Riassunto analitico
Lo sviluppo delle tecniche di crescita di nanoparticelle con forma e dimensione controllabili rappresenta uno dei principali aspetti della ricerca scientifica nel campo delle nanotecnologie. Nell’ambito dei metodi di sintesi fisica delle nanoparticelle, la tecnica del ‘magnetron sputtering’ inserito in una sorgente di aggregazione a gas si è dimostrata essere molto promettente in termini di controllabilità di forma e dimensione delle nanoparticelle. Nanoparticelle con una specifica forma e dimensione presentano particolari proprietà che possono essere sfruttate in diversi campi, quali ad esempio il magnetismo, la catalisi e la plasmonica. Al fine di poter controllare e studiare in dettaglio le proprietà delle nanoparticelle prodotte, è fondamentale caratterizzare questi sistemi, utilizzando tecniche con un alto grado di risoluzione; fra tutte la microscopia elettronica a trasmissione risulta essere la più adatta grazie alla possibilità di ottenere informazioni sulle nanoparticelle con un elevato grado di risoluzione spaziale. Nel presente lavoro di tesi sono stati studiati tre diversi sistemi, così da dimostrare la versatilità della tecnica di crescita utilizzata. Nanoparticelle di nickel, materiale ferromagnetico, circondate da un materiale antiferromagnetico, ossido di nickel o ossido di cobalto, sono state sintetizzate in modo da verificare la capacità di stabilizzare la magnetizzazione delle nanoparticelle di nickel, anche di piccola dimensione, sfruttando l’effetto di exchange bias che si realizza all’interfaccia tra il metallo e l’ossido. In particolare, a parità di diametro delle nanoparticelle di nickel, è stata investigata la dipendenza dell’exchange bias dallo spessore del guscio esterno di ossido e dall’anisotropia dello stesso. Dalle misure di microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione è stato possibile approfondire le caratteristiche dell’interfaccia metallo-ossido. E’ stato effettuato uno studio dettagliato su nanoparticelle di diossido di cerio, un sistema che trova applicazione nei processi di catalisi grazie alla sua capacità di immagazzinare o rilasciare ossigeno in determinate condizioni ambientali. A tale scopo è importante definire come le sue proprietà siano legate al processo di sintesi, alla dimensione e alle superfici cristallografiche esposte. Nel presente lavoro è stata studiata l’influenza di questi parametri, osservando in particolare che la procedura di crescita e di ossidazione influenza significativamente la densità e la distribuzione dei siti di Ce3+ e dei difetti strutturali, che a loro volta influenzano la mobilità degli ioni di ossigeno. Infine, sono state indagate le proprietà plasmoniche di nanoparticelle di argento e di nanoparticelle di argento ricoperte da un guscio di ossido di magnesio. L’aggregazione tra le diverse nanoparticelle e le interazioni con il substrato di silicio adoperato influenzano le proprietà plasmoniche del sistema. In particolare, nel caso delle nanoparticelle protette da uno strato di ossido di magnesio, si rileva che le proprietà plasmoniche del sistema si conservano nel tempo.
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Abstract
The development of nanoparticles growth techniques with desired nanoparticle shape and size is an aspect of major interest in the scientific research on nanotechnology.
Among the nanoparticles physical synthesis techniques, the magnetron sputtering technique implemented in a gas aggregation source proves to be very promising in terms of tunability of shape and size of nanoparticles.
Nanoparticles with a specific shape and size show particular properties that can be exploited in several fields, such as magnetism, catalysis and plasmonics. In order to control and study in detail the properties of the produced nanoparticles, it is important to characterize these systems, using techniques with a high resolution degree; the transmission electron microscopy is an optimal technique thanks to the possibility to obtain information on nanoparticles with a high spatial resolution degree.
In the present thesis work three different systems have been studied, demonstrating in this way the high versatility of the used growth technique.
Nickel nanoparticles, a ferromagnetic material, surrounded by an antiferromagnetic material, nickel oxide or cobalt oxide, have been synthetized in order to verify the possibility of stabilizing the nickel nanoparticles magnetization, even at low dimension, exploiting the exchange bias effect that arises at the metal-oxide interface. In particular, at constant nickel nanoparticle size, the exchange bias dependence on the oxide shell thickness and anisotropy has been investigated. From the high resolution transmission electron microscopy measurements it has been possible to study the metal-oxide interface characteristics.
A detailed study on cerium dioxide nanoparticles was also carried out, because CeOx is a material that finds its application in catalysis processes thanks to its ability to store and release oxygen depending on the ambient conditions. For this aim it is important to understand how its properties are related to the growth process, to the size and to the exposed crystallographic planes. In the present thesis work it has been investigated the influence of these parameters, observing in particular that the synthesis procedure has a strong influence on the density and distribution of Ce3+ sites and of structural defects, which in turn determinate the mobility of the oxygen ions.
Finally, the plasmonic properties of silver nanoparticles and silver nanoparticles embedded in magnesium oxide have been investigated. The nanoparticles aggregation and their interaction with the substrate influence the system plasmonic properties. Furthermore, in case of silver nanoparticles embedded in magnesium oxide, it has been demonstrated that the plasmonic properties of the system are preserved in time.
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