PVD Synthesis and Characterization of Functional Oxides for Transparent Electronics [Sintesi tramite metodi fisici da fase vapore (PVD) e Caratterizzazione di Ossidi Funzionali per Elettronica Trasparente]

Una porzione sempre più consistente di tecnologie innovative, diffuse capillarmente nella vita quotidiana di tutti noi, è basata su elementi trasparenti e conduttivi, detti anche elettrodi trasparenti. La capacità di questa vasta classe di materiali di combinare conducibilità elettrica e alta trasparenza ottica li rende elementi cruciali per una moltitudine di applicazioni, quali Fotovoltaico, Fotocatalisi, Elettronica a film sottile, Tecnologie dell'Informazione e della Comunicazione (ICT), Schermi a Pannello Piatto, Diodi Organici a Emissione di Luce (OLED), Schermi Touch e molte altre. La crescente domanda da parte dei produttori e delle industrie rappresenta una forte spinta per lo sviluppo e il miglioramento dei Materiali Conduttivi e Trasparenti (TCM), in funzione delle loro applicazioni specifiche. Spinta dalla necessità di uno sviluppo sostenibile e della transizione ecologica, oggi la comunità della Scienza dei Materiali si trova ad affrontare importanti sfide, come il perseguimento di una maggiore efficienza dei TCM e la gestione di delicati vincoli politico-economici riguardanti i costi e le catene di approvvigionamento di materiali specifici, considerando che molte tecnologie moderne dipendono da elementi e materie prime scarse in natura. In questo contesto, il presente elaborato di tesi si propone di presentare il lavoro sperimentale svolto durante il mio programma di dottorato in Scienza dei Materiali e Nanotecnologie, con l’obiettivo costante di affrontare le sfide sopracitate. I punti salienti di questo lavoro includono lo studio, la sintesi mediante metodi PVD, la caratterizzazione e l'applicazione di diversi TCM per il fotovoltaico, l'elettronica trasparente, l'elettronica di potenza e l'idrolisi per la produzione di idrogeno verde. Il Capitolo 1 offre un'introduzione alla storia, allo stato dell’arte e alla fisica dei conduttori trasparenti, evidenziando inoltre gli approcci differenti e innovativi per ottenere sia la trasmissione della luce che il trasporto elettrico in uno stesso materiale. Successivamente, il Capitolo 2 si concentra su un lavoro preliminare di crescita e caratterizzazione di Ossidi Conduttivi Trasparenti (TCO) tradizionali, oltre che sulla progettazione di un innovativo TCO ottenuto tramite co-deposizione di metallo e ossido metallico. Sono descritti i protocolli di sintesi e caratterizzazione dei TCO e i risultati vengono presentati e discussi. Il Capitolo 3 approfondisce lo studio del drogaggio intrinseco di uno dei principali TCO binari, l’ossido di indio. È noto infatti che i difetti di punto in questo materiale sono responsabili di un comportamento da semiconduttore di tipo n e possono portare a una conducibilità quasi metallica. Sono trattati e discussi la sintesi, i trattamenti, la caratterizzazione e l’invecchiamento dell’ossido di indio intrinsecamente drogato nella forma di film sottili. Il Capitolo 4 illustra lo sviluppo di eterostrutture ibride TCO/nanoparticelle/TCO come contatto frontale per celle solari. Sfruttando l'assorbimento plasmonico dovuto a nanoparticelle metalliche, l’assorbimento di luce nei dispositivi fotovoltaici è migliorato e l'efficienza quantica del dispositivo risulta aumentata. Il capitolo presenta la progettazione, la sintesi, la caratterizzazione e anche l'applicazione di tali eterostrutture in celle solari dimostrative. In ultimo, il Capitolo 5 tratta la crescita e la caratterizzazione di ossidi semiconduttivi cresciuti in una camera di deposizione ad Ultra Alto Vuoto; l'innovazione di questo lavoro risiede nella deposizione da fonti solide stechiometriche senza l’impiego di plasma di ossigeno/ozono durante il processo, contrariamente a quanto più comune in letteratura. In particolare, vengono discussi l'evaporazione di ossido di gallio assistita da fascio elettronico e l'evaporazione termica di nanostrutture di ossido di molibdeno. L'ossido di gallio produce film uniformi con morfologie dipendenti dalla temperatura e dal substrato, testate su substrati di silicio e zaffiro a temperature differenti. L'evaporazione termica dell'ossido di molibdeno, invece, ha prodotto nanostrutture con alta resa, portando a catalizzatori all'avanguardia per una reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER) efficiente, che rappresenta una delle due semireazioni dell'idrolisi per la produzione di idrogeno verde. In conclusione, le Appendici alla fine dell'elaborato forniscono dettagli sulle tecniche e sugli apparati PVD, sui trattamenti post-deposizione e sulle tecniche e i sistemi di caratterizzazione utilizzati durante l’attività sperimentale. I lavori sperimentali descritti in questa tesi, in particolare quelli riportati nei Capitoli 2-5, hanno prodotto risultati di impatto, pubblicati su riviste scientifiche sottoposte a peer review; tali pubblicazioni sono riportate nella dedicata Lista delle Pubblicazioni alla fine della tesi.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2025

Author dc:creator

• LO MASTRO, ANDREA

Contributors dc:contributor

• TERRASI, Antonio

• Physical Vapor Deposition
• Conductive oxide
• Transparent semiconductor
• Nanotechnologie
• Thin film
• Photovoltaic
• Green hydrogen
• Deposizioni fisiche da fase vapore
• Ossidi conduttivi
• Semiconduttori trasparenti
• Nanotecnologie
• Film sottili
• Fotovoltaico
• Idrogeno verde

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/685229

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/685229