UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID Facultad de Ciencias
Departamento de Física Aplicada
Centro de Micro-Análisis de Materiales
DESARROLLO DE PATRONES BIOFUNCIONALES SOBRE Si Y TiN MEDIANTE HACES DE IONES
Memoria presentada por: Esther Punzón Quijorna Para optar al grado de: Doctor
Directores de Tesis:
Aurelio Climent Font Miguel Manso Silván Vicente Torres Costa
Madrid, Octubre 2015
Dedicatoria
A mis padres y mi hermana A Juan
“Mucha gente pequeña, en lugares pequeños, haciendo cosas pequeñas, puede cambiar el mundo”, Eduardo Galeano
vii
Agradecimientos
El trabajo que se presenta aquí es la meta de un largo recorrido en el que he tenido la suerte de contar con grandes personas y también grandes profesionales, que me han inspirado y ayudado, tanto en el ámbito laboral como en el personal. Es el momento de agradecer a quienes durante estos años me habéis ayudado a llegar hasta aquí.
Para comenzar tengo que remontarme a mis años en el Instituto, aunque parezca irse muy atrás, pero quizá no estuviera hoy aquí sin las clases de Antonio Navarro, mi profesor de Física en el IES Consaburum de Consuegra. Gracias.
Los primeros pasos en la investigación los di gracias al profesor Manuel Hernández-Vélez, que me dio la oportunidad de conocer cómo es el trabajo de investigación de la mano de la Dra. Olga Sánchez, en el ICMM, CSIC. Gracias Olga por tu cercanía y consejos.
En el último año de carrera conocí a los profesores José Manuel Duart y Miguel Manso. A través de ellos surgió la oportunidad de unirme al grupo y comenzar “más en serio” en el mundo de la investigación, primero con un contrato en el grupo Bite-UAM, y después con la beca FPI, otorgada al Proyecto MAT2008-06858-C02-01. Tengo que agradecer al entonces Ministerio de Ciencia e Innovación, la contribución otorgada para mi formación y estudios de Doctorado.
Estoy muy agradecida a mis tres directores: Aurelio Climent Font, Vicente Torres Costa y Miguel Manso Silván por confiar en mí desde el principio y darme esta oportunidad. Por haberme introducido en el CMAM y en el Departamento de Física Aplicada de la UAM, ofrecerme la oportunidad de asistir a congresos, realizar estancias breves (o no tan breves) en el extranjero, motivarme para dar charlas y poner a mi disposición todas las herramientas para poder llegar hasta aquí. Pero sobre todo por darme vuestro apoyo en la recta final, especialmente en este último año que he estado fuera.
viii
Quiero agradecer a la profesora J. Predestinación García Ruiz y a la Doctora Vanessa Sánchez Vaquero del Dpto. de Biología Molecular de la UAM, su contribución en este trabajo. Predes, gracias por tener tanta paciencia enseñándome los misterios de las células mesenquimales, por contagiarnos tu pasión por el trabajo, por dejarme ser pinche en la “cocina celular” y que te invada el laboratorio con cables, fuentes de alimentación, polímetros, y osciloscopios. He sido una privilegiada.
A Luis García Pelayo por ayudarme a resolver todos los problemas técnicos, por su entusiasmo, las charlas con las que tanto he aprendido (aunque llegara tarde a mis citas), ah! y por traer chocolate negro con avellanas…
A la profesora María Dolores Ynsa por ofrecerme su ayuda y contar conmigo para discutir resultados y participar en experimentos del CMAM. Gracias por preocuparte por mí y animarme siempre.
Al profesor Raúl Martín Palma por contar conmigo para la docencia en la asignatura de Trabajo fin de Grado, por su optimismo y por ser puntual a los cafés de las 11 que tan bien sientan.
A Elena Santiago por la alegría con que llena el laboratorio cada vez que nos visita, por el afecto y el cariño mutuos. Y por acordarse de nosotros cada Navidad.
A los técnicos del CMAM por amenizar largas sesiones de medidas, especialmente a Arantza, Víctor y Jaime, con quienes más tiempo he compartido, por explicarme con tanto detalle todas mis curiosidades.
Al profesor David Martín y Marero por contar conmigo para su proyecto sobre la Explosión de Coulomb y enseñarme a dar los primeros pasos con la canalización de iones. Al Doctor David Jiménez Rey por ayudarnos con la línea de implantación. Al Doctor José Olivares y a Manuel Díaz por ayudarme con el perfilómetro. Al Doctor Miguel Crespillo por su cursillo de AFM. Al Doctor Ángel Muñoz por ayudarnos con RBX y los problemas técnicos.
A los compañeros del SidI, Esperanza, Isi, Enrique y Noemí, por las medidas de SEM y XRD.
ix A la Doctora Pilar Herrero por las medidas de TEM y al Doctor Fernando Agulló por las medidas de Raman.
Al Doctor Ruy Sanz González (Catania, Italia) y al Doctor Juan Rubio Zuazo (Grenoble, Francia) por aceptar ser revisores del trabajo de Tesis, para optar a la mención de Doctorado Internacional.
Quiero agradecer a todos los compañeros del Departamento de Física Aplicada y del CMAM, todos estos años de convivencia y tan buena acogida, por interesarse en mi trabajo y repartir ánimos. Especialmente a los estudiantes, muchos de ellos ya Doctores, con quienes he compartido estos años de experimentos, cursos de formación, congresos y todas esas charlas arregla-mundos. Álvaro, Jacobo, Noelia, Paola, Elena, Gonzalo, Darío, Arancha, Chloé, Sonia, Guille, Dani, Eduard, Diana, Begoña, Victoria, Luis, Rosalía, Laura. ¡Gracias!
