Realizzazione di eterostrutture epitassiali tramite fotodeposizione laser di ossidi superconduttori per applicazioni alla microelettronica

Le tematiche scientifico-tecnologiche connesse con il vasto campo dei microsistemi sono innumerevoli. Esse vanno dalla ricerca di base alla scienza applicata, a problematiche squisitamente tecnologiche e di puro carattere applicativo.
L’attività del candidato svolta durante il dottorato di ricerca è stata il proseguimento “ideale” del lavoro di tesi di laurea in Fisica: “Misure di trasporto elettrico in superreticoli superconduttori (BaCuO2)2/(CaCuO2)n cresciuti mediante fotodeposizione laser”, e della ricerca Progetto Giovani Ricercatori 2001 dell’Università di Roma TOR VERGATA: “Effetto della intra-layer coupling in film sottili di cuprati superconduttori”, ed ha pertanto riguardato l’utilizzo della fotodeposizione laser per la sintesi di materiali superconduttori per applicazioni ai microsistemi.
Nell’ambito del lavoro di tesi particolare attenzione è stata rivolta alla possibilità di depositare cuprati superconduttori “funzionali”, cioè materiali – aventi per lo più la struttura cristallografica della perovskite – caratterizzati dalla superconduttività ad alta temperatura critica, e dalla possibilità di essere integrati, in eterostrutture epitassiali, con ossidi polifunzionali a magneto-resistenza colossale, ferro-elettrici, dielettrici.
Notevole è l’interesse suscitato nella comunità scientifica da tali ossidi, per le importanti applicazioni nel campo dell’ottica integrata, dell’opto-elettronica, dei sensori e degli attuatori. La tecnica di crescita Pulsed Laser Deposition (PLD), fotodeposizione laser in atmosfera controllata, permette inoltre di realizzare, con le modalità della crescita strato per strato, l’integrazione armonica di materiali dalle diverse proprietà funzionali, in eterostrutture polifunzionali e dispositivi integrati complessi, interamente composti da ossidi. In tale ottica, la tecnica PLD riveste rilevante importanza per la sintesi di ossidi con applicazioni ai microsistemi.
La tesi è strutturata come segue. Nel primo capitolo – parte I – verranno brevemente illustrate le problematiche generali riguardanti la Microsystem Technology e le aree di applicazione dei microsistemi allo stato dell’arte. Saranno quindi descritte alcune tra le più importanti tecnologie di fabbricazione dei microsistemi, comprese le ”tecniche non tradizionali” che accoppiano le metodologie ereditate dalla microelettronica alla tecnologia del laser. Il primo capitolo – parte II – costituisce una breve rassegna sullo stato dell’arte per ciò che concerne la deposizione di film sottili di ossidi funzionali e le loro numerose applicazioni.
Nel secondo capitolo verranno descritti gli apparati sperimentali per la deposizione e la caratterizzazione dei film, il diffrattometro di Bragg-Brentano a raggi X, la tecnica di crescita PLD “convenzionale”, e brevemente la camera di crescita Laser-MBE (acronimo di Laser-Molecular Beam Epitaxy), fotodeposizione laser in condizioni UHV dotata del sistema diagnostica in-situ della crescita Reflection High-Energy Electrons Diffraction (RHEED).
Nel terzo capitolo verranno illustrate le proprietà strutturali dei superreticoli (BaCuO2)m/(CaCuO2)n, eterostrutture realizzate depositando l’uno sull’altro strati epitassiali, a partire da un opportuno substrato cristallino di SrTiO3 (001), costituiti da m celle unitarie di BaCuO2 e da n celle di CaCuO2.
Nel quarto ed ultimo capitolo saranno discussi i risultati sperimentali riguardanti due tipologie di cuprati studiati nel corso del lavoro di tesi: i superreticoli (BaCuO2)m/(CaCuO2)n ed i film ultrasottili, fino a poche decine di Å, costituiti da una sola ripetizione della struttura (BaCuO2)m/(CaCuO2)n/(BaCuO2)m, entrambi superconduttori ad alta temperatura critica. Tali film sono stati depositati utilizzando la tecnica di crescita Pulsed Laser Deposition in alta pressione di ossigeno, e caratterizzati mediante diffrazione a raggi X (per quanto concerne le proprietà cristallografiche) e mediante misure di trasporto elettriche e magnetiche (per quanto concerne le proprietà di trasporto).
Nelle conclusioni, infine, verranno, brevemente, passati in rassegna i risultati sperimentali ottenuti sui superreticoli (BaCuO2)m/(CaCuO2)n e sulle eterostrutture ultrasottili (BaCuO2)m/(CaCuO2)n/(BaCuO2)m e le loro implicazioni sulle problematiche connesse con i più noti composti ceramici superconduttori.