Correlación entre morfología e incorporación de metales en la nanoestructuración de Si por
3.2 Morfología de superficies de Si (001) inducidas por IBS con una fuente de cátodo frío (ACC-IS)
3.2.2 Dependencia de la morfología con el flujo iónico a dosis constante
En este apartado se describe la dependencia del patrón con el flujo iónico , para diferentes dosis finales, es decir la variación del ritmo de erosión para una cantidad total erosionada equivalente. La evolución morfológica con permite extraer información sobre los posibles mecanismos presentes. Los blancos de Si se irradiaron con flujos que van desde 40 a 260 μA/cm2 siempre trabajando bajo la
condición de dosis constante entre ~4 x 1017 iones/cm2 – 2 x 1018 iones/cm2. Todos
los valores del flujo se comprobaron posteriormente midiendo el perfil erosionado entre la parte expuesta al haz y la parte cubierta mediante perfilometría.
La figura 3.3 muestra las diferentes morfologías observadas en superficies de Si (001) irradiadas bajo las condiciones de dosis fija ~4 x 1017 iones/cm2 en función
de . Para valores de menores que 50 μA/cm2, la superficie bombardeada se
mantiene plana (S~0) sin un patrón característico y con una rugosidad similar a la muestra de Si (001) virgen (w~0.2 nm, fig. 3.3 (a)). Según aumenta , en el rango de
50–80 μA/cm2, comienza a observarse la formación de un patrón de nanoagujeros
(S~-0.7) con profundidades entre los 1.5–2.5 nm y anchuras del orden de 30–40 nm (fig. 3.3 (b)). Dichos nanoagujeros se encuentran esparcidos sobre regiones planas dando lugar a una rugosidad ligeramente superior de ~0.5 nm. Según aumentamos hasta los 110 μA/cm2 comienza a densificarse el patrón de nanoagujeros (fig. 3.3
(c)) con S~-0.45, lo que conlleva un aumento de la rugosidad (w ~ 0.7 nm). Estos
nanoagujeros muestran un diámetro medio menor que los anteriores, de unos 22 nm, y
un aumento en su profundidad 2.5 –3.5 nm. Sin embargo, debe tenerse en cuenta la existencia de posibles efectos de convolución de la punta con la superficie por lo que estos valores de profundidad podrían estar subestimados. Para en el rango de 110-190 μA/cm2, ambas estructuras (nanoagujero/nanopunto) coexisten, dando lugar
a un patrón mixto (S~0.08) que mantiene su longitud de onda, λ (fig. 3.3 (d)). La rugosidad sigue mostrando un ligero aumento hasta w~0.9 nm. Finalmente, para flujos >190 μA/cm2 la morfología predominante son los patrones de nanopuntos
(fig. 3.3 (e)), donde el sesgo aumenta hasta S~0.78. Las alturas típicas de estos
nanopuntos son de 2-3 nm y con un diámetro medio cercano a los 25 nm. Nótese la
existencia de un orden hexagonal a corto alcance con independencia del tipo de nanopatrón obtenido, es decir agujero, mixto o punto, tal y como puede verse en las funciones de auto-correlación insertadas de la fig. 3.3 (c), (d) y (e).
Figura 3.3: Imágenes de AFM de 1 x 1 µm2 para superficies de Si (001) irradiadas con iones de Ar a 1 keV, a una dosis fija de 4 x 1017 iones/cm2 y (a) = 40 µA/cm2 (plana), (b)= 70 µA/cm2 (agujeros esparcidos), (c) = 105 µA/cm2 (agujeros densos), (d) = 170 µA/cm2 (mixto) y (e) = 260 µA/cm2 (puntos). La escala vertical, la misma para todas las imágenes, varía entre los 0 a 6 nm. También se muestran las funciones de auto-correlación de las imágenes (c), (d) y (e) tomadas sobre regiones de 400 x 400 nm2.
A continuación, en la figura 3.4 se muestra la evolución morfológica con el flujo a una dosis ligeramente superior ~6 x 1017 iones/cm2. Cualitativamente, los
resultados son análogos a los mostrados anteriormente para la dosis más baja ~4 x
1017 iones/cm2 de la figura 3.3. En este caso, aumentando se pueden encontrar
cuatro morfologías predominantes: i) Entre 35<<50 μA/cm2 nanoagujeros esparcidos
(fig 3.4 (a)) con una anchura típica entre los 15-35 nm distribuidos sobre superficies planas , ii) entre 50<<70 μA/cm2 patrón denso de nanoagujeros (fig. 3.4 (b)) con un
diámetro medio de 22 nm, en este caso también podríamos tener una subestimación debido a los ya mencionados efectos de convolución de la punta, iii) entre
70<<120 μA/cm2 un patrón mixto donde ambas estructuras de agujeros y puntos
coexisten (fig. 3.4 (c)) y por último iv) a >240 μA/cm2 patrón denso de nanopuntos
(fig 3.4 (d)). Para esta dosis y bajo el rango de flujo empleado 40<<250 μA/cm2,
no se han observado superficies planas. 200 nm
(b)
200 nm(a)
200 nm(c)
200 nm(e)
200 nm(d)
Figura 3.4: Imágenes de AFM de 1 x 1 µm2 para superficies de Si (001) irradiadas con iones de Ar+ a 1 keV, a una dosis fija de 6 x 1017 iones/cm2 y (a) = 40 µA/cm2 (agujeros esparcidos), (b) = 55 µA/cm2(agujeros densos), (c) = 90 µA/cm2 (mixto) y (d) = 250 µA/cm2 (puntos). También se muestran las funciones de auto-correlación de las imágenes insertadas (b) y (d) tomadas sobre regiones de 400 x 400 nm2.
Figura 3.5: Imágenes de AFM de 1 x 1 µm2 para superficies de Si(001) irradiadas con iones de Ar+ a 1 keV, a una dosis fija de 2.5 x 1018 iones/cm2 y (a) = 85 µA/cm2 (b) = 250 µA/cm2. La imagen insertada es la función de auto-correlación de la imagen de AFM sobre una región de 400 x 400 nm2.
(a)
(b)
200 nm 200 nm 200 nm 200 nm 200 nm 200 nm(a) (b)
(c)
(d)
Por último, en la figura 3.5 se muestra la evolución con el flujo en la condición de alta dosis ~2.5 x 1018 iones/cm2. En este caso la morfología no sufre
una transición de nanoagujeros a nanopuntos con el flujo, observando en todo el rango de flujos empleado una topografía de patrones de nanopuntos. En consecuencia, el sesgo siempre es positivo aumentando de 0.3 hasta 0.8 con el flujo. En cuanto a la longitud de onda del patrón, ésta disminuye desde los 60 nm de la fig. 3.5 (a) hasta los 54 nm en la fig. 3.5 (b).
Hasta el momento, se ha estudiado la evolución morfológica de las superficies con el flujo iónico a tres dosis distintas: 2.5 x 1018, 6 x 1017 y 4 x 1017 iones/cm2,
obteniendo en el caso de la dosis más baja que la superficie evoluciona con desde una morfología plana a nanoagujeros-mixto-nanopuntos. La misma secuencia puede observarse en el caso de la dosis intermedia con la diferencia de un desplazamiento de la formación de las diferentes morfologías hacia valores más bajos de flujo y con la consiguiente desaparición de la morfología plana para el rango de empleado. Por último para el caso de alta dosis, la superficie muestra siempre un patrón de nanopuntos con independencia del flujo empleado.