• Kelvin Probe Microscopy (KPM)
• proprietà elettriche
• Microscopia a Forza Elettrica (EFM)
• materiali nanostrutturati
• nanofili di InAs

Il recente sviluppo di materiali nanostrutturati e loro compositi con materiali polimerici ha evidenziato grandi potenzialità di applicazione per nuove generazioni di dispositivi elettronici ed optoelettronici. Tuttavia, è ancora necessaria una comprensione più profonda delle proprietà fisiche di tali materiali, specialmente su scala nanometrica, e in particolare riguardo le proprietà delle superfici e degli strati d’interfaccia tra i costituenti.
La microscopia a forza elettrica (EFM), derivata dalla microscopia a forza atomica (AFM), si sta sempre più affermando come metodo non invasivo per lo studio sulla scala nanometrica delle proprietà elettriche di superfici e interfacce. Tale tecnica sfrutta l’applicazione di un potenziale elettrico tra il campione in esame e la punta conduttrice di un AFM. Rivelando la perturbazione del sensore di forza del microscopio, detto cantilever, causata dalla forza elettrostatica, è possibile ottenere una mappatura delle proprietà elettriche della superficie in esame. In particolare si possono evidenziare la risposta capacitiva del sistema e l’eventuale presenza di cariche statiche. Più in dettaglio, la frequenza di risonanza del cantilever quando la punta si trova in prossimità del campione risulta influenzata punto per punto anche dal gradiente delle forze elettrostatiche presenti. Questo effetto dipende a sua volta dai coefficienti di capacità del sistema e dai potenziali applicati dall’esterno.
Il lavoro di tesi da me svolto ha avuto come primo obiettivo la comprensione quantitativa del funzionamento di tale tecnica e la sua ottimizzazione per l’indagine elettrica di nanostrutture. Il secondo obiettivo è stato la determinazione della risposta elettrica di un campione nanostrutturato di interesse per l’optoelettronica, creando allo stesso tempo una “piattaforma” che consentisse in futuro un simile studio qualitativo e quantitativo su altri tipi di campioni. Le nanostrutture scelte sono “nanofili” di semiconduttore (InAs), aventi la forma di bastoncini della lunghezza di qualche micrometro e del diametro di circa 70 nm, il cui processo di fabbricazione per autoassemblaggio non consente un controllo accurato della carica elettronica presente. Tali nanostrutture sono state prodotte presso il Laboratorio NEST della Scuola Normale Superiore di Pisa. I campioni sono stati depositati su un substrato di SiO2 su Si patternato con elettrodi planari interdigitati di Cr/Au. Le caratteristiche geometriche di tali elettrodi sono state appositamente progettate e realizzate (attraverso un processo di litografia ottica e di deposizione termica di metalli) per permettere di ospitare i materiali nanostrutturati e di poter applicare ad essi un campo elettrico esterno. L’analisi mediante EFM è stata svolta presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa, utilizzando un apparato AFM commerciale (Veeco Instruments MultiMode dotato di elettronica di controllo Nanoscope IIIa) equipaggiato con appositi moduli per la microscopia EFM, e munito di una camera ad atmosfera controllata, realizzata per ridurre l’umidità ambientale che risulta particolarmente deleteria per misure elettriche come quelle da condurre.
Per garantire una corretta valutazione quantitativa dei risultati, si è tratto vantaggio dalla presenza degli elettrodi planari, i quali possono essere portati a potenziale noto. A tale scopo si è anche utilizzata la tecnica detta Kelvin Probe Microscopy (KPM), una variante della EFM ugualmente disponibile nell’apparato di misura utilizzato, che permette di rilevare la distribuzione spaziale dei potenziali di superficie sul campione. Il confronto tra i dati raccolti sulla nanostruttura e quelli sugli elettrodi a potenziale noto ha evidenziato un inatteso grado di complessità che non ha consentito un’interpretazione immediata dei risultati, mostrando altresì che i modelli presenti in letteratura risultavano insufficienti per la trattazione di sistemi a tre o più corpi conduttori. Questo ha motivato un ulteriore sforzo di comprensione della situazione sperimentale, portando all’elaborazione di un modello più completo in grado di descrivere anche sistemi come quelli studiati in questa tesi. Il modello proposto, partendo dalle definizioni generali dell’elettrostatica dei conduttori, tiene conto dell’induzione di carica reciproca sulle superfici metalliche affacciate (punta-elettrodo) nonché dell’occasionale presenza di cariche nette. La validità di questo modello è stata verificata analizzando la risposta elettrica delle superfici sotto differenti configurazioni di polarizzazione: nel caso di potenziale applicato alla punta, solo agli elettrodi metallici, o ad entrambi. L’applicazione del modello interpretativo al caso delle nanostrutture depositate sullo strato isolante tra gli elettrodi ha consentito di definire i corretti coefficienti capacitivi della nanostruttura stessa dall’analisi dei risultati sia di EFM sia di KPM.
Il carattere conduttore dei nanofili analizzati è stato quindi evidenziato dalle nostre misure e confermato anche dai risultati per nanofili da noi depositati direttamente sugli elettrodi metallici. In prospettiva, il lavoro qui svolto pone anche le basi per future applicazioni di microscopia a forza elettrica quantitativamente più rigorose su diversi tipi di materiali nanostrutturati.