Appunti (parte 2)

INCOMMENSURATE.

E’possibile definire dei valori critici di spessore e di misfit oltre i quali compaiono durante la

crescita del layer delle dislocazioni. Se si è al di sotto di questi valori, la crescita è pseudomorfa,

altrimenti si passa ad una crescita rilassata in quanto l’energia elastica accumulata nel sistema è

maggiore dell’energia richiesta per creare una dislocazione.

EPITASSIA: Consiste nella modulazione del potenziale del substrato che genera la crescita ordinata

sul substrato stesso. Il termine si riferisce alla crescita di un cristallo su un altro cristallo con una

relazione orientazionale ben definita e unica fra i due reticoli. Gli atomi della fase nutriente

risentono di un potenziale periodico del substrato che orienterà, agendo da templante, la crescita del

layer facendo posizionare gli atomi in siti precisi.

ENDOTASSIA: crescita orientata all’interno di un cristallo, è un fenomeno poco diffuso e poco

rilevante.

TOPOTASSIA: orientazione mutua di due cristalli di specie diversa originata da una trasformazione

allo stato solido o da una reazione chimica, che indica quindi un fenomeno diverso dall’epitassia in

Fulvio Sinisi, Nanoscienza Cap: 6-8

quanto essa implica che i due solidi abbiano strutture simili non solo all’interfaccia ma anche nel

bulk. anche quando il substrato non è monocristallino, ma l’orientamento

GRAFOEPITASSIA: presente

viene pilotato da anisotropie di tipo morfologiche. Il termine è legato al fatto che si possono avere

delle crescite ordinate anche su substrati amorfi. Ad esempio, trattando opportunamente una

superficie amorfa posso creare dei punti in cui sarà favorita la crescita di un layer. Se dispongo

questi punti in maniera ordinata, nucleo un cristallo in maniera ordinata.

E’importante notare che non è corretto usare i termini “coerenza” ed “epitassia” come

NB:

sinonimi. La definizione di epitassia non richiede continuità di linee e di piani atomici attraverso

l’nterfaccia, per cui essa è meno restrittiva del concetto di coerenza.

La notazione usata in epitassia è la seguente: (111)[110]A//(100)[110]B significa che i due cristalli

A e B crescono epitassialmente connettendo il piano (111) di A con il piano (100) di B allineando

su tali piani le direzioni [110].

Metodologie epitassiali: Le tecniche epitassiali si dividono in OMOEPITASSIA e

ETEROEPITASSIA. Nel primo caso cresco un materiale su un substrato dello stesso materiale. Lo

si fa perché così su un substrato “normale” posso crescere un layer dello stesso materiale ma con

meno difetti migliorando, così, la qualità del materiale. Nel secondo caso substrato e layer sono

diversi. Nello specifico, le varie tecniche si suddividono in: LPE, VPE, MBE, CVD, PVD.

In generale, più lenta è la crescita, più è probabile che il film cresca in maniera più ordinata. Il

motivo è che se metto pochi atomi alla volta do tempo ai singoli atomi di posizionarsi

ordinatamente. Devo usare, perciò, basse deposition-rate. Inoltre, conviene avere substrati caldi così

da fornire l’energia cinetica agli atomi necessaria a farli muovere sulla superficie per trovare la

posizione energeticamente più conveniente e stabile.

Fulvio Sinisi, Nanoscienza Cap: 6-8

Liquid phase Epitaxy (LPE): Una delle prime tecniche usate perché non necessitava di sistemi da

vuoto. Il materiale nutriente è una soluzione satura contenente la specie chimica da depositare che

viene messa a contatto con il substrato. La sovrasaturazione necessaria al passaggio di materia dalla

soluzione al substrato viene realizzata mediante raffreddamento lento della soluzione e del

substrato. Per questo motivo, essendo una tecnica di quasi equilibrio, fornisce crescite di ottima

qualità. VANTAGGI: usa materiali facili da usare, basse T e consente di ottenere materiali ad alta

purezza. SVANTAGGI: non si riescono a crescere multiplayer in modo efficiente in quanto è

difficile ottenere etero interfacce nette, difficile ottenere film sottili. Nello specifico, il substrato è

posto su una piattaforma scorrevole che lo fa passare in piccoli spazi, intervallati da blocchi di

grafite, nei quali è raccolto il soluto proveniente dalle soluzioni raffreddate e che costituirà il

materiale del layer. Tutto il sistema è posto in un tubo di quarzo e lavora a T controllate e uniformi.

Vapour phase epitaxy (VPE): Tecniche di epitassia da fase vapore. Si suddividono in CVD e

PVD. La prima è una tecnica più chimica, la seconda è più un processo fisico.

CVD: Reazione in fase gassosa che prevede la decomposizione di un precursore su un substrato

caldo producendo un film dell’elemento che costituisce il precursore.

VANTAGGI: Layer più sottili, alte velocità di crescita, controllo della composizione più facile;

T alte per avere la decomposizione. Fra l’altro

SVANTAGGI: Alte T, da 800 a 1000 °C. Servono

ad alte T i difetti puntuali sono numerosi. Elenchiamo alcuni esempi di reazioni usate in CVD.

E’ una tecnica fisica. Qui non ho reazioni chimiche, ma semplicemente un passaggio di fase.

PVD:

Le tecniche PVD si possono fare mediante: EVAPORAZIONE, BEAM ELETTRONICO,

SPUTTERING.

