Innovative patternable materials for micro- and nano- fabrication

L’attività di ricerca del presente lavoro di tesi è stata finalizzata allo sviluppo e all’ottimizzazione di nuovi materiali sol-gel a base di ossidi di TiO2, Al2O3 e ZrO2, organicamente modificati, per diverse applicazioni, sfruttando alcune delle loro caratteristiche peculiari e ottimizzandone le prestazioni. Nella fase iniziale del lavoro particolare attenzione è stata rivolta alla sintesi e all’ingegnerizzazione dei materiali stessi (approccio bottom up). Nella fase successiva i materiali sviluppati sono stati micro- e nano- strutturati mediante tecniche litografiche differenti (approccio top down) al fine di valorizzarne proprietà specifiche a seconda della particolare applicazione finale. La combinazione tra l’approccio top down e quello bottom up è stata dunque la principale strategia adottata al fine di raggiungere gli obiettivi prefissati. Per quanto riguarda l’approccio bottom up, la strategia di sintesi adottata è stata il metodo sol-gel. Infatti, l’utilizzo di precursori organico-inorganici permette di sintetizzare nuovi materiali con proprietà e microstrutture uniche. Utilizzando precursori organicamente modificati, come ad esempio trimetossifenilsilano, glicidossipropiltrimetossisilano, metacrilossipropiltrimtossisilano, è stato possibile infatti ottenere materiali ibridi avanzati le cui componenti, organica e inorganica, sono intimemente mescolate a livello molecolare. Inoltre, in fase di sintesi, possono essere aggiunti precursori tetra funzionali, tra cui Titanio isopropossido, Zirconio butossido, Alluminio-tri-sec-butossido, per: aumentare il grado di reticolazione, poiché partecipano alla formazione del network inorganico, con relativo incremento delle proprietà meccaniche del materiale (resistenza al graffio, all’abrasione, all’attacco con plasma), e conferire particolari caratteristiche al materiale finale, come ad esempio la modulazione dell’indice di rifrazione. I materiali così sintetizzati sono stati quindi direttamente micro- e nano- strutturati mediante tecniche litografiche differenti (fotolitografia, litografia a raggi X e a elettroni, litografia nanoimprint), approccio top down, al fine di ottenere pattern ad elevato indice di rifrazione, maschere per il silicio altamente selettive, dispositivi per ottica adattiva e stampi per micro-iniezione. Uno studio approfondito dell’interazione del materiale con le sorgenti utilizzate nei vari processi litografici ha permesso inoltre di ottimizzare sia la sintesi dei sistemi sol-gel stessi sia i parametri di processo litografico. Quindi, lo sviluppo e l’ottimizzazione contemporanei dei materiali avanzati e dei processi litografici innovativi appena citati hanno permesso di ridurre in termini di costi e tempo l’intero processo di micro- e nano- fabbricazione dei dispositivi finali realizzati, rispetto al processo litografico tradizionale, ottenendo strutture qualitativamente superiori.