Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/11489
Title: STRUCTURAL INVESTIGATION OF THIN FILMS: FROM METAL HETEROSTRUCTURES TO METAL/ORGANIC SYSTEMS
Authors: COSSARO, ALBANO
Issue Date: 25-Mar-2005
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: 
Le recenti innovazioni scientifiche e tecnologiche hanno reso possibile la realizzazione di dispositivi su scala nanometrica che hanno guidato il trend di miniaturizzazione nelle industrie elettronica e dei semiconduttori. L 'utilizzo di interfacce molto ordinate tra due metalli, tra un metallo e un semi conduttore o tra un film organico ed un metallo, è stato dimostrato essere molto promettente per lo sviluppo di nuovi dispositivi grazie all'alta mobilità elettronica indotta dall'assenza di difetti e dall'alto grado di ordine di questi sistemi. La realizzazione di tali interfacce avviene tramite la crescita epitassiale di materiali in condizioni di ultra alto vuoto. La crescita epitassiale eterogenea è inoltre una tecnica largamente utilizzata per produrre materiali artificiali; una opportuna scelta del substrato di crescita infatti, permette di introdurre e controllare proprietà strutturali del film che si cresce e di regolarne in questo modo le proprietà elettroniche. Per questi motivi la capacità di studiare le proprietà non solo spettroscopiche ma anche strutturali di questi sistemi è diventata di fondamentale importanza negli ultimi anni. Nel presente lavoro un approccio multi-tecnica è stato applicato per ottenere una caratterizzazione completa dal punto di vista strutturale e morfologico di alcuni sistemi presi come esempio. I film sottili considerati sono stati studiati per mezzo della diffrazione a raggi X ad incidenza radente (GIXRD), diffrazione di fotoelettroni (PED), spettroscopia di assorbimento vicino soglia (NEXAFS), diffrazione di atomi di elio (HAS) e diffrazione di elettroni a bassa energia (LEED). Il lavoro è stato eseguito presso la linea di luce ALOISA del sincrotrone ELETTRA di Trieste. Viene riportata una breve introduzione alle tecniche sperimentali utilizzate. Due esperimenti su sistemi semplici vengono esposti per descrivere l'applicazione delle tecniche GIXRD (la determinazione delle proprietà strutturali della ricostruzione l x2 della superficie Au(ll 0)), PED e NEXAFS (determinazione dell'orientazione del gruppo CN sulla superficie Pd(llO)) e di come esse possono venire utilizzate sulla linea ALOISA. Nel caso di sistemi più complessi, l'utilizzo simultaneo di più tecniche è necessario per una caratterizzazione completa. Due esempi in questo senso vengono riportati nella presente tesi: l. Crescita di un film di N i sulla superficie Pd(l 00) I film metallici sottili, quando cresciuti su substrati opportuni, possono presentare proprietà chimiche e magnetiche inusuali, date dalle distorsioni strutturali indotte dal substrato. Uno studio strutturale di questi sistemi è necessario per otteneme una caratterizzazione completa. Nel caso del Ni su Pd(lOO), nelle prime fasi della deposizione gli atomi di Ni formano un reticolo di tipo fcc (cubico a facce centrate) distorto, con il parametro laterale pari a quello del substrato (fase pseudomorfa). Precedenti studi PED suggeriscono che una transizione strutturale di fase avviene quando il film raggiunge uno spessore di 9-12 strati atomici. A queto stadio il film si suppone assumere la struttura fcc tipica per il Ni. Noi abbiamo usato le tecniche GIXRD e PED per caratterizzare l'evoluzione delle due fasi in funzione dello spessore del film. Uno spessore critico di 10 strati atomici è stato determinato per l'inizio della transizione alla fasefcc. Le misure GIXRD hanno inoltre messo in evidenza come la transizione, caratterizzata da un forte rimescolamento dei due metalli all'interfaccia, proceda con una crescita laterale di domini di Nifcc a spese della fase pseudomorfa. I film di metallo-ftalocianine sono tra i semi conduttori organici più promettenti per applicazioni in elettronica, celle solari, sensori di gas. Le loro proprietà di trasporto possono essere migliorate ottimizzando le proprietà morfologiche, che dipendono dalla struttura dell'interfaccia con il substrato sui cui vengono cresciuti; per questo motivo lo studio dei primi stadi di deposizione della CuPe è rilevante per possibili applicazioni. Noi abbiamo studiato la struttura di un film sottile di CuPe su Au(llO) con le tecniche HAS, LEED, NEXAFS e GIXRD in funzione dello spessore, nell'intervallo tra O e 2 strati molecolari. Abbiamo evidenziato come diverse ricostruzioni della superficie vengono indotte dall'interazione molecole-substrato al variare dello spessore del film. In particolare due fasi con due diverse ricostruzioni lungo la direzione [l 00] del substrato sono state identificate: una ricostruzione x5 è presente a ricoprimento minore di uno strato molecolare; quando il primo strato molecolare del film è formato appare infine una ricostruzione x3. Misure GIXRD hanno permesso di determinare la struttura della cella x3 del substrato, che è presente in entrambe le fasi ed è accompagnata nella fase x5 da celle x2 residue della ricostruzione della superficie pulita. L'utilizzo di due tecniche sensibili in modo diverso alla superficie come HAS e LEED ha permesso di distinguere tra il grado di ordine del substrato e quello delle molecole del film; mentre allo spessore di uno strato molecolare il film è parzialmente disordinato, il substrato presenta ordine a lungo raggio. Grazie agli spettri NEXAFS si è determinata l'orientazione della molecola rispetto al substrato. E' stata misurata un'inclinazione di 25 gradi del piano molecolare rispetto alla superficie, consistente con la distorsione asimmetrica della struttura della cella x3 trovata con le misure GIXRD.

