dato che ad alta temperatura si verifica interdiffusione di titanio e a temperatura ambiente lo strato di ossido risulta sottostechiometrico (ossia presenta specie ridotte); in entrambi i casi il ferro sottostante presenta una componente ossidata. L’aggiunta dello strato d’oro di spessore 1 nm non è sufficiente a proteggere il film sottostante dall’ossidazione e sembra permettere l’interdiffusione del ferro verso la superficie: il modello proposto prevede che si formino isole d’oro sul ferro, permettendo a quest’ultimo di entrare in contatto con il TiO2 e ripresentando ossidazione e interdiffusione come osservato sul sistema TiO2/Fe. Per quanto riguarda gli sviluppi futuri, una volta ottenuta una schermatura efficiente per il ferro nei confronti dell’ossidazione, sarà possibile drogare il film di ossido di titanio con ioni di cobalto e studiarne il comportamento magnetico.