Au-Co Thin Films and Nanostructures for MagnetoPlasmonics

Il presente lavoro si inserisce nell'ambito della scienza e ingegneria dei materiali per la MagnetoPlasmonica. Questa ultima è una recente, ma allo stesso tempo crescente, area di ricerca che mira a combinare le proprietà plasmoniche tipiche dei metalli nobili nanostrutturati (quali, ad esempio, l’intensificazione del campo elettromagnetico locale o la trasmissione ottica straordinaria) con funzionalità di tipo magnetico. Promettenti applicazioni spaziano dalla sensoristica alla realizzazione di nanocircuiti totalmente ottici, solo per citarne alcuni. Tradizionalmente i sistemi per MagnetoPlasmonica più considerati in letteratura prevedono l’accoppiamento di un film sottile o arrangiamento nanostrutturato di metalli nobili con materiale ferromagnetico. Tuttavia, al fine di migliorare le prestazioni di suddetti sistemi e/o esplorare nuove funzionalità è necessario ricercare nuovi composti in cui già il materiale innovativo presenta proprietà plasmoniche e magnetiche. Scopo della presente tesi è la realizzazione e lo studio di film sottili e nanostrutture a base di lega Au-Co: l’oro è, infatti, un metallo nobile tra i migliori per applicazioni in plasmonica e il cobalto è un materiale ferromagnetico. I due metalli allo stato bulk sono notoriamente immiscibili. Con la tecnica di deposizione magnetron sputtering sono stati depositati (in geometria di codeposizione) film sottili Au:Co, caratterizzati da tre diverse composizioni, ovvero Au2Co1, Au1Co1 e Au1Co2 e tre diversi spessori, rispettivamente ≈ 15 nm, ≈ 30 nm e ≈ 100 nm. Una ricerca estesa è stata condotta con l’obiettivo di studiare attentamente le proprietà strutturali dei film, combinando diffrazione a raggi X, con misure di Assorbimento X svolte al Sincrotrone e Microscopia elettronica. I risultati dimostrano che la parte predominante del film è costituita da una lega Au-Co che è tipicamente più ricca in oro rispetto ai rapporti atomici nominali di Au e Co. La frazione di lega, la sua stechiometria e l’ordine locale dipendono dal rapporto Au/Co inizialmente presente. Inoltre, mentre nel campione Au2Co1 la lega è prevalentemente amorfa, nel caso delle leghe più ricche in cobalto vi è la presenza di grani FCC cristallini, allungati lungo la direzione di crescita del film, fortemente tessiturati (in cui i piani (111) sono prevalentemente paralleli al substrato) e caratterizzati da un parametro reticolare che diminuisce all'aumentare del contenuto di cobalto. Oltre alla fase di lega, sono presenti dei clusters di cobalto, caratterizzati da un basso ordine strutturale. L’interfaccia tra due fasi magnetiche è stata confermata da misure SQUID che hanno inoltre permesso di caratterizzare i cicli di isteresi dei film Au:Co e di stimarne i valori di magnetizzazione di saturazione. Le proprietà ottiche dei film sono state caratterizzate con misure di trasmittanza (nel range UV-Vis) ed Ellissometria. Da un punto di vista termico, la lega Au-Co si dimostra stabile fino a 200° C; al crescere della temperatura ha lungo una de-alligazione che porta alla formazione di fasi metalliche separate di oro e cobalto. I materiali Au-Co così preparati e caratterizzati sono stati poi impiegati come componente metallica in array periodici nanostrutturati, i.e., Semi Nano-Shell Array e Nano Hole Array. Gli array sono stati caratterizzati da un punto di vista morfologico e ottico dimostrandosi promettenti piattaforme per future caratterizzazioni MagnetoPlasmoniche.