I would like to thank François Rossi for hosting me at the Nanobioscience-IHCP group, at Joint Research Centre (European Commission), in Ispra (Italy). Thank you for having given me the opportunity to be part of the Institute during nearly one year.
Thank you to the entire group for the affection and dedication I received. Special thanks to: Helmuth Willers, for putting back into operation the implanter for my samples and for teaching me all the details of its operation; to the professor Jan Hanus for teaching me the basic operation of Ellipsometry and help me with the measurements and fitting models; to Giacomo Ceccone for the XPS measurements, the compositions maps and the talks in italenglishpanish; to Valentina Spampinato for the composition maps with TOF-SIMS; to the Plasmore team: Andrea Valsesia, Paola Pellacani and Ana Frangolho for the help in the lab, specially with the AFM; to Paula for helping me with all the bureaucratic procedures; to Giovanni for the technical support.
To Sarah Kajari-Shrönder and Alwina Knorr from ISFH (Institut für Solarenergieforschung Hameln), Germany. Thanks for all the effort with the ECV measurements, and for the interesting discussions.
To Lucia Romano, from Department of Physics and Astronomy (DFA), University of Catania, Italy. Thanks for the swift replies to my questions and for getting much involved in the NRA measurements.
x
A los compañeros de la carrera: Susana, Javi, Leti, Eva, Marta, Inma, Edu, Charli, Mayte, Esther, Benito, Ernesto… por mantener el contacto y preocuparos por la evolución de la Tesis.
A mis compañeros de la Residencia Universitaria Ciudad Escolar, “RUCE”, especialmente a las chicas del pasillo rosa: Bea, Merce, Mada, Esti, Isa, Miriam, Evita, Marisa, Ana, Sonso, Pris y, especialmente, a “Marta Cartagena”, “María Meri” y “Vir tía Nube”. Como decía Meri en su discurso, hace ya un año: “gracias por acompañarnos en los momentos en que la vida presenta una prueba difícil y duele, donde el compartir se hace más fuerte y sólido, donde la amistad se fragua y se templa para ser del mejor acero”, yo no lo habría expresado mejor. Mención especial al grupo de “rucianos” que, después de tantos años, aún sigue sacando un hueco para la cena Navideña. Gracias por todos los buenos recuerdos y por seguir manteniendo el contacto a pesar de la distancia.
I want to thank everyone who contributed to make my stay in Italy a great and unforgettable time. To my colleagues at the JRC, alle ragazze from 5 terre trip, my neighbors at Forestería, the people from the Dolomiti expedition, colleagues from sci- club, my mates from salsa-club. Specially to: Paola, GB, Chus, Vera, Lara, Ana M., Ana F., Cris, Luci, Maryantonietta, Raúl, Luis, Ángel, Julio (Mr. President), Teo, César, Andrea, Delphine, Bethina, Elisa, Valentina, Stefania, to Mathilde...
Gracias a la gente que he conocido durante mi primer año en Eslovenia, porque sois lo más parecido a una familia, aquí, en las “afueras”. Gracias a los chicos del Cocido (Rosa, Andrea, Ana, Idaira, Lucía, Joaquín, Uroš, Adrian, Miha, y los peques:
Martín, Jan y Noa), a los chicos del GoOpti (Miren, Jernej y Belén) y a los compañeros de ACER (Dimitris y Patrizia). Cuando uno vive lejos de casa aún se valora más contar con gente como vosotros. Hvala!
No podría olvidarme de mis chiquetas de Consuegra: Mavi, M. Luisa, M. Jesús, Esther, Candelas, Mar, M. Luisa, Pilar, M. José, Cristina, Pili, Inma, Noelia, Ana. Los chiquetes: José Manuel, Rubén, Juanfran, Andrés, José Luis, Jesús, Alejandro, David, Blas, Felipe, Arturo. Los peques: Javier, Daniel, Valeria, Carla, Sofía, Luis, Clara, Claudia, Héctor, Víctor, Juanfran, Alejandro, Álvaro, Isabel, Nacho…. (vaya tropa majos!!). Gracias por vuestro cariño y esos ánimos, que no sólo de ciencia está hecho este trabajo.
xi Al abuelo Juan, que nos ha dejado este año, a Julia, Carlos, Carmen, Carlos, por preocuparse y animarme. A Laura y Javier, mis sobrinos, por su energía y su alegría.
Por darme tanto cariño y esos mensajes de audio que alguna lagrimilla me han robado.
A mi familia por la seguridad y el cariño que desde niña me habéis dado. A mi abuelo, que habría disfrutado al ver como su nieta se hace doctora (yo te lo apunto en la libreta), a mis abuelas, mis tíos y primos: Rufo, Margarita, Gabina, León, Gumer, Mari, Jose, Valen, Pedro, Beni, Jose, M. Sol, Pedro, Carmen, Pedro, Sandra, Álvaro, Natalia, Clara, Fati, José, Germán, Mario, Pili, Jesús, María, Lucía, Sofía, y a Javito.
