Tailoring surfaces and interface properties by kinetically activated processes controlled by Supersonic Beam Deposition

Abstract

This PhD thesis is focused on the study of a critical topic in material science, i.e. the full comprehension of the processes occurring at the interface between organic/inorganic materials, and among them. An innovative experimental approach is here proposed: the Supersonic Molecular Beam Deposition (SuMBD), a technique that exploits the great potentiality of a supersonic molecular flux, the kinetic activation of surface processes. It gives an excellent control of beam properties (Kinetic energy and momentum) that in turn leads to the possibility to control surface and interface properties during the film growth and/or synthesis. For this purpose, three different test case have been analyzed: i) SuMBD ability to control electronic properties in organic films and their correlation with the OFET electronics; ii) the synthesis of carbon based nanostructured materials, such as graphene, by using supersonic fullerene on copper, studying the ability to induce the cage rupture exploiting the mentioned kinetic activation; iii) the functionalization of SiO2 based surfaces by porphyrin partially fluorinated (H2TPP(F)), in particular SiC/SiO2 core-shell nanowires, for applications in biomedical field, and Si(100)/SiO2 planar surface for comparison.

Questa tesi di dottorato si focalizza sullo studio di un aspetto fondamentale della scienza dei materiali, quale la comprensione dei processi che avvengono all’interfaccia tra materiali organici/inorganici, e tra loro stessi. Viene proposto un approccio sperimentale innovativo: la Deposizione da Fasci Molecolari Supersonici (SuMBD), una tecnica che sfrutta la peculiarità di un flusso molecolare supersonico, ossia la possibilità di attivare cineticamente processi di superficie. Questo approccio permette un ottimo controllo delle proprietà del fascio (energia cinetica e momento) che a sua volta consente di controllare le proprietà della superficie e dell’interfaccia durante la crescita dei film o durante processi di sintesi. A tal proposito, sono stati analizzati tre casi differenti: i) la capacità della tecnica SuMBD di controllare le proprietà elettroniche di film organici e la loro correlazione con l’elettronica di OFET; ii) la sintesi di materiali nano strutturati a base di carbonio, come il grafene, da fasci supersonici di fullerene su rame, studiando inoltre la capacità di indurre la rottura della gabbia sfruttando la sopra citata attivazione cinetica; iii) la funzionalizzazione di superfici a base di porfirina parzialmente fluorurata (H2TPP(F)), in particolare nanofili costituiti da un cuore centrale di SiC ricoperto da SiO2, per applicazione nella biomedicina, e confronto di questo sistema con una superficie planare di Si(100)/SiO2.