Positron spectroscopy study of the role of vacancy-like defects in the hydrogen absorption kinetics of Nb doped Mg and in the growth processes of waveguides for photonic applications.

Project leaders

Alessandro Chiasera, Carlos Eugenio Macchi

Agreement

ARGENTINA - CONICET - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

Call

CNR/CONICET 2011-2012

Department

Materials and Devices

Thematic area

Physical sciences and technologies of matter

Status of the project

New

Research proposal

La positron annihilation spectroscopy (PAS) è una tecnica matura e riconosciuta per le sue capacità di rivelare difetti di volume aperto in ogni tipo di materiale. Nei materiali cristallini si possono rivelare selettivamente difetti di tipo vacanza (concentrazioni maggiori o uguali a 10^15 cm^-3) e cluster di vacanze. In materiali amorfi si possono stimare le dimensioni dei volumi aperti.
La PAS applicata con un fascio di positroni ad energia variabile consente di studiare profili di difetti in funzione della profondità. Si utilizzeranno tre tecniche PAS complementari che consentono di dare una descrizione completa del difetto tipo vacanza o volume aperto [1, 2]: tipo di difetto, concentrazione del difetto, distribuzione ed intorno chimico. Le misure di  depth profilig con Doppler Broadening Spectroscopy (DB-PAS) e la Doppler Broadening in Coincidence Spectroscopy (CDB-PAS) verranno effettuate presso i laboratori di Trento mentre le misure Lifetime Spectroscopy (PALS) verranno effettuate presso la sorgente intensa di positroni NEPOMUC al reattore di ricerca FRMII a Monaco con l’apparato PLEPS. I proponenti il progetto hanno una stretta collaborazione con il gruppo che gestisce la sorgente NEPOMUC.
I vantaggi della PAS si possono elencare come segue: 1) rivelazione e identificazione dei difetti di tipo vacanza in modo diretto e con alta sensibilità 2) i risultati delle misure possono essere supportati dalla teoria in quanto le caratteristiche di annichilazione possono essere calcolate con tecniche ab initio; 3) l'uso di un fascio di positroni permette lo studio di interfacce, multistrati, difetti associati a precipitati in film sottili; 4) le misure PAS possono essere modellizzate con l'equazione della diffusione del positrone per estrarre profili di difetti.
Nel seguente progetto si propone di utilizzare la PAS per indagare a) come i difetti di tipo vacanza  influiscono sulla cinetica di assorbimento desorbimento dell’idrogeno in film Mg drogato Nb, b) come le variazioni dei volumi aperti influiscono sulle proprietà ottiche e spettroscopiche di guide di luce planari prodotte per sol-gel o rf-sputtering. L’Unità operativa Italiana produrrà i materiali. Le misure PAS verranno effettuate sia dai ricercatori Italiani che Argentini presso i laboratori Italiani e la facility Europea a Monaco. I ricercatori dell’Unità operativa Argentina effettueranno analisi dati e calcoli ab-inizio sui sistemi in oggetto.
Il Nb in matrice Mg agisce da catalizzatore nei processi di assorbimento e desorbimento dell'idrogeno [3]. La sua azione sembra dovuta sia alla nanostruttura del materiale che alle interfacce Nb/Mg tuttavia  i  meccanismi microscopici all'origine dell'azione catalitica non sono però chiariti.  Si vogliono pertanto studiare  i processi di clustering del Nb disperso in matrice magnesio e i difetti di tipo vacanza all’ interfacce Nb/Mg. L'Unità Italiana sintetizzerà campioni Mg con Nb atomicamente disperso, tramite tecnica PVD [4]. Il processo di clustering del Nb e l’evoluzione dei difetti di tipo vacanza sarà studiato in presenza della trasformazione di fase della matrice Mg, da magnesio metallico a idruro (MgH2) e viceversa dopo ripetuti assorbimenti e desorbimenti di H. I difetti di tipo vacanza dovrebbero essere siti favoriti per la nucleazione della fase Mg o MgH2. La caratterizzazione morfologica verrà effettuata tramite microscopia elettronica a scansione ad alta risoluzione ed in trasmissione. Inoltre la cinetica delle reazioni di interfaccia Nb/Mg  che coinvolgono l' idrogeno è attesa essere influenzata da difetti strutturali e  dalla presenza di vacanze.
L’Unità italiana ha già notevole esperienza nella produzione tramite rf-sputtering e sol-gel di guide di luce attivate con ioni di terre rare adatte allo sviluppo di dispositivi fotonici [5, 6, 7, 8, 9]. In questo ambito la PAS in matrici vetrose amorfe o in sistemi nanostrutturati come le vetroceramiche in formato planare si dimostra una tecnica altamente sensibile per analizzare in dettaglio l’evoluzione di sub-nano e nano vuoti all’interno dei sistemi considerati e quindi permette un miglior controllo dei protocolli di crescita. In particolare la PAS riesce a dare informazioni su difetti di interfaccia dei nanocristalli all’interno di una matrice di vetro o sull’evoluzione di eventuali porosità che possono formarsi nel processo di produzione di sistemi, come ad esempio per la tecnica sol-gel, che possono portare ad una degradazione delle caratteristiche spettroscopiche dei film [10]. La tecnica PAS consentirà oltre che a seguire l’evoluzione della presenza di porosità residue nei film anche di analizzare come le matrice vetrose si modificano dopo particolari trattamenti effettuati. In particolare potranno essere analizzati in dettaglio fenomeni quali la fotorefrattività già osservata nelle guide SiO2-GeO2 prodotte per rf-sputtering modificano la struttura delle matrici consentendo un maggior controllo del processo di scrittura [7] analizzando i campioni prima e dopo l’irraggiamento. La possibilità poi di seguire l’eventuale evoluzione della formazione di cluster di terre rare o della crescita di nanocristalli nei film  ed i loro difetti di interfaccia consentirà di ottimizzare la composizione dei film e le caratteristiche dei trattamenti necessari per fabbricare vetroceramiche planari ultratrasparenti [6].
 