He querido dejar para el final a quienes más merecen mi agradecimiento, a mis padres y mi hermana que siempre me han dado su apoyo y confianza, y a tí Juan, por estar siempre a mi lado. Este trabajo no habría salido adelante sin vosotros. Es vuestro.
xii
Contenido Contenido
Dedicatoria ... v
Agradecimientos ... vii
Contenido ... xii
Acrónimos ... xv
Capítulo 1. Introducción ... 17
1.1. Estado del arte y motivación ... 18
1.2. Interacción ion-materia ... 19
1.3. Interés del Silicio Poroso ... 23
1.4. Interés del Nitruro de Titanio ... 24
1.5. Patrones superficiales y modificación del comportamiento celular ... 26
1.6. Terapias celulares ... 27
1.7. Migración celular ... 29
1.8. Estimulación celular mediante aplicación de potenciales eléctricos. ... 31
1.9. Objetivos del trabajo ... 32
1.10. Estructura de la memoria ... 33
Capítulo 2. Técnicas Experimentales y de Caracterización ... 35
2.1. Introducción ... 36
2.2. Técnicas de crecimiento ... 37
2.3. Técnicas de modificación y análisis con haces de iones... 42
2.4. Caracterización química, estructural y morfológica ... 59
2.5. Medidas eléctricas ... 70
2.6. Otras técnicas de caracterización ... 74
2.7. Ensayos biológicos ... 80
xiii
Capítulo 3. Patrones de Si/SiP ... 83
3.1. Introducción ... 84
3.2. Condiciones experimentales ... 84
3.3. Caracterización morfológica de los patrones Si/SiP... 93
3.4. Caracterización del Si implantado homogéneamente ... 100
3.5. Cultivo celular sobre los patrones Si/SiP ... 116
3.6. Conclusiones del capítulo ... 120
Capítulo 4. Patrones de TiN/TiNO ... 123
4.1. Introducción ... 124
4.2. Condiciones experimentales ... 124
4.3. Caracterización de superficies modificadas homogéneamente ... 135
4.4. Caracterización de los patrones TiN/TiNO ... 163
4.5. Cultivo celular sobre los patrones TiN/TiNO ... 169
4.6. Conclusiones del capítulo ... 178
Capítulo 5. Conclusiones ... 181
5.1. Conclusiones generales... 182
5.2. Trabajo futuro... 186
5.3. General Conclusions ... 188
Trabajos citados ... 191
Actividad científica ... 207
xv
Acrónimos
AFM Atomic Force Microscopy BPM Beam Profile Monitor CMAM Centro de Micro-Análisis de Materiales CVD Chemical Vapor Deposition EBS Elastic Backscattering Spectroscopy EBS/C EBS en configuración Channeling ECV Electrochemical Capacitance Voltage ERDA Elastic Recoil Detection Analysis HAXPES Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy hMSCs human Mesenchymal Stem Cells IBA Ion Beam Analysis IBMM Ion Beam Modification of Materials JRC Joint Research Centre NRA Nuclear Reaction Analysis PIGE Particle Induce Gamma-ray Emmision PSi Porous Silicon PVD Physical Vapor Deposition RBS Rutherford Backscattering Spectroscopy SEM Scanning Electron Microscopy SIMNRA Simulation Program for the Analysis of NRA, RBS and ERDA SiP Silicio Poroso SRIM Stopping and Range of Ions in Matter TEM Transmission Electron Microscopy TOF-SIMS Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry TRIM Transport of Ions in Matter XPS X-ray Photoelectron Spectroscopy XRD X-ray Diffraction
Capítulo 1. Introducción
Capítulo 1
Introducción
18
1.1. Estado del arte y motivación
En los últimos años se ha producido un gran desarrollo en la rama de los biomateriales dentro de la ciencia de materiales, así como de las terapias celulares que emplean células para tratar tejidos dañados, heridas crónicas o enfermedades con base inflamatoria o autoinmune. Ambas ramas requieren de un planteamiento intrínsecamente interdisciplinar, que aúne conocimientos y esfuerzos, hacia la que ya muchos denominan Edad de Oro de la Biotecnología y la Biomedicina.
La ciencia y tecnología de superficies tiene mucho que aportar a esta denominada Edad de Oro. En concreto, la capacidad de controlar la modificación de superficies de manera precisa, haciendo posible la fabricación de motivos de tamaños micro y nano-métricos con contraste químico o estructural, ha permitido desarrollar el potencial de los cultivos celulares in vitro; proporcionando nueva información acerca de los factores que gobiernan la adhesión celular a la superficie de los materiales, su proliferación, diferenciación y vías de señalización molecular [1]. A menudo, estos factores están acoplados entre sí y, por tanto, es muy difícil dilucidar el papel que desempeña cada uno de ellos de forma inequívoca.
Respecto a la diferenciación de las células madre hacía linajes específicos, ésta puede dirigirse a través de la modificación de las características de un patrón superficial, como su forma, dureza, o tamaño de motivo [2], [3]. Las técnicas de fabricación de patrones superficiales, o patterning, ofrecen una herramienta única para revelar la ciencia subyacente. Estas técnicas de patterning no sólo sirven de plataforma de ensayo y estudio del comportamiento celular, sino que permiten mimetizar los tejidos naturales favoreciendo la proliferación y regeneración de tejidos dañados, modifican la respuesta celular y son capaces de guiar la orientación y dirección de migración de las células [4]- [10].
De la multitud de métodos existentes para la fabricación de patrones superficiales (fotolitografías, microcontact printing, scanning probe techniques, etc. [1], [11], [12]), la implantación de iones permite modificar de manera selectiva la superficie, bien mediante el empleo de un micro haz dirigido a las regiones seleccionadas, o bien a través de un haz homogéneo y el empleo de máscaras que frenen la radiación en las zonas requeridas, resultando en un patrón con una determinada geometría y
19 dimensiones. En la siguiente sección se describen algunos de los procesos más destacados referentes a los haces de iones, empleados tanto para la fabricación controlada de patrones superficiales, como también para la caracterización de regiones modificadas.