Metodi di deposizione fisici (PVD): Evaporazione in vuoto per riscaldamento resistivo. Ho un

crogiolo contenente un materiale che viene riscaldato ad alte T. Il sistema è sotto-vuoto così saturo

l’ambiente con i vapori dell’evaporante. I vapori vanno a depositarsi sul substrato posto di fronte al

crogiolo.

Fulvio Sinisi, Nanoscienza Cap: 6-8

Tale tecnica è particolarmente adatta per formare film sottili di metalli. Per preparare film di ossidi

metallici si può lavorare in condizioni reattive usando una pressione di base di ossigeno.

Metodi di deposizione fisici (PVD): evaporazione in vuoto per e-beam heating. Invece di usare

un riscaldamento termico, sfrutto un e-beam heating. Il materiale da evaporare è sempre posto in un

crogiolo ma è riscaldato da un fascio di elettroni focalizzato su di esso. Il riscaldamento così fatto è

molto efficace. Il resto del sistema è identico alla normale evaporazione in vuoto, ossia ho il sistema

sottovuoto e i vapori si condensano su un substrato formando il film.

Metodi di deposizione fisici (PVD): il metodo dello SPUTTERING. Bombardo una superficie

contenente gli atomi che voglio depositare con un fascio di ioni Ar+ dopo aver generato un plasma

di Ar con alte tensioni (2000-3000V). Se vengono introdotti ossigeno e azoto durante il processo di

sputtering si possono produrre film di AlN, NbN, PtO2, TiN, TiO. Esistono due fondamentali

modalità per fare deposizione mediante sputtering: 1) DC PLASMA SPUTTERING, applico una

tensione DC e creo il plasma. In questa configurazione, non tutti gli elettroni che fuoriescono dal

target contribuiscono alla generazione del glow del plasma. Gli elettroni persi di muovono lungo la

camera causando radiazioni e altri problemi; 2)MAGNETRON SPUTTERING, si usano campi

magnetici che confinano il moto degli elettroni. Essi sono posti dietro o qualche volta ai lati del

target. Questi magneti catturano gli elettroni persi e li confinano nelle immediate vicinanze del

target. Si possono ottenere velocità di deposizione più alte a pressioni più basse.

Confronto fra evaporazione e sputtering: Elenchiamo alcune delle maggiori differenze fra queste

due tecniche.

PRESSIONE DI DEPOSIZIONE. L’evaporazione usa basse pressioni da 10^-3

1) fino a 10^-

10 torr, mentre lo sputtering richiede pressioni relativamente alte tipicamente di circa

100torr. Atomi o molecole in camera di evaporazione non collidono con le altre, mentre

nello sputtering è proprio la collisione fra le particelle che le fa arrivare sulla superficie da

crescere;

Fulvio Sinisi, Nanoscienza Cap: 6-8

L’evaporazione è un processo descrivibile da un equilibrio TD, mentre non è così per lo

2) sputtering;

La superficie da crescere non è attivata nell’evaporazione,

3) mentre nello sputtering è

costantemente sotto bombardamento elettronico e perciò è altamente energetica;

4) I film evaporati consistono in grani grandi, mentre i film sputterati consistono di grani più

piccoli con miglior adesione ai substrati.

Pulsed laser deposition: PLD è una tecnica di deposizione di film sottili dove un fascio laser ad

alta potenza è focalizzato all’interno di una camera da vuoto per colpire un target di composizione

desiderata. Il materiale è vaporizzato dal target e depositato come film sottile sul substrato. Il

vuoto o in presenza di un gas di background come l’ossigeno che è

processo avviene in ultra-alto

comunemente usato per la deposizione di ossidi. Il meccanismo dettagliato che l’intero processo,

dall’ablazione laser alla crescita del film è molto complicato e si divide in 4 stadi: 1) Ablazione

laser del materiale del target e creazione del plasma; 2) Dinamica del plasma; 3)Deposizione del

materiale ablato sul substrato; 4) Nucleazione e crescita del film sulla superficie del substrato.

VANTAGGI: Alto controllo della stechiometria del film che riesce a mantenere la stessa del target;

Rate di deposizioni abbastanza alte (100A°/min) con non elevate fluenze del laser e la possibilità di

controllare in tempo reale lo spessore del film semplicemente spegnendo o accendendo il laser; Il

laser è usato come sorgente esterna per cui ho a che fare con processi estremamente puliti.

E’ la tecnica principe per realizzare dispositivi a SC. Si tratta di

Molecular beam epitaxy (MBE):

fasci atomici e molecolari ottenuti per riscaldamento termico. Servono sorgenti termiche per

produrre i fasci. Inoltre, il substrato deve essere mantenuto ad alta T. Il tutto è fatto in alto vuoto o

ultra-alto vuoto con pressioni fino a 10^-9 torr. In queste condizioni, le dinamiche dei gas evaporati

L’aspetto più importante del MBE è la

sono tali da permettere un alto controllo del singolo strato.

bassa velocità di deposizione (tipicamente pochi monolayer al minuto), che consente al film di

crescere epitassialmente. Ovviamente rate di deposizione lente richiedono di contro un vuoto

migliore così da ottenere gli stessi livelli di impurezze delle altre tecniche di deposizione. Per

questo motivo si lavora in REGIME MOLECOLARE, cioè a pressioni molto basse dove il libero

cammino medio è molto più grande rispetto alle dimensioni della camera da vuoto.

L’apparato strumentale prevede una serie di cannoni che costituiscono le CELLE DI EFFUSIONE,

quelle che servono per fare i beam atomici e molecolari. Ogni cella punta verso il supporto sul quale

si vuole crescere il layer. Ogni cella ha uno shutter avanti così posso dosare l’esatta quantità