1) R. S. Brusa, et. al., Phys. Rev. B 71, 245320  (2005).
2) C. Macchi, et. al., Phys. Rev. B 74, 174120  (2006).
3) N. Bazzanella, et. al.,  Appl. Phys. Lett. 89, 014101 (2006).
4) N. Bazzanella, et. al., Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 5212
5) A. Peled, et. al., Appl. Phys. Lett. 92 221104 (2008).
6) S. N. B. Bhaktha, et. al., Appl. Phys. Lett. 93 211904 (2008).
7) G. Nunzi Conti, et. al., Appl. Phys. Lett. 89 121102 (2006).
8) A. Chiasera, et. al.,  Appl. Phys. Lett. 89  171910 (2006).
9) A. Chiappini et. al., Opt. Mat. 31, 1275 (2009).
10)  A. C. Marques, et. al., J. Non-Crystalline Solids 322, 272 (2003).  

Research goals

1.Preparazione di film Mg con inclusione di nanocluster Nb e studio dei difetti vacanza di interfaccia matrice/cluster metallico ritenuti causa del miglioramento delle proprietà cinetiche di assorbimento-desorbimento di H da Mg. L’interesse dell’argomento e’ riconducibile al grande sforzo di ricerca per l’utilizzo di H come vettore energetico. Lo studio proposto può essere utile per giungere alla realizzazione di materiali utilizzabili per l’immagazzinamento di H.
2.Preparazione di guide planari in diverse condizioni sperimentali e studio dei difetti di tipo volume aperto correlando le proprietà ottiche e spettroscopiche con lo stato dei difetti. Lo studio permetterà di individuare le migliori condizioni di fabbricazione. Individuazione di porosità tramite tecnica PAS nelle guide, e di difetti di interfaccia tra matrice vetrosa e terre rare presenti. La capacità di individuare porosità e difetti di interfaccia consentirà di progettare metodi di crescita volti all’eliminazione di tali difetti che riducono la vita e le caratteristiche spettroscopiche dei campioni.
3.Preservazione e consolidamento dell’integrazione culturale tra ricercatori Italiani e Argentini, già stabilita mediante formazione di risorse umane e numerose visite. Integrazione delle competenze scientifiche: i gruppi di ricerca hanno abilità e competenze in differenti tecniche di misura e di calcolo, questo porterà ad una crescita scientifica e tecnologica. Comune interesse nazionale alle tematiche proposte.

Last update: 06/05/2025