The semiconductor and electronic industry has seen a remarkable miniaturization trend driven by many scientific and technologic innovations in which the device fabrication and control on the nanometric lengthscales have become a fundamental issue. The experimental quest for highly ordered metal-semiconductor, metal-metal and organic-inorganic interfaces in the modem electronics is further motivated by the observed increased electric charge carrier mobility over well ordered and defect free layers, which can be produced by epitaxial film growth under Ultra-High- Vacuum conditions. Furthermore, heterogeneous epitaxy is a widely exploited technique to fabricate artificial materials, since a proper choice of the substrate allows to introduce controlled structural modifications of the growing film and to tune in this way its electronic properties. For these reasons the capability of studying not only the spectroscopic but also the structural properties of these systems has become of fundamental importance in the last years. In this work a multi-technique experimental approach has been applied to reach an exhaustive comprehension of the interface structure and morphology on a few case studies. Thin films have been studied by means of Grazing Incidence X-Ray Diffraction (GIXRD), X-ray Photoelectron Diffraction (PED), Near Edge X-ray Absorption Fine Structure spectroscopy (NEXAFS), Helium Atom Scattering (HAS) and Low Energy Electron Diffraction (LEED). The thesis work has been performed at the ALOISA beamline of ELETTRA Synchrotron in Trieste. A brief review of the experimental techniques is given. Two experiments on simple systems are presented to describe the application of GIXRD (the structural determination of the l x2 missing row Au(llO) surface reconstruction) and PED and NEXAFS ( determination of the diatomic molecule CN orientation on Pd(llO) substrate) techniques and their implementation in the experimental apparatus of ALOISA. In the case of more complex systems, a complete structural characterization requires the simultaneous use of most of the above introduced techniques. Two case studies are reported in this thesis.l. Ni film growth on Pd(lOO) surface. Thin metallic films, when grown on suitable substrates can display unusual chemical and magnetic properties due to the strain induced by the substrate. To reach a better understanding of these heterosystems a structural characterization is needed. In the case of Ni on Pd(OOl), in the early stages of deposition, Ni atoms forma tetragonally strained fcc phase with the same laterallattice spacing of the substrate (pseudomorphic phase). Previous PED measurements suggested a structural transition occurring when the film thickness exceeds approximately 9-121ayers. At this stage the film was supposed to transform into its bulk-like Ni fcc structure. We have used GIXRD and PED to fully characterize the evolution of the two phases as a function of the thickness. A critical value of l O layers has been determined as the onset for the transition to the bulk phase. The morphology and the distribution of the two species of the system has been determined. GIXRD scans analysis puts in evidence how the transition, accompanied by a strong increase of the intermixing at the Ni/Pd interface, proceeds by the lateral growth of the Ni fcc domains at the expense of the pseudomorphic phase. 2.The structural characterization of a thin Copper-Phthalocyanine (CuPc) fùm grown on Au(llO) surface. Metal-Phthalocyanines films are among the most promising organic semiconductors devices for applications in electronics, solar celis, gas sensors. Their transport properties can be improved by optimizing the film morphology, which depends on the interface structure; for this reason the study of the early stages of deposition of CuPc on metals is relevant for possible applications. W e have studied the structure of a thin Cu-Pc film on the Au(llO) surface by means of HAS, LEED, NEXAFS and GIXRD as a function of thickness in the 0-2 monolayer range. W e have shown how different reconstructions are induced by the interaction between the molecules and the substrate as a function of the film thickness. In particular, two phases have been studied displaying different reconstructions along the [l 00] direction of the surface: a x5 reconstruction is present in the submonolayer range; at the monolayer coverage a x3 phase appears. GIXRD measurements allowed to determine the structure of the x3 cell which is present in the both phases and is accompanied by residua! x2 cell of the clean surface in the x5 phase. The use of two differently surface sensitive techniques · such as HAS and LEED allowed to distinguish between the order of the substrate and the organic layer; while the molecular film is partly disordered at the monolayer stage, the substrate presents well defined long range order. The NEXAFS spectra determine the molecules orientation with respect to the substrate. A tilt angle of about 25 degrees between the molecular plane and the surface in the x3 phase has been determined, consistent with an asymmetric distortion of the structure of the x3 cell.
Description: 
2003/2004
URI: http://thesis2.sba.units.it/store/handle/item/13175
http://hdl.handle.net/10077/11489
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