I materiali a base di ossido sono spesso utilizzati per importanti applicazioni tecnologiche in settori come la catalisi, la protezione contro la corrosione, la micro- e nano- elettronica, la sensoristica, la spintronica , la somministrazione di farmaci , ecc [ 1 ]. Ciò giustifica il grande sforzo per una completa caratterizzazione di tali materiali [ 1,2 ]. I film ultrasottili di ossido sono di importanza fondamentale perché possono presentare proprietà elettroniche e chimiche peculiari, diverse da quelle dei corrispondenti materiali di bulk e dipendenti dalla struttura e dalla difettosità del film [1,3,4]. La capacità di produrre strati di ossido ultrassottili (fino al limite del monostrato) e quasi perfetti è quindi di importanza fondamentale per le applicazioni nano - tecnologiche [ 1 ] . In particolare, l'ossido di magnesio (MgO) è diventato l'oggetto di un'intensa attività di ricerca per il suo ruolo quale materiale di interfaccia [ 5 ], con applicazioni ad esempio come materiale ad alta costante dielettrica nei dispositivi elettronici e in giunzioni magnetiche ad effetto tunnel [ 6 ]. Inoltre , la sua semplice struttura cubica e la piccola distorsione degli strati di MgO cresciuti su Mo(100) o su Ag( 100) ne fanno un sistema modello ideale per lo studio delle proprietà elettroniche e catalitiche di film di ossido e un substrato ideale per la deposizione di nanoclusters metallici [7].
Tuttavia, nonostante l'intensa attività di ricerca, non si era riusciti finora a produrre strati ultrasottili di MgO sufficientemente uniformi da poter essere utilizzati come substrati per la deposizione di ulteriori materiali (nanocluster, molecole, ecc ...). In letteratura sono presenti informazioni contrastanti circa le condizioni ottimali di deposizione, la geometria, l'altezza e anche l'orientamento delle isole di MgO cresciute su Ag (100) [8-12].
Nel nostro lavoro abbiamo caratterizzato submonostrati di MgO cresciuti per deposizione reattiva su Ag(100) utilizzando diversi protocolli di preparazione e considerando, per la prima volta, l'effetto di trattamenti post-deposizione. La morfologia dei film è stata analizzata mediante microscopia ad effetto tunnel (STM), mentre la loro composizione chimica è determinata mediante fotoemissione a raggi X (XPS). L'analisi dei modi vibrazionali ha fornito ulteriori informazioni sulla struttura del film. Oltre alla già stabilita influenza della temperatura di crescita (Tg) sulla morfologia finale del film, troviamo un' inaspettata dipendenza della stessa dalle modalità del raffreddamento del campione dopo la deposizione, un parametro che era stato finora ignorato. Il nostro lavoro permette di relazionare la scarsa riproducibilità dei dati esistenti alla forte dipendenza della qualità del film dal processo di raffreddamento del campione, fattore che dipende criticamente dal particolare apparato sperimentale usato. Con opportuni trattamenti post-crescita , cioè controllando fattori termodinamici finora trascurati, siamo riusciti a produrre film con particolare geometria, da isole irregolari di dimensioni nanometriche e alte un monostrato, ad isole bi e multistrato perfettamente squadrate, a monostrati estesi, la cui larghezza e' apparentemente limitata solo dalle terrazze del substrato (vedi fig . 1).
Il nostro metodo può essere valido non solo per la produzione di film sottili di ossidi , ma anche per molti altri sistemi stratificati. Poiché la struttura del film influenza sia le proprietà chimiche che quelle elettroniche dei singoli strati, un controllo completo di tutti i parametri sperimentali apre prospettive importanti per applicazioni in catalisi e per l'uso di film di ossido ultrasottili come supporto per l'ulteriore deposizione di nano-oggetti organici e inorganici.
Progetto supportato da Compagnia di S. Paolo e ICTP (attraverso una borsa post -dottorato).
Jagriti Pal1,2, Marco Smerieri1, Edvige Celasco1,2, Letizia Savio1*, Luca Vattuone1,2, Mario Rocca1,2
1 IMEM-CNR, U.O.S. Genova, Via Dodecaneso 33, 16146 Genova, IT
2 Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Via Dodecaneso 33, 16146 Genova, IT
*corrispondenza a: letizia.savio@cnr.it, savio@fisica.unige.it
Per maggiori informazioni:
Phys. Rev. Lett. 112, 126102 (2014), DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.126102
[1] G. Pacchioni, H.J. Freund, Chem. Rev. 113, 4035 (2013).
[2] S.A. Chambers, Adv. Mat. 22, 219 (2010).
[3] H.J. Freund, H. Kuhlenbeck, V. Staemmler, Rep. Prog. Phys. 59, 283 (1996).
[4] F.P. Netzer, F. Allegretti, S. Surnev, J. Vac. Sci. Technol. B 28, 1 (2010).
[5] T. Jaouen et al., Phys. Rev. Lett. 111, 027601 (2013).
[6] C. Tusche et al., Phys. Rev. Lett. 95, 176101 (2005).
[7] G. Barcaro, A. Fortunelli, J. Chem. Theory Comput. 1, 972 (2005).
[8] G. Cabailh et al., J. Phys. Chem. A 115, 7161 (2011).
[9] A. Ouvrard et al., J. Phys. Chem. C 115, 8034 (2011).
[10] H.J. Shin et al., Nat. Mat. 9, 442 (2009).
[11] S. Schintke et al., Phys. Rev. Lett. 87, 276801 (2001).
[12] S. Valeri et al., Phys. Rev. B. 65, 245410 (2002).
Fig.1. Colonne (a-c): Immagini STM di film di MgO di spessore nominale 0.7 ML cresciuti in diverse condizioni. (a) Tg=450 K, raffreddanmento veloce (Fast Cooling - FC); (b) Tg=773 K, FC; (c) Tg=773 K, raffreddamento lento (Slow Cooling - SC). Per tutte le immagini, le dimensioni sono 21x21 nm2; I=0.2 nA. Pannello (d): Immagine della superficie di Ag(100) pulita acquisita con risoluzione atomica ed usata per la calibrazione. Le direzioni di alta simmetria sono indicate da frecce. Dimensioni: (2.4x2.4) nm2, V=0.1, I=0.2 nA. Pannello (e): Profili in altezza delle differenti strutture di MgO, acquisiti lungo le line indicate nei pannelli inferiori di colonne (a-c) (direzione <001>, condizioni topografiche). 2.1 Ǻ corrispondono ad un monostrato di MgO.
Immagini:
