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Mattarello, Valentina (2016) Au-Co Thin Films and Nanostructures for MagnetoPlasmonics. [Tesi di dottorato]

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Tesi non accessible fino a 01 Gennaio 2018 per motivi correlati alla proprietà intellettuale.
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Abstract (inglese)

This thesis develops in the framework of the Material Science for MagnetoPlasmonic purposes.
MagnetoPlasmonics is a recent and fast growing research _eld that aims at coupling the plasmonic properties typical of nanostructured noble metals (as, for instance, the local enhancement of electromagnetic _eld or the extraordinary optical transmission) with magnetic functionalities.
Promising applications, just to mention a few, span from sensing to the realization of active optical circuits at a nanoscale level.
MagnetoPlasmonic systems, so far mostly studied in the literature, are based on thin layers or nanostructures of noble metals coupled with ferromagnetic materials. Nevertheless, the requirement to increase the performances of such systems, and/or extend their functionalities, prompts the search for innovative compounds, which, displaying synergistic properties not otherwise achievable in phase segregated mixtures, can hold both plasmonic and magnetic features.
The aim of the present thesis is the realization and study of Au:Co alloyed thin _lms and nanostructures: gold is among the best performing materials in Plasmonics, while cobalt is known for its ferromagnetic properties. Unfortunately, the two metals are immiscible as bulk phases.
Au:Co thin _lms have been prepared by magnetron sputtering deposition technique in co-focusing geometry. Three di_erent compositions have been investigated, i.e., Au2Co1, Au1Co1 and Au1Co2, combined with three different values of thickness, i.e., ≈ 15 nm, ≈ 30 nm and ≈ 100 nm.
A full structural investigation has been carried out by X-Ray Di_raction integrated with XRay Absorption Spectroscopy and Transmission Electron Microscopy. The results demonstrate that the major fraction of the _lm is composed of an Au:Co alloy, typically richer in gold with respect to the nominal Au:Co atomic ratios.
The alloy fraction, its stoichiometry and the local order depend on the initial Au:Co ratio.
In the case of Au2Co1 sample, the alloy is, indeed, amorphous, while in the case of alloy richer in cobalt, there are some FCC crystalline seeds, elongated along the direction of the _lm growth. These grains are highly textured, with the (111) planes parallel to the substrate, and show a lattice constant that shortens as the Co content increases.
Besides this alloyed phase, there are segregated clusters of Cobalt, extremely nanostructured.
The presence of two magnetic phases is con_rmed by SQUID measurements, which, furthermore, allowed to characterize the hysteresis loops of the Au:Co _lms and to estimate the values of saturation magnetization.
The optical properties of the _lms have been characterized by transmittance UV-Vis measurements and Ellipsometry.
A thermal stability study demonstrated that the alloy is stable up to 200_ C; then, as the temperature increases, a de-alloying process occurs leading to two segregated phases of gold and cobalt.
The as-prepared Au-Co materials have been employed as metallic component in nanostructured periodic arrays, i.e., Semi Nano-Shell Array and Nano Hole Array. The morphological as well as the optical characterizations of the arrays demonstrate that these systems are promising candidates for future magneto-plasmonic studies and applications.

Abstract (italiano)

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.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Mattei , Giovanni
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 27 > scuole 27 > SCIENZA ED INGEGNERIA DEI MATERIALI
Data di deposito della tesi:30 Giugno 2016
Anno di Pubblicazione:30 Giugno 2016
Parole chiave (italiano / inglese):gold cobalt alloy plasmonics magnetism thin film nanostructures
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 02 - Scienze fisiche > FIS/03 Fisica della materia
Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/22 Scienza e tecnologia dei materiali
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Scienze Chimiche
Codice ID:9658
Depositato il:24 Ott 2016 13:30
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