Fabrication of high-k dielectric thin films for spintronics

Lo scopo di questa tesi è la fabbricazione di ossidi complessi aventi struttura perovskitica, per mezzo della tecnica Channel Spark Ablation (CSA). Più precisamente sono stati depositati film sottili di manganite (LSMO), SrTiO3 (STO) e NdGaO3 (NGO). Inoltre nel laboratorio ospite è stata effettuata la caratterizzazione elettrica e dielettrica (spettroscopia di impedenza), mentre per l'analisi strutturale e chimica ci si è avvalsi di collaborazioni. Sono stati fabbricati dispositivi LSMO/STO/Co e se ne è studiato il comportamento magnetoresistivo e la bistabilità elettrica a seconda del carattere epitassiale od amorfo dell'STO. I risultati più promettenti sono stati ottenuti con STO amorfo. Sono stati costruiti diversi set di condensatori nella configurazione Metallo/Isolante/Semiconduttore (MIS), con M=Au, I=STO o NGO ed S=Nb:STO, allo scopo di indagare la dipendenza delle proprietà dielettriche ed isolanti dai parametri di crescita. In particolare ci si è concentrati sulla temperatura di deposizione e, nel caso dei film di STO, anche sulla dipendenza della costante dielettrica dallo spessore del film. Come ci si aspettava, la costante dielettrica relativa dei film di STO (65 per un film spesso 40 nm e 175 per uno di 170 nm) si è rivelata maggiore di quella dei film di NGO per i quali abbiamo ottenuto un valore di 20, che coincide con il valore del bulk. Nonostante l'elevata capacità per unità di area ottenibile con l'STO, la costante dielettrica di questo materiale risulta fortemente dipendente dallo spessore del film. Un ulteriore aspetto critico relativo all'STO è dato dal livello di ossidazione del film: le vacanze di ossigeno, infatti, possono ridurre la resistività dell'STO (nominalmente molto elevata), ed aumentarne la corrente di perdita. Al contrario l'NGO è meno sensibile ai processi tecnologici e, allo stesso tempo, ha un valore di costante dielettrica più alto rispetto ad un tipico dielettrico come l'ossido di silicio.

Fabrication of a New Multifunctional Interface Between La,Sr manganite and C60

In questo lavoro abbiamo sperimentato due modi diversi per ottenere un monolayer di C60 su La,Sr manganite (LSMO): desorbendo C60 da un campione di 5nm cresciuto su un substrato di LSMO e crescendo, sempre su LSMO, sei campioni di C60 a diversi spessori nominali. Il campione desorbito è stato analizzato mediante misure STS ed STM, mentre i campione cresciuti a diversi spessori sono stati misurati mediante non-cntact AFM. Ciò che è emerso in entrambi i casi è che le molecole di C60 non interagiscono con il substrato di LSMO. Nel primo caso infatti si è visto che è stato desorbito quasi tutto il C60 presente sul campione; la superficie della manganite risulta solo parzialmente ricoperta da molecole di C60. Nel secondo caso invece si nota che il C60 cresce formando isole che arrivano a ricoprire la superficie di LSMO solo per film dallo spessore nominale superiore a 30nm.

Fabrication of 2D and 3D microelectrode arrays for amperometric dopamine sensing: towards a metal free approach to bioelectronics

Dopamine is a neurotransmitter which has a role in several psychiatric and neurological disorders. In-vivo detection of its concentration at the microscopic scale would benefit the study of these conditions and help in the development of therapies. The ideal sensor would be biocompatible, able to probe concentrations in microscopic volumes and sensitive to the small physiological concentrations of this molecule (10 nM - 1 μM). The ease of oxidation of dopamine makes it possible to detect it by electrochemical methods. An additional requirement in this kind of experiments when run in water, though, is to have a large potential window inside which no redox reactions with water take place. A promising class of materials which are being explored is the one of pyrolyzed photoresists. Photoresists can be lithographically patterned with micrometric resolution and after pyrolysis leave a glassy carbon material which is conductive, biocompatible and has a large electrochemical water window. In this work I developed a fabrication procedure for microelectrode arrays with three dimensional electrodes, making the whole device using just a negative photoresist called SU8. Making 3D electrodes could be a way to enhance the sensitivity of the electrodes without occupying a bigger footprint on the device. I characterized the electrical, morphological, and electrochemical properties of these electrodes, in particular their sensitivity to dopamine. I also fabricated and tested a two dimensional device for comparison. The three dimensional devices fabricated showed inferior properties to their two dimensional counter parts. I found a possible explanation and suggested some ways in which the fabrication could be improved.

Stabilizzazione del Blu di Prussia con film politiofenici depositati per via elettrochimica

Hydrogen peroxide (H2O2) is a powerful oxidant which is commonly used in a wide range of applications in the industrial field. Several methods for the quantification of H2O2 have been developed. Among them, electrochemical methods exploit the ability of some hexacyanoferrates (such as Prussian Blue) to detect H2O2 at potentials close to 0.0 V (vs. SCE) avoiding the occurrence of secondary reactions, which are likely to run at large overpotentials. This electrocatalytic behaviour makes hexacyanoferrates excellent redox mediators. When deposited in the form of thin films on the electrode surfaces, they can be employed in the fabrication of sensors and biosensors, normally operated in solutions at pH values close to physiological ones. As hexacyanoferrates show limited stability in not strongly acidic solutions, it is necessary to improve the configuration of the modified electrodes to increase the stability of the films. In this thesis work, organic conducting polymers were used to fabricate composite films with Prussian Blue (PB) to be electro-deposited on Pt surfaces, in order to increase their pH stability. Different electrode configurations and different methods of synthesis of both components were tested, and for each one the achievement of a possible increase in the operational stability of Prussian Blue was verified. Good results were obtained for the polymer 3,3''-didodecyl-2,2':5',2''-terthiophene (poly(3,3''-DDTT)), whose presence created a favourable microenvironment for the electrodeposition of Prussian Blue. The electrochemical behaviour of the modified electrodes was studied in both aqueous and organic solutions. Poly(3,3''-DDTT) showed no response in aqueous solution in the potential range where PB is electroactive, thus in buffered aqueous solution is was possible to characterize the composite material, focusing only on the redox behaviour of PB. A combined effect of anion and cation of the supporting electrolyte was noticed. The response of Pt electrodes modified with films of the PB /poly(3,3''-DDTT) composite was evaluated for the determination of H2O2. The performance of such films was found better than that of the PB alone. It can be concluded that poly(3,3''-DDTT) plays a key role in the stabilization of Prussian Blue causing also a wider linearity range for the electrocatalytic response to H2O2.