Produzione mediante deposizione laser pulsata e studio del comportamento in temperatura di film di tungsteno per ricerche sulla fusione nucleare

The main aims of this thesis are the production of thin, compact and nanostructured tungsten film grown by pulsed laser deposition technique (PLD) and the study of their properties for applications in confined nuclear fusion systems. The production part of this work has been devoted to the understanding of properties variations of thin films realized in different deposition conditions: morphology and structure variations have been analyzed as a function of various deposition parameters, such as laser fluence and ambient pressure to to find procedure to obtain disordered film to simulate damage materials. The films have been annealed to understand temperature effects on material structure. Films, having high-planarity and deposited on relevant substrates, such as graphite and tungsten, have been realized for future studies in the field of nuclear fusion. Samples characterization has been carried on by means of scanning electron microscopy, x ray diffraction spectroscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy; further samples electrical resistivity has been investigated in order to quantify disordering degree in the film. The main results obtained in this thesis work is the control of growth-process and the nanoscale, by means process parameters scan, and study films thermal behavior; these are interesting aspects for realizing future experiments to determine hydrogen retention and permeation, erosion effect induced by exposure to plasma and mechanical properties.

Gli obiettivi principali di questa tesi sono la produzione di film sottili compatti e nanostrutturati di tungsteno, cresciuti con la tecnica di deposizione a laser pulsata (PLD) e lo studio delle loro proprietà nell’ambito di possibili applicazioni in sistemi per la fusione nucleare a confinamento magnetico. Il lavoro di deposizione è volto a comprendere le variazioni delle proprietà dei film sottili realizzati in diverse condizioni di crescita: sono state in particolare analizzate le variazioni della morfologia e della struttura dei film in funzione dei vari parametri di deposizione, quali la fluenza del laser e le condizioni ambientali di deposizione al fine di individuare la procedura più adatta per realizzare film disordinati rappresentativi di materiali danneggiati. I film realizzati sono stati trattati termicamente per comprendere come la variazione di temperatura induca modificazioni nella struttura del materiale. Al fine di produrre campioni adatti per studi in ambito fusionistico sono stati inoltre depositati film con un’elevata planarità e su substrati di interesse, come la grafite e il tungsteno. La caratterizzazione dei campioni è stata possibile utilizzando la microscopia elettronica a scansione, la spettroscopia a diffrazione di raggi X e la spettroscopia a dispersione di raggi X; inoltre è stata indagata la possibilità di valutare la resistività elettrica dei campioni per avere una quantificazione del grado di disordine presente nella nanostruttura del materiale. Con questo lavoro di tesi è stato possibile acquisire il controllo della nanostruttura del film di tungsteno durante la fase di crescita modificando i vari parametri di deposizione e la comprensione del comportamento in temperatura, aspetti di interesse per poter realizzare futuri esperimenti volti a determinare le proprietà di ritenzione e permeazione di idrogeno, gli effetti legati all’erosione se interfacciati con un plasma e le proprietà meccaniche.