Caratterizzazione radiometrica della transizione di fase di strutture a film sottile e multistrato a base di biossido di vanadio attraverso l’emissione radiativa nel medio infrarosso

Il lavoro di ricerca svolto durante il dottorato e qui presentato ha come tema centrale la caratterizzazione ottica e termica di strutture a film sottile e multistrato a base di biossido di vanadio d’interesse per la fotonica e l’industria. In particolare, l’attenzione è stata rivolta verso due campioni costituiti da un singolo strato e da un multistrato del suddetto materiale depositati entrambi su silicio cristallino. L’intero lavoro è stato realizzato nel Laboratorio di Tecniche Fototermiche del Dipartimento di Scienze di Base e Applicate per L’Ingegneria, presso Sapienza Università di Roma. L’aspetto principale metodologico della ricerca, riguarda i metodi utilizzati per studiare le proprietà termiche ed ottiche dei campioni. A questo scopo sono state impiegate tecniche radiometriche non distruttive e senza contatto. L’argomento della tesi si inquadra in una linea di ricerca sullo studio e caratterizzazione di materiali a cambiamento di fase sviluppata anche nel quadro del progetto di ricerca “FISEDA”, supportato dal Ministero della Difesa Italiano. È noto da più di cinquant’anni che il biossido di vanadio (formula chimica VO2), come altri ossidi metallici, manifesta un comportamento differente in funzione della temperatura: sotto un valore di soglia, noto come “temperatura di transizione” (intorno ai 67 – 68 °C), manifesta le proprietà tipiche di un semiconduttore, al di sopra quelle di un metallo. In realtà diversi ossidi del vanadio presentano una transizione simile: per il pentossido di vanadio, ad esempio, tale transizione avviene solo intorno ai 257 °C. Una temperatura più bassa, quindi più facilmente gestibile, rende il biossido di vanadio preferibile rispetto agli altri nelle varie applicazioni. Inoltre le particolari proprietà del composto giustificano il notevole interesse riscosso presso la comunità scientifica sin dagli anni ’50. Recentemente questo materiale è stato molto studiato per varie tipologie di applicazioni che vanno dall’utilizzo come modulatore ottico nelle telecomunicazioni, a quello per il controllo termico passivo dei velivoli nel settore aerospaziale e anche per il camuffamento infrarosso in ambito militare. Il biossido di vanadio (VO2) è un promettente materiale termocromico, un ossido in cui avviene una transizione di fase termicamente indotta ad una temperatura prossima a quella ambiente (TC ~ 67 °C nei bulk crystals), che porta il materiale da uno stato isolante ad uno metallico. La transizione isolante-metallo, che può anche essere attivata elettricamente ed otticamente, è l’obiettivo dello studio e della ricerca per la realizzazione di una varietà di dispositivi elettronici di commutazione e anche per impieghi nella commutazione ottica. La letteratura attuale sulla variazione dell’emissività termica di un oggetto tramite il VO2 si è concentrata in gran parte sul notevole cambiamento delle proprietà ottiche nell’infrarosso tra gli stati estremi della fase di transizione, completamente isolante e completamente metallico. Un campo di notevole applicazione del biossido di vanadio è quello degli smart radiator devices (SRD), ovvero della dissipazione del calore nei velivoli aerospaziali. Essendo in ambito spaziale l’irraggiamento l’unica forma di dissipazione esterna del calore, la variazione dell’emittanza con la temperatura per le strutture di SRD basate sul VO2 nell’intervallo del medio infrarosso (MIR) deve essere appropriata: bassa emissione (εL) a basse temperature per meglio mantenere il calore ed emissione elevata (εH) a temperature elevate per dissipare l’ulteriore calore inutile. Tale ultimo requisito, ad esempio, va invertito in talune applicazioni sensoristiche all’infrarosso per fini militari. In questo ambito in molte situazioni si richiede di camuffare un target caldo che generalmente si trova ad operare in un ambiente più freddo, e la manipolazione dell’emissività è spesso una soluzione più efficiente rispetto a quella della modulazione della temperatura. La caratterizzazione radiometrica messa in atto e qui descritta ha riguardato pertanto lo studio della transizione di fase di strutture a base di biossido di vanadio nell’intervallo del medio infrarosso, od in sottointervalli, dello spettro elettromagnetico dal punto di vista delle proprietà emissive col fine di poter valutare l’utilizzo di questo materiale in differenti ambiti, come ad esempio quello aerospaziale o militare.