Caracterización microscópica

a) Microscopía electrónica de barrido (SEM)

La morfología de las capas depositadas ha sido estudiada por microscopía electrónica de barrido (SEM, Scanning Electron Microscopy).

Su modo de operación consiste en barrer la superficie de la muestra con un haz de electrones altamente energético (desde cientos de eV hasta decenas

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de keV) generado por un filamento y focalizado mediante campos electromagnéticos [13].

La interacción de los electrones con el material da lugar a distintas formas de radiación siendo dos las utilizadas para la formación de imágenes SEM, los electrones secundarios y los retrodispersados. Los electrones secundarios son los de menor energía (<50 eV) y se producen como resultado de la interacción entre los electrones del haz y los electrones de la banda de conducción del sólido dando lugar a la expulsión de estos últimos con energías de unos pocos electronvoltios. Debido a su baja energía, sólo aquellos que provengan de las capas superficiales son capaces de formar imagen SEM. Por otro lado, los electrones retrodispersados son electrones del haz incidente que han colisionado con los átomos de la muestra y han sido reflejados, siendo mucho más energéticos. De esta forma, los electrones secundarios dan una imagen de la apariencia tridimensional de la muestra mientras que los retrodispersados revelan diferencias en la composición química por diferencias de contraste.

Además, si el microscopio está equipado con una microsonda de rayos X de energía dispersiva (EDX, Energy Dispersive X-ray) es posible analizar la composición química de la muestra a nivel micrométrico.

Las imágenes SEM presentes en este trabajo fueron adquiridas con un microscopio Hitachi SU-8000.

b) Microscopía electrónica de transmisión (TEM)

La microscopía electrónica de transmisión (TEM, Transmission Electron Microscopy), nos ha proporcionado información estructural a nivel nanométrico de las muestras depositadas.

En este caso, la imagen se obtiene a partir de un haz de electrones de alta energía (generalmente por encima de los 100 keV) que atraviesa la muestra que se quiere analizar [14].

El haz de electrones generado normalmente por un filamento, es acelerado y posteriormente focalizado con una serie de lentes electromagnéticas sobre la muestra a estudiar. Para que el haz de electrones atraviese completamente la muestra, es necesario que el espesor de la misma no supere los 50 nm. Si la muestra no cumple estas condiciones, es necesario reducir el espesor mediante devastado por bombardeo iónico, pulido mecánico o técnicas de ataque químico.

En este trabajo se ha utilizado un microscopio JEOL JEM 3000F instalado en el Centro de Microscopía Electrónica perteneciente a la Universidad Complutense de Madrid.

c) Microscopía de fuerzas atómicas (AFM)

La técnica de AFM (Atomic Force Microscopy) nos ha permitido conocer la rugosidad de las capas de h-BN así como estudiar la morfología superficial y la topografía de nuestras capas.

Esta técnica requiere de una punta muy fina colocada al final de una micropalanca (cantilever). Su principio de operación se basa en la medida de la fuerza originada por la interacción entre los átomos de la punta y los átomos de la superficie de la muestra [15]. Las fuerzas interatómicas que actúan en el proceso dependen de la distancia entre punta y muestra, y dicha interacción se obtiene a partir del potencial de Leonard-Jones. Este potencial describe la energía de interacción, en función de la distancia, de dos átomos o moléculas cuando su separación es de unos pocos angstroms. Cuando la punta y la muestra están situadas a menos de 10 Ǻ la fuerza es repulsiva porque las nubes electrónicas de los átomos que forman la punta y

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la superficie de la muestra se repelen. Para distancias mayores la fuerza es atractiva, en este caso las fuerzas de Van der Waals son las predominantes. El barrido de la superficie de la muestra, manteniendo la fuerza de interacción constante, permite obtener una imagen topográfica de la superficie.

Las fuerzas de interacción se miden a través del desplazamiento del cantilever. Un haz láser se focaliza sobre la micropalanca, de tal forma que cada deformación del cantilever se traduce en una deflexión del haz láser que es detectado por un fotodiodo. El fotodiodo permite separar las señales originadas por el movimiento vertical (fuerza normal), de aquellas resultado del movimiento de torsión del cantilever al deslizarse sobre la superficie (fuerza lateral de fricción).

En todos los casos las muestras se analizaron en condiciones ambientales. Los equipos utilizados fueron Nanoscope IIIa y Agilent 5500 PicoPlus. La rugosidad cuadrática media de las películas fue calculada directamente a partir de las imágenes de AFM utilizando para ello el programaGwyddion. 2.2.6. Propiedades ópticas: espectrofotometría UV-vis-NIR

La espectrofotometría ultravioleta-visible-infrarrojo cercano (UV- vis-NIR) estudia la absorbancia, transmitancia o reflectancia de los materiales [16]. Las regiones del espectro electromagnético bajo estudio son: ultravioleta cercano (190-400 nm), visible (400-750 nm) e infrarrojo cercano (750-2500 nm).

El espectrofotómetro permite dos modos de operación: transmisión o reflexión. En nuestro caso hemos utilizado el modo transmisión ya que estábamos interesados en conocer la fracción de luz que atraviesa nuestra muestra al hacer incidir sobre ella un haz de luz.

A su vez la luz transmitida presenta dos componentes: directa y difusa. La suma de ambas contribuciones da la transmitancia total de nuestra muestra. Dependiendo de la rugosidad y porosidad del conjunto muestra-sustrato, la componente difusa tendrá mayor o menor relevancia. La configuración del sistema varía en función de qué componente queramos medir. En el caso de la transmisión directa, hemos utilizado la unidad de detección directa (DDU, Direct Detector Unit) del espectrofotómetro, que analiza la luz que atraviesa la muestra sin experimentar cambios en su dirección. Para el caso de la componente difusa y de la transmisión total el equipo dispone de una esfera integradora capaz de registrar la luz que se transmite en varias direcciones al atravesar la muestra.

Los sustratos utilizados para estas medidas han sido cuarzo y zafiro pulidos por ambas caras, ambos con una alta transmitancia en el rango de estudio. Las capas depositadas sobre ellos presentan baja rugosidad y alto grado de compactación por lo que las medidas de transmitancia se han realizado con la DDU puesto que la componente difusa es despreciable.

Previo a la medida de cada una de nuestras capas, se toma el espectro del aire como referencia. Posteriormente se registra el espectro de un sustrato virgen y finalmente el de nuestra muestra. De la diferencia entre ambas medidas conocemos la transmitancia de la capa depositada.

El sistema utilizado ha sido un espectrofotómetro SolidSpec 3700 de la casa Shimadzu.