Evolução dos padrões de espalhamento de raios X durante a deposição em fase de vapor de átomos de Al em óxido de silício. Inserção:uma imagem de microscópio de força atômica do filme no final do experimento.
(Phys.org) —A base de muitos dispositivos eletrônicos modernos, como chips de computador, são filmes finos - camadas de espessura em nanoescala de um material que crescem na superfície de outro. À medida que os consumidores continuam a exigir produtos mais elegantes e rápidos, compreender a evolução do crescimento de filmes finos ajudará os cientistas a aprender a adaptar filmes finos para novas tecnologias.
Em alguns casos, os filmes crescem camada por camada, cada camada com um átomo de espessura, enquanto em outros casos os átomos depositados em uma superfície formam ilhas tridimensionais que crescem, colidir e coalescer em um filme contínuo. Neste último caso, os cientistas têm tradicionalmente assumido que as ilhas em crescimento são homogêneas, com tamanhos semelhantes, e coalescer mais ou menos ao mesmo tempo. Contudo, em um estudo recente, usando raios-x produzidos na National Synchrotron Light Source (NSLS), Os pesquisadores da Universidade de Boston (BU) investigaram o crescimento da ilha em tempo real, descobrir que o processo é mais dinâmico do que o sugerido pela visão tradicional.
O grupo determinou que a evolução da ilha corresponde ao comportamento previsto por um modelo simples, mas detalhado da deposição, crescimento, e coalescência de gotículas líquidas, conhecido como modelo Family-Meakin (FM). Além disso, eles propõem que outros tipos de filmes finos crescidos pelo mecanismo da ilha podem se comportar da mesma maneira durante os primeiros estágios de crescimento. Eles descrevem seu trabalho em 7 de setembro, 2012, edição de Cartas de revisão física .
O físico da BU, Karl Ludwig, explica, "É surpreendente para muitas pessoas que ainda haja coisas fundamentais para aprender sobre um processo aparentemente tão simples como o crescimento tridimensional de película fina. No entanto, como tantas vezes ocorre, quando temos uma nova ferramenta que permite a investigação em tempo real com detalhes sem precedentes, aprendemos que a realidade é mais complexa, e mais intrigante, do que muitas vezes se presumia. "
Na linha de luz NSLS X21, usando uma estação final de pesquisa desenvolvida para estudar superfícies de materiais e filmes finos em tempo real, o grupo BU depositou alumínio em duas superfícies, óxido de silício e safira. As amostras foram colocadas dentro de uma câmara de vácuo ultra-alto, e o filme fino foi depositado muito lentamente para que os cientistas pudessem fazer múltiplas varreduras de raio-x da superfície durante o crescimento e "observar" a evolução do filme de alumínio em tempo real.
As varreduras de raios-x sugeriram que os átomos depositados inicialmente se reuniram para formar pequenas ilhas com diâmetros de apenas alguns nanômetros (bilionésimos de um metro) e, em seguida, começaram a se aglutinar, formando ilhas maiores com cerca de 10 nm de diâmetro (o experimento não foi longo o suficiente para completar o crescimento do filme, mas as ilhas acabariam por se fundir em uma camada contínua). Isso foi posteriormente confirmado por imagens de microscópio de força atômica (AFM) da amostra, tomadas após o término do experimento e a retirada da amostra da câmara. Com alturas finais de cerca de 3 nm, as ilhas eram "fortemente tridimensionais". De fato, as imagens AFM tiradas no final do estudo mostraram ilhas relativamente altas com formas aproximadamente hemisféricas.
Os resultados mostram várias maneiras em que a evolução do filme concorda com o comportamento das gotas líquidas, conforme previsto pela teoria FM - mesmo que o filme seja sólido, não líquido. Por exemplo, a evolução das ilhas é semelhante, o que significa que a geometria média em um momento posterior parece semelhante àquela em um momento anterior, mas com escalas de comprimento aumentadas ("dimensionadas") por uma lei de potência.
O ingrediente principal que o modelo FM incorpora, que faltava na visão tradicional do crescimento da ilha, é a coalescência de ilhas para formar novas, ilhas compactas quando colidem. Isso leva a uma morfologia característica observada nas imagens AFM em que muitas ilhas menores estão dispersas entre as ilhas maiores que se formam à medida que as pequenas se combinam. Essa coalescência deve ser um fenômeno generalizado para pequenas ilhas na superfície, e entendê-lo pode levar a um melhor controle de filmes ultrafinos para uso tecnológico.
