fs-PLD (@800-400 nm) in HV o atmosfera gassosa

fs-PLD (@ 800-400 nm) in HV o atmosfera gassosa

Antonio Santagata -

FemtoLAB

Sede di Tito Scalo (Pz)

La focalizzazione di un fascio laser impulsato ad alta potenza sulla superficie di un solido (target) genera il processo di ablazione che è caratterizzato dalla formazione di un plasma contenente un'alta densità di elettroni, atomi, ioni e cluster, o nel caso di utilizzo di laser al fs, di nanoparticelle (NPs), le cui caratteristiche composizionali sono proprie del materiale ablato. La tecnica può essere applicata per la "vaporizzazione", sotto forma di plasma, di qualsiasi materiale (e.g. ossidi, carburi, nitruri, leghe come quasicristalli, materiali biocompatibili ecc.) che tramite la successiva deposizione, caratterizzata da un complesso controllo dei rapporti stechiometrici delle varie specie presenti, consente la crescita di film sottili innovativi, o nuovi materiali nanostrutturati, altrimenti difficilmente ottenibili. Le proprietà delle specie depositate sono funzione delle condizioni operative di processo come ad esempio la durata dell'impulso del laser e la sua densità di energia (fluenza: J/cm2), il background gas presente nella camera di ablazione e sua pressione, ovvero vuoto, e la temperatura del substrato sul quale si depositano le specie ablate. Le due sorgenti laser disponibili aventi impulsi di 7ns e 120 fs, permettono così di differenziare il tipo di processo che se pur complesso può, grossolanamente, essere distinto rispettivamente in termico e non termico. In termini pratici, gli impulsi laser al fs, inducono un processo di ablazione che può essere modellizzato in diversi modi (e.g. esplosione di Coulomb, frammentazione fotomeccanica ecc.) che porta alla formazione di due componenti, un 10-20% di plasma le cui specie eccitate emettono nella regione UV-Vis che è caratteristico invece per quello generato con impulsi laser al ns, e un 80-90% di NPs "calde" la cui temperatura può essere determinata, anche temporalmente, dalla loro emissione di corpo nero (Vis-NIR) tipo Planck. Il sistema di ablazione e deposizione laser in dotazione permette la caratterizzazione temporale sia dell'emissione del plasma indotto che, nel caso di utilizzo di laser al fs, dell'emissione di corpo nero delle NPs prodotte così da rendere possibile correlare queste alle proprietà dei film o dei materiali nanostrutturati depositati.

SPECIFICHE TECNICHE

Spectra Physics Ti:Sa “fs” Laser
Spitfire Pro - Regenerative Amplifier (120 fs; 1kHz; 4 mJ @ 800 nm; SH: 1.5 mJ @ 400 nm)
Quanta System Nd:YAG “ns” Laser
Prototipo (7 ns; 10 Hz; 100 mJ @ 532 nm)
Spettroscopia e imaging risolta in tempo
- Andor iStar “Inductively Charge Couple Device – ICCD” camera (t ≥ 2 ns; Intervallo spettrale = 250-900 nm, Pixel_dim = 13 μm x 13 μm)
- Monocromatore ARC SpectraPro 300i (Intervallo spettrale = 200-1000 nm; ʎ/Δʎ = 10000)
Camera da vuoto
- p_min = 10^-7 mbar;
- Tmax (substrate holder) = 800 °C

TECNICHE DISPONIBILI

Deposizione a RT o alta Temperatura (max 800°C) in HV o ambiente gassoso controllato (es. Ar, N₂, He, O₂) di film sottili e materiali inorganici nanostrutturati di varia natura:
- Carburi, ossidi, nitruri, boruri, ecc.
- Metalli nobili (e.g. per applicazioni plasmoniche)

Le attività sono svolte anche in collaborazione con il Laboratorio di Chimica Fisica Laser dell'Università degli Studi della Basilicata che arricchisce l'offerta con altri apparati sperimentali (es. HR-TEM).

CAMPIONI

Campioni solidi e piani con dimensione laterale 10 mm x 10 mm (minima) e 25 mm x 25 mm (massima); spessore 20 mm (massima).

UTILIZZATO PER

Optoelettronica
Componenti ottici
Dispositivi termoelettrici
Rivestimenti tribologici
Dispositivi magnetici
Semiconduttori
Elettrodi di microbatterie
Biosensori
Rivestimenti biocompatibili
Sistemi plasmonici
Superconduttori
Sistemi termoionici

ESEMPI APPLICATIVI

Impulsi al fs: caratteristiche delle NPs depositate per PLD

L'ablazione e deposizione laser al fs, permette la diretta deposizione di NPs:
* con temperatura iniziale di circa 3500 K che decade esponenzialmente nel tempo;
* che durante il volo verso il substrato su cui si depositano possono cambiare la loro stechiometria per effetto di un raffreddamento evaporativo differenziale delle specie che le compongono;
* formano depositi nanostrutturati che rispetto al target di partenza possono presentare una composizione carente delle specie più volatili;
* le cui dimensioni iniziali sono piccate intorno ai 5-10 nm e che per effetto di lunghi processi di deposizione danno formazione ad agglomerati con dimensioni fino ad alcune centinaia di nm;
* possono dare strutture cristalline tramite l'incremento della temperatura del substrato che però può contribuire ad una variazione della stechiometria del deposito finale.

Si veda: Angela, De Bonis et al. Appl. Surf. Sci. 258, 9198 (2012)
DOI: 10.1016/j.apsusc.2011.07.077

Deposizione di nanoparticelle di Ag per applicazioni SERS

La deposizione diretta di NPs per PLD al fs è di uso immediato per la formazione di film nanostrutturati per varie applicazioni. Nel caso dell'ablazione di Ag è stato possibile dimostrare come le superfici ottenute, per le loro proprietà di risonanza plasmonica localizzata superficialmente (LSPR) sono immediatamente utilizzabili per l'amplificazione elettromagnetica dello scattering Raman attraverso la tecnica Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) il cui effetto di amplificazione dei segnali può superare i dieci ordini di grandezza.

Si veda: Angela, De Bonis et al. Surf. Coat. Tech. 207, 279 (2012)
DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.06.084

Distribuzione angolare di nanoparticelle di Cu, Ag e Au generate tramite PLD

Lo studio della distribuzione angolare delle NP di metalli nobili prodotte mediante PLD ha un ruolo rilevante nel determinare la "risoluzione spaziale" delle NPs che vanno a depositarsi su di un substrato e nel prevedere le proprietà del film sottile risultante. Infatti, come dimostrato da un nostro studio, il diverso grado di aggregazione delle NP di Au depositate segue una ben definita distribuzione angolare nei depositi ottenuti offrendo nuove prospettive per la loro applicazione come biosensori e/o dispositivi optoelettronici.

Si veda: Maria Lucia, Pace et al., Appl. Surf. Sci. 374, 397 (2016)
DOI:10.1016/j.apsusc.2016.02.111

Contatto: Ambra Guarnaccio -

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