1.2. Interacción ion-materia
En el trabajo presentado en esta Tesis se han empleado haces de iones acelerados como doble herramienta, tanto para la modificación como para el análisis de los materiales modificados. La Figura 1. 1 representa algunos de los procesos que tienen lugar debido a la interacción de una red cristalina con un haz de iones o partículas energéticos. El dominio de uno de los procesos sobre los otros depende de factores como la energía, la orientación del haz, la relación de masas (ión/átomos del blanco), etc.
Figura 1. 1. Esquema de algunos de los procesos que tienen lugar en un experimento de irradiación con haces de iones o partículas. Adaptado de [13].
Cuando una partícula cargada, y con la suficiente energía, viaja a través de un material, interacciona con él cediéndole parte de su energía. Esta interacción puede dar lugar a modificaciones en el material, ya sea a través de alteraciones en la red
sputtering haz de iones
retrodispersión
-
emisión de e-
Implantación de iones activación
química desorción
movilidad
daño en la red
colisión en cascada
vacante divacante sustitucional intersticial
channeling
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ocasionadas por las colisiones en cascada, produciendo excitaciones electrónicas, o a través de la incorporación de nuevos elementos en la red o dopantes (sustitucionales o intersticiales).
La Figura 1. 2 muestra alguno de los distintos procesos, físicos y químicos, que se producen como consecuencia de la interacción del haz de iones con el sólido, en función de la energía de incidencia del ion. Para bajas energías, hasta aproximadamente 10 eV, aumenta la movilidad de las especies adsorbidas, promoviendo la reactividad de la superficie y la desorción de especies. Por encima de aproximadamente 10 eV se produce transferencia de carga que neutraliza el ion y tiene lugar la emisión de electrones secundarios. Hasta aproximadamente 100 eV se producen desplazamientos de átomos y defectos en la superficie. Entre 100 eV y 10 keV aproximadamente, al aumentar la energía es posible superar la barrera de potencial debida a la carga espacial y la interacción se produce con los núcleos de los átomos que conforman la red. En este rango de energías tiene lugar el sputtering debido a colisiones en cascada, implantación y desplazamiento de átomos en la red que pueden dar lugar a pares de Frenkel (vacante- intersticial). Las energías a partir de 10 keV, aproximadamente (dependiendo del tipo de ion y material), son las empleadas en la implantación de iones.
Figura 1. 2. Esquema de algunos de los procesos que tienen lugar en la interacción ion-materia, en función de la energía cinética del ion incidente.
10-1 100 101 102 103 104 105
activación química movilidad ad-atomos
desorción
emisión de e- sputtering
implantación
Baja Energía Media
Energía
Alta Energía
106 IBA
Energía iones (eV)
21 La implantación de iones es una herramienta útil que permite modificar de modo controlado las propiedades de los materiales. Cuando un ion, dentro de este rango de energías, viaja por el interior de un sólido (blanco) interacciona con los átomos de éste a través de una serie de colisiones con electrones y núcleos. El ion cede parte de su energía mediante una serie de interacciones que pueden dar lugar a la generación de daño en el material. A la pérdida de energía inducida por el blanco se le denomina poder de frenado y representa la cantidad de energía cedida por los iones al medio en su camino (dE/dx). Es habitual representar el poder de frenado frente al camino recorrido.
Esta representación se conoce como Curva de Bragg, presentando un máximo al final del recorrido. La forma de la curva es debida a que la probabilidad de interacción del ion aumenta a medida que éste pierde energía. Este efecto es empleado en terapias contra el cáncer, ya que el daño se concentra en la zona a tratar, minimizando el efecto en el tejido sano circundante [14].
El mecanismo por el cual los iones transfieren su energía al sólido se basa en dos procesos fundamentalmente: poder de frenado electrónico (dE/dx)e y poder de frenado nuclear (dE/dx)n. El peso de uno u otro dependerá principalmente de la energía y masa del ion incidente, tal y como se observa en la Figura 1. 3 donde se ha representado el poder de frenado en un blanco de silicio, dE/dx, para iones de silicio y helio, obtenido a partir de simulaciones con SRIM [15], [16].
Figura 1. 3. Representación del poder de frenado (dE/dx) en un blanco de silicio, expresado en MeV/mm, para iones de silicio (en azul) y helio (en rojo), frente a la
energía de los iones, en MeV/uma. Simulación obtenida mediante SRIM.
0,00E+00 5,00E+02 1,00E+03 1,50E+03 2,00E+03 2,50E+03 3,00E+03 3,50E+03
0,00030,003 0,03 0,3 3 30 300 3000
dE/dx (MeV/mm)
Energía (MeV/u)
(dE/dx)Si (dE/dx)e Si (dE/dx)n Si (dE/dx)He (dE/dx)e He (dE/dx)n He
Si
He
22
En función de la energía del ion incidente, para un mismo ion y blanco, podemos clasificar dos tipos de procesos durante la implantación:
- Para energías > 0.1 MeV/u, la pérdida de energía se produce en mayor medida debido al poder de frenado electrónico, (dE/dx)e. Se define de este modo a la energía que pierden los iones debido a las interacciones inelásticas con los electrones ligados del medio. Da lugar a la ionización y excitación de los átomos del blanco. Debido a su predominio, se producen numerosas interacciones de los iones rápidos con los electrones, dando lugar a la dispersión energética. Sin embargo, su pequeña masa hace que la trayectoria de los iones no resulte alterada, ni se produzcan desplazamientos de los átomos del sólido en la mayoría de los casos [17].
- Para energías < 0.01 MeV/u, [18] cobran importancia las colisiones binarias elásticas con los átomos apantallados del blanco. Estas dan lugar a cambios bruscos en la dirección y energía del ion incidente, produciéndose dispersiones angulares y pérdidas de energía. Las pérdidas de energía dominantes son las debidas al poder de frenado nuclear (dE/dx)n. Si la energía transferida al blanco es la suficiente se produce el desplazamiento de los átomos del blanco de sus posiciones en la red. Típicamente 25 eV es la energía que se requiere para formar un par de Frenkel (vacante-intersticial). Si la energía es superior a este valor, los átomos dispersados (recoils) chocarán con átomos de la red dando lugar a recoils secundarios, pudiendo iniciar un proceso de colisión en cascada. Cuando la energía es menor de los 25 eV, los átomos continuarán desplazándose de sus posiciones en la red, pero sin la energía suficiente para evitar la recombinación espontánea vacante-intersticial.
En este trabajo se ha empleado la implantación de iones como herramienta para la modificación de TiN y Si, empleando para ello bajas energías (keV) y altas energías (MeV) respectivamente.
23 1.3. Interés del Silicio Poroso
El silicio poroso (SiP) fue descubierto de manera accidental por el matrimonio Uhlir, que se encontraba trabajando en los laboratorios Bell a mediados de la década de 1950. Trataban de encontrar un método que permitiera el mecanizado de las obleas de silicio y germanio mediante ataque electroquímico, para su uso en microelectrónica.
Entonces vieron cómo, bajo ciertas condiciones electroquímicas, el silicio no se disolvía uniformemente, y en su lugar aparecían unas pequeñas hendiduras que se propagaban preferencialmente en la dirección <100> cuando el ataque electroquímico tiene lugar en la cara pulida (100). Estas observaciones fueron publicadas en las notas técnicas de los laboratorios Bell [19].
Tras el descubrimiento casual del silicio poroso, han sido numerosas las teorías surgidas en los últimos años para explicar la formación de poros en semiconductores en general, y en el silicio en particular. Su fabricación, generalmente basada en la disolución parcial electroquímica (anodización) en disoluciones acuosas de HF, da lugar a un alto grado de reproducibilidad. Es posible obtener una gran variedad de morfologías en función del tipo de silicio y las condiciones electroquímicas [20], [21].
Sin embargo, estos parámetros sólo se conocen de modo empírico, no existiendo una teoría definitiva que explique el mecanismo de formación del silicio poroso [22]- [24].
De todos los modelos propuestos para describir el proceso de formación de SiP, el más citado es el propuesto en 1991 por Lehmann y Gösele [25], que se revisa en el Capítulo 2.
Como consecuencia de este ataque electroquímico resulta una matriz porosa que contiene nanocristales de Si embebidos en su interior. El reducido tamaño de estos cristales provoca el confinamiento cuántico que parece estar detrás de sus propiedades de emisión de luz [26].
Debido a sus propiedades características el SiP presenta múltiples aplicaciones.
Entre las más importantes destacan sus propiedades fotoluminiscentes [26] y electroluminiscentes [27], ambas en el rango visible. Estas propiedades unidas a su porosidad y superficie específica regulables (hasta 500 m2/g) [28], y una alta reactividad superficial que favorece su funcionalización química, despertaron interés para su aplicación en el campo de los sensores y biosensores [29], [30].
24
Además, la biocompatibilidad del SiP ha sido probada, tanto in vitro como in vivo. El hecho de que, además, se trate de un material bioactivo [31] y biodegradable, con productos de desecho no tóxicos que son excretados por el organismo siguiendo las vías naturales, abre un abanico de posibles aplicaciones, ya sea en forma de lámina delgada o en partículas.
En ingeniería de tejidos, se emplea en estructuras de hueso artificial proporcionando el soporte necesario para la regeneración ósea. Unido a distintas fases de los fosfatos de calcio, como la hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2), o combinado en composite con materiales poliméticos reabsorbibles, como la policaprolactona (PCL) [32].
En forma de partículas, obtenidas tras la dispersión ultrasónica de una lámina de SiP en solvente orgánico, se emplea como andamio biodegradable en cirugía ocular [33], o en tratamientos contra el cáncer, bien mediante termoterapia [34], [35], o como vehículo para el transporte de isótopos radiactivos o fármacos [36], [37].
Como andamio para la administración de fármacos presenta la ventaja de
“informar” de la cantidad de fármaco que ha sido suministrado mediante el seguimiento del espectro óptico, ya que las moléculas adheridas a su estructura alteran el índice de refracción [38].
De manera paralela a sus aplicaciones biológicas se ha estudiado su potencial como material para la fabricación de emisores de luz. En 1996 se construyó un diodo de SiP [39], pero su poca eficiencia hace que, aún hoy, no sean rentables para su uso en optoelectrónica.
1.4. Interés del Nitruro de Titanio
El Nitruro de Titanio (TiN), material de partida para los patrones que se exponen en el capítulo 4, es un material que goza de gran reputación y ha sido ampliamente estudiado y empleado debido a sus excelentes propiedades físicas, especialmente su conductividad eléctrica [40], [41], propiedades ópticas [42] - [44], su resistencia a la corrosión y desgaste, alto punto de fusión [45], alta estabilidad química y baja
25 resistividad que hacen de él un buen candidato para barreras de difusión en sistemas de metalización de semiconductores [46] - [48].
A estas propiedades se le suma la biocompatibilidad que ha sido probada en recubrimientos para implantes [49]. Otra de las propiedades interesantes del TiN es su apariencia dorada por la cual es usado como alternativa al oro en recubrimientos anti- scratch en joyería y elementos decorativos. Esta apariencia dorada se debe al desplazamiento de la frecuencia plasma al rango del visible debido a la aparición de transiciones interbanda [50].
La búsqueda de propiedades adaptadas para aplicaciones concretas, abren el camino para proponer compuestos ternarios, entre los que se incluye TiCN [51] y TiBN [52] por sus propiedades tribomecanicas, TiAlN por su resistencia a la corrosión [53], [54], TiCrN con propiedades magnéticas [55], o TiNO por la capacidad del oxígeno para modificar las propiedades eléctricas y ópticas [56].
La explotación del TiN en dispositivos electrónicos y plasmónicos demanda requisitos tales como patrones dieléctricos nano- y micro-estructurados, que muestran una fuerte localización de plasmones en superficie y la posibilidad de ajustarlos controlando los parámetros geométricos, mejorando las limitaciones de propagación del plasmón de superficie en superficies sin patrón [43]. En esta línea, una modificación selectiva y controlada de TiN a TiNO podría ser un modo atractivo de producir estructuras funcionales con carácter eléctrico-dieléctrico con una banda electromagnética prohibida. En este marco, patrones de TiN/TiNO podrían ser válidos candidatos para el desarrollo de sensores químicos y biológicos en diagnosis, aplicaciones terapéuticas y dispositivos opto-electrónicos [57], [58].
El reto para la obtención de dichas estructuras radica en encontrar el método óptimo de fabricación. El crecimiento controlado de TiNO es extremadamente difícil debido a la alta tasa de incorporación de O en métodos de plasma, incluso para flujos de O bajos [59], [60]. Para evitar la modificación térmica que produce la difusión del oxígeno limitando la posibilidad de crear dominios estructurados [61], se plantearon métodos como la oxidación anódica [62] o métodos de inmersión por plasma [56].
Teniendo en cuenta la estabilidad frente a la mezcla de iones en películas de TiN bombardeado en el rango de los 100 keV [63], la implantación de iones de Oxígeno en
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películas de TiN se presenta como buen candidato para la obtención de patrones TiN/TiNO, con buena definición lateral.
1.5. Patrones superficiales y modificación del comportamiento celular
Los materiales micro- o nano-estructurados biocompatibles han demostrado gran potencial en un gran número de aplicaciones, desde la administración de medicamentos [64], desarrollo de tejidos artificiales, andamios en la reparación de tejidos, biosensores, etc. En la rama de la ingeniería de tejidos o, a menor escala, la ingeniería celular, la fabricación de patrones superficiales añade otras ventajas al propio biomaterial [65]. El control de la posición, crecimiento y función de la célula es fundamental en el desarrollo de los biomateriales. Esto requiere un estricto control sobre las propiedades superficiales del material, pues la respuesta inicial de las células cultivadas en contacto con un biomaterial (adherencia, ordenación, orientación, diferenciación, proliferación, migración, etc) depende de la superficie de este.
La inspiración en la fabricación de patrones superficiales tiene un origen puramente biológico; todas las células que forman tejidos, se encuentran organizadas siguiendo distintos patrones durante el desarrollo [66], [67]. En este trabajo se presenta la fabricación de patrones superficiales micro y nanoestructurados sobre dos biomateriales empleando como herramienta principal la implantación de iones a través de máscaras.
En TiN y, en general en biomateriales con base de Ti (ampliamente empleados como implantes ortopédicos y dentales), la implantación de iones permite mejorar el material de partida y adecuarlo a los requisitos de integración biológica [68]. La implantación de oxígeno mejora la resistencia a la corrosión, además de modificar sus propiedades ópticas y eléctricas. La implantación de iones en superficie permite además crear un contraste dieléctrico/conductor que puede ser empleado como plataforma para la estimulación eléctrica.
En referencia al SiP, pueden encontrarse multitud de aplicaciones como material nanoestructurado y biocompatible. Numerosas empresas dedicadas al SiP, muchas de
27 ellas Spin-Off surgidas de Centros de Investigación y Universidades (Orthovita, Biosante, PSivida, etc) y grandes empresas multinacionales, como Siemens AG o Robert Bosch GmbH (Bosch), poseen patentes de biochips con base SiP para la detección o inmovilización de células. En cuanto a la formación de patrones superficiales en SiP, la formación selectiva del SiP comenzó a emplearse como capa sacrificial en procesos de microelectrónica [69]. Para ello se emplean capas superficiales (SiO2, SixNy, areas dopadas con N, etc.) que actúan como máscara durante la formación de SiP [70], [71]. La inhibición selectiva de su formación mediante la implantación de iones se planteó ya en 1999, empleando para ello un haz de protones a 2 MeV [72], a partir de un trabajo de 1997 en el que se observó que la implantación de iones produce una capa enterrada de alta resistividad [73]. En los últimos años se ha extendido el empleo de la implantación de iones con el fin de inhibir la formación del SiP de manera selectiva [74], fabricar estructuras complejas en 3D [75], o graduar su porosidad y emisión mediante la variación de la cantidad de daño producido en la red [76]. En esta línea, la implantación de iones más energéticos y con mayor número atómico, permite obtener mejor contraste lateral y modificar zonas más profundas del material, siendo posible la fabricación de multicapas, con aplicaciones como filtros interferenciales, o la fabricación de cristales fotónicos [77].
1.6. Terapias celulares
Las terapias celulares emplean generalmente células mesenquimales humanas (human mesenchymal stem cells, hMSCs) que, introducidas en el cuerpo del paciente, mejoran su sintomatología. Estas células provienen del mesodermo, a partir del cual se desarrollan los tejidos conjuntivos (cartílago, hueso, tejidos de grasa, músculo, tendones, etc.) [78]. Son células troncales y su principal atractivo es su capacidad de auto-renovación y de diferenciación a diversas líneas celulares, tal como muestra la Figura 1. 4. Además de su capacidad de diferenciación, estas células muestran actividad antiinflamatoria e inmunosupresora. Otra característica importante es su capacidad de reclutar y estimular células troncales endógenas (o residentes) mediante sustancias que las propias células mesenquimales secretan [79] - [81].
28
Figura 1. 4. La imagen, extraída de [81], muestra la multipotencialidad de las células mesenquimales, que poseen la capacidad de diferenciarse a diferentes linajes en
función del entorno. Las líneas azules discontinuas muestras la plasticidad de las células mesenquimales para transdiferenciarse a otro fenotipo distinto [82].
Estas características junto con su capacidad de migrar hacia regiones donde existe inflamación, hacen de las células mesenquimales unas candidatas idóneas para su uso en ingeniería y regeneración de tejido [83].
El uso de las células mesenquimales con fines terapéuticos no es reciente, los trasplantes de médula ósea comenzaron a realizarse en la década de los años cincuenta [84]. A día de hoy estas células se emplean de manera aislada en ensayos clínicos, en terapias de regeneración de tejidos, o como uso compasivo en casos concretos y siempre de acuerdo con la legislación europea vigente, que regula su uso en tres directivas (2001/20/EC, 2003/63/EC, 2004/23/EC) [85].
A pesar del número de estudios clínicos realizados con hMSCs durante la última década en el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas, autoinmunes, cardiovasculares, etc., que han demostrado una mejora en la calidad de vida de los enfermos, aún hoy hay cuestiones como la vía de administración (local o sistémica),
29 supervivencia de las células después del trasplante, mecanismos de acción y ciencia subyacente de las células, que deben ser estudiadas antes de su empleo clínico a gran escala [86].
El comportamiento de las células depende en gran medida de su microambiente, que comprende la matriz extracelular, las células vecinas y factores solubles tales como factores de crecimiento y citoquinas (agentes responsables de la comunicación celular).
Así mismo, las células responden de distinto modo ante superficies sintéticas en función de factores como el tipo de célula, tamaño y geometría de motivos químicos y/o topográficos y, en general, de las propiedades fisicoquímicas de la superficie en particular [87]. En este sentido, los patrones superficiales con tamaño micro- y nano- métrico han demostrado ser una herramienta útil para el análisis de factores involucrados en procesos de adhesión, migración y expansión, que tienen un importante impacto en aplicaciones terapéuticas, incluyendo la ingeniería de tejidos.
1.7. Migración celular
En animales, la mayor parte de los desplazamientos celulares se producen mediante arrastre sobre la superficie, en lugar del empleo de cilios o flagelos para nadar. Se trata de un comportamiento fundamental en el desarrollo embrionario, cicatrización de heridas y mantenimiento de tejidos, y en la función del sistema inmune en animales adultos. Las células se desplazan gracias a los contactos focales que establece su membrana. Para ello la célula emite protuberancias (lamelopodia) que se anclan mediante contactos focales a la superficie de la muestra (o bien a otra capa de células). Estas protuberancias se forman como consecuencia de la polimerización de filamentos de actina en la dirección de migración [88].
El arrastre es un proceso integrado y complejo que depende de la corteza rica en actina localizada bajo la membrana celular. Comprende tres pasos: protusión (Figura 1. 5 (a)), en la que las estructuras ricas en actina son expulsadas en la dirección de migración; fijación, en la que el citoesqueleto de actina se conecta a través de la membrana a la superficie mediante contactos focales; y tracción, que tiene lugar a través de “motores moleculares”, contrae la célula para llevarla hacia adelante (Figura
30
1. 5(b)). Por último, tiene lugar la ruptura de antiguos anclajes de la célula al sustrato/tejido y una nueva polimerización de actina (Figura 1. 5(c y d)).
Figura 1. 5. Esquema simplificado del proceso de migración celular, basado en [89] y [90]. Se representa la corteza de actina bajo la membrana celular (en color rojo) y la polimerización de actina (naranja) en la dirección de migración. El núcleo se
representa en color azul.
Para que una célula pueda desplazarse debe, además, generar y mantener una polaridad estructural global, que está influenciada por señales externas. Dichas señales son detectadas por las proteínas receptoras ubicadas en la membrana celular y su señal es transmitida al interior de la célula a través de cascadas de señalización [89]. Los distintos factores externos que pueden generar el movimiento se agrupan en las siguientes categorías: quimiotaxis (movimiento dirigido a través de gradientes de concentración de sustancias químicas presentes en el medio), thigmotaxis (movimiento originado por estímulo mecánico), thermotaxis (gradiente de temperaturas), stereotaxis (topografía física del sustrato), electrotaxis (en presencia de estímulo eléctrico), etc.
[91].
La fabricación de patrones en la superficie de los biomateriales permite modificar la distribución de las células sobre la superficie, favoreciendo la mimetización de los tejidos, alterar su adhesión, proliferación, etc. además de dirigir la dirección de
corteza actina
lamelopodia
dirección migración
nuevo contacto focal contracción
ruptura de enlaces
polimerización actina (lamelopodia)
(a)
(b)
(c)
(d)
31 migración hacia regiones específicas [92]. Esto puede llevarse a cabo ya sea mediante el empleo de contraste químico, elástico o topográfico (manipulación pasiva) o mediante el empleo de algún tipo de fuerza externa (manipulación activa). La aplicación de señales externas es una de las aproximaciones de la ingeniería y regeneración de tejidos menos explorada. Los estímulos externos aplicados más comúnmente empleados hasta el momento son de carácter mecánico y eléctrico.
En este trabajo se propone el desarrollo de patrones de TiN/TiNO. En su aplicación al cultivo celular se aplica una diferencia de potencial como método de manipulación activa. En el caso de los patrones Si/SiP la manipulación de las células es sin embargo pasiva. El empleo de campos eléctricos, frente a gradientes físico/químicos en la superficie del sustrato o gradientes químicos solubles, ofrece la ventaja de una comunicación de largo alcance que puede transmitirse rápidamente [93].
1.8. Estimulación celular mediante aplicación de potenciales eléctricos.
El estudio de los campos eléctricos en medios vivos y los efectos de estos sobre células, tejidos u órganos no es una novedad reciente. Ya en el siglo XVIII Galvani observó que al tocar un nervio de la pata de una rana con el bisturí cargado con electricidad estática la pata se movía. A lo largo de la historia se ha empleado la estimulación eléctrica de diversos tejidos y órganos para el tratamiento de numerosos trastornos, incluyendo enfermedades neuronales, trastornos del movimiento, etc [94].
Quizá el empleo más extendido y con el que se está más familiarizado es la fibrilación del corazón para revertir la arritmia o el marcapasos que permite mantener una frecuencia cardíaca adecuada.
Por otra parte, la presencia de campos y corrientes eléctricas endógenas juega un papel importante en la regeneración de tejido en heridas [95] - [97], así como la diferenciación de células troncales [98] - [100]. Son numerosos los trabajos dedicados a caracterizar estos campos endógenos [101], generados de manera espontánea por el organismo y que contribuyen a la recuperación de tejidos dañados, con la idea de mimetizarlos in vitro o in vivo y guiar la respuesta celular, tanto en tejidos blandos
32
[102] - [104] como en hueso [105]. A pesar de que ensayos clínicos han demostrado una mejora en la curación de heridas mediante la aplicación de campos externos, los mecanismos por los cuales las células detectan y responden a estas señales siguen siendo desconocidos [99].
La aplicación de campos eléctricos en la ingeniería de tejidos es una disciplina reciente, pero de rápida expansión [106], teniendo como mayor ambición la manipulación de las células. En este sentido sus aplicaciones van desde la formación de tejidos (piel) sobre patrones [107], curación de heridas en piel y hueso [105] o la manipulación celular (orientación [108], división [109], diferenciación [100] o migración [93], [110] - [113], etc.).
1.9. Objetivos del trabajo
El objetivo de este trabajo ha sido la fabricación de patrones funcionales con contraste a nivel superficial como plataformas para el cultivo celular. En la obtención de dichos patrones se propone la implantación de iones como herramienta principal.
Se han empleado dos materiales biocompatibles: el SiP y TiN, siguiendo dos estrategias diferenciadas en función del tipo de material y patrón a obtener.
En el caso del SiP, la formación de patrones superficiales Si/SiP se ha llevado a cabo mediante un proceso de implantación de iones de Si a alta energía, seguido de un ataque electroquímico. Para ello, uno de los objetivos ha sido determinar la fluencia umbral que inhibe la formación del SiP en las zonas irradiadas, y estudiar los efectos en la red cristalina para que este efecto tenga lugar.
En el caso del TiN, la obtención de los patrones TiN/TiNO se ha planificado mediante un paso único de incorporación superficial de iones de oxígeno, empleándose para ello un implantador de baja energía.
Se propone el uso de ambos patrones como plataforma de estimulación celular.
Dicho objetivo puede lograrse mediante el empleo de sistemas pasivos (patrones químicos o topográficos) o alternativamente, de modo activo mediante, por ejemplo, la aplicación de estímulos eléctricos a través de microcircuitos.
33 Teniendo en cuenta el contraste eléctrico superficial de los patrones TiN/TiNO, otro de los objetivos ha sido la fabricación de una celda de estimulación eléctrica ad- hoc, que permite aplicar pequeñas señales con intensidad y periodo variable. Para poder someter a las células a tratamientos largos, el sistema debe estar adaptado de modo que las células se encuentren en condiciones óptimas; es decir, en una caja de cultivo y con control de humedad y temperatura, mediante el empleo de una incubadora. En esta línea, otro de los objetivos ha sido encontrar el valor de potencial óptimo que permite aplicar estímulos de más de una hora.
Las células empleadas en este estudio son células mesenquimales humanas extraídas de la médula ósea. Estas células son responsables de la reparación osteocondral del esqueleto, característica que le aporta potencialidad terapeútica en los tejidos de cartílago y hueso principalmente. Controlar con precisión su adhesión y migración es un factor clave en la regulación de su ciclo, por lo que su estudio ha sido uno de los objetivos en este trabajo, con vistas a un futuro aprovechamiento terapéutico.
1.10. Estructura de la memoria
En el Capítulo 2 se exponen las técnicas experimentales empleadas en la obtención de las láminas de TiN y de SiP. Asimismo, se muestran las técnicas de caracterización empleadas en este trabajo, haciendo especial hincapié en las técnicas con haces de iones y los aceleradores empleados, tanto en la modificación como el análisis de los sustratos.
Los capítulos de resultados se han dividido atendiendo al tipo de material empleado, del siguiente modo:
El capítulo 3 muestra el proceso llevado a cabo para la formación de los patrones superficiales de Si/SiP. Se muestra la caracterización morfológica y superficial de dichos patrones (TEM, AFM, perfilometría, etc.), así como el análisis de los efectos de la implantación en las zonas irradiadas (medidas