Caratterizzazione delle proprietà elettriche alla nanoscala di film ultrasottili d’oro ottenuti mediante Ion Beam Smoothing

Abstract

I film metallici ultrasottili hanno suscitato notevole interesse nel campo dei dispositivi optoelettronici avanzati poiché rappresentano una promettente soluzione per la realizzazione di elettrodi conduttivi e trasparenti. In parallelo, la possibilità di modificare una delle dimensioni caratteristiche di un sistema metallico riducendola a scale nanometriche risulta di particolare interesse anche per un’indagine scientifica più ampia, non limitata alle applicazioni dirette: in questo contesto, il regime di Quantum Size Effect ha suscitato notevole interesse scientifico. Il meccanismo di Volmer-Weber impedisce però la realizzazione di un film metallico continuo nel regime ultrasottile (nm) tramite processi di deposizione consueti, rendendo necessario lo sviluppo di una tecnica sperimentale che consenta la riduzione dello spessore del film e contemporaneamente il controllo sulla rugosità. Esperimenti preliminari del laboratorio hanno dimostrato che, mediante processi di Ion Beam Smoothing, film di oro possono essere ridotti oltre lo spessore di percolazione, in condizioni di temperatura ambiente e su superfici macroscopiche. Nella prima parte del lavoro si sono investigati i limiti di applicabilità della tecnica di Ion Beam Smoothing grazie alla nano-strutturazione di un campione che presenta un gradiente di spessore; questa analisi ha permesso di ottenere film continui d’oro di qualche nanometro di altezza. Nella seconda parte si è analizzata la funzione lavoro del film in funzione dello spessore tramite la tecnica Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), con cui è stato possibile evidenziare un contrasto tra il regime bulk e ultrasottile. Infine, per rendere più uniforme lo spessore del film si sono valutati, in via preliminare, l’applicabilità della tecnica di Ion Beam Smoothing anche per ridurre la rugosità del substrato semiconduttore e l'impiego di un substrato atomicamente liscio ottenuto tramite esfoliazione della mica.

Ultrathin metal films have attracted considerable interest in the field of advanced optoelectronic devices, as they offer a promising route toward transparent and conductive electrodes. In parallel, the possibility of modifying one of the characteristic dimensions of a metallic system by reducing it to the nanometer scale is also of considerable interest from a broader scientific perspective, beyond direct technological applications. Within this framework, the Quantum Size Effect (QSE) regime has attracted significant scientific attention. However, the Volmer-Weber growth mechanism prevents the formation of a continuous metallic film in the ultrathin thickness regime (a few nanometers) through conventional deposition processes, making it necessary to develop an experimental technique capable of reducing the film thickness while simultaneously providing control over its roughness. Preliminary studies conducted within the experimental group demonstrated that, through Ion Beam Smoothing, gold films can be reduced under the percolation thickness, at room temperature and over macroscopic areas. In the first part of this work, the applicability limits of the Ion Beam Smoothing technique were investigated through a nanostructured sample exhibiting a thickness gradient: This analysis enabled the fabrication of a continuous gold film with a height of a few nanometers. In the second part of the study, the work function of the films was investigated as a function of thickness through Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) measurements, which made it possible to observe a difference in the work function of the film between the bulk and ultrathin regime. Finally, to achieve a more uniform thickness of the film, the potential applicability of the Ion Beam Smoothing technique to reduce the roughness of the semiconductor substrate and the use of an atomically flat substrate obtained through mica exfoliation were preliminarily evaluated.