ingegnerizzazione di processi di deposizione chimica da fase vapore e da soluzione per materiali funzionali avanzati

The current improvement and enhancement of material production processes are becoming increasingly important in the ongoing quest for innovative materials and cutting-edge technologies, where the micro- and nanofabrication of materials serves as the basis for emerging innovations. The main goal of this PhD thesis is to provide an outline for a fundamental understanding of the rules that drive the interactions between precursors and materials in different deposition processes. The project is focused on the engineering of vapor phase and solution deposition processes, such as metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), Spatial Atomic Layer Deposition (SALD), and sol-gel deposition. Vapor-phase deposition techniques, which offer fine control over the formation of thin films, contribute to the development of advanced devices and coatings. The numerous advantages of these techniques include reduced cost, versatility in coating complex geometries, the ability to create chemically complex systems, and scalability for large-scale processing. In contrast, solution-based methods, such as the sol-gel method, provide a way to create complex nanostructures that are suited to specific functionalities. The sol-gel approach has several advantages, most notably, the ability to modify precursor stoichiometry, solvent, and processing conditions in order to tune material composition, porosity, surface area, and other features. The present thesis involved a thorough analysis of a wide range of material classes, including lead-free piezoelectric ternary oxides (LiNbO3, K1-xNaxNbO3), binary transition metal oxides (Cu2O, VO2), ternary fluorides (BaMgF4, CsCaF3), and alkaline-earth binary fluorides (BaF2, MgF2). The main goals were to improve our understanding of the precursor-material interactions and identify the most efficient synthetic methods for a variety of functional materials. This project was carried out using a strict and organized procedure that included the careful optimization of thin-film deposition techniques tailored for each material category and the investigation of possible applications. The crucial process parameters capable of affecting material quality were carefully explored, underscoring the need for exact control and optimization. Various characterization techniques have been employed to validate the proper form of the material. These methods include structural analysis, such as X-ray diffraction (XRD) and Raman Spectroscopy, compositional analysis using techniques such as Energy Dispersive X-ray analysis (EDX) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and morphological investigations with Field-Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM). Furthermore, specialized property study techniques have been employed for materials exhibiting distinctive functionalities.

ttualmente, l'ottimizzazione e il perfezionamento dei processi di produzione dei materiali stanno acquisendo un'importanza sempre maggiore nella continua ricerca di materiali innovativi e tecnologie all'avanguardia, in cui la micro e nanofabbricazione dei materiali costituisce la base per le innovazioni emergenti. Il principale obiettivo di questa tesi di dottorato è fornire un quadro per una comprensione fondamentale delle regole che guidano le interazioni tra precursori e materiali nei diversi processi di deposizione. Il progetto è incentrato sull'ingegnerizzazione dei processi di deposizione in fase vapore e in soluzione, come la deposizione chimica in fase vapore (MOCVD), la “spatial atomic layer deposition” (SALD) e la deposizione sol-gel. Le tecniche di deposizione in fase vapore, che offrono un controllo preciso sulla formazione di film sottili, contribuiscono allo sviluppo di film funzionali per la fabbricazione di dispositivi avanzati. I numerosi vantaggi di queste tecniche includono costi ridotti, versatilità nel ricoprimento di geometrie complesse, la capacità di creare sistemi chimicamente complessi e la facile scalabilità industriale. Al contrario, i metodi in soluzione, come il metodo sol-gel, forniscono un modo per creare nanostrutture complesse adatte a funzionalità specifiche. L'approccio sol-gel ha diversi vantaggi, in particolare la capacità di modificare la stechiometria dei precursori, il solvente e le condizioni di processo al fine di regolare la composizione del materiale, la porosità, l'area superficiale e altre caratteristiche. La presente tesi ha comportato un'analisi approfondita di una vasta gamma di classi di materiali, tra cui ossidi ternari piezoelettrici senza piombo (LiNbO3, K1-xNaxNbO3), ossidi binari di metalli di transizione (Cu2O, VO2), fluoruri ternari (BaMgF4, CsCaF3) e fluoruri binari alcalino-terrosi (BaF2, MgF2). Gli obiettivi principali erano migliorare la nostra comprensione delle interazioni tra precursori e materiali e identificare i metodi sintetici più efficienti per una varietà di materiali funzionali. Questo progetto è stato condotto seguendo una procedura rigorosa e organizzata, che includeva l'ottimizzazione accurata delle tecniche di deposizione di film sottili adattate a ciascuna categoria di materiali e l'indagine sulle possibili applicazioni. Sono stati esplorati con attenzione i parametri del processo cruciali in grado di influenzare la qualità del materiale, sottolineando la necessità di un controllo preciso e di un'ottimizzazione. Sono state impiegate varie tecniche di caratterizzazione per confermare la formazione materiale in studio. Queste metodologie includono analisi strutturali, come la diffrazione a raggi X (XRD) e la spettroscopia Raman, analisi compositive mediante tecniche come l'analisi a dispersione di energia a raggi X (EDX) e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), e indagini morfologiche con la microscopia elettronica a scansione a effetto di campo (FE-SEM). Inoltre, sono state impiegate tecniche specializzate per lo studio delle proprietà dei materiali che presentano funzionalità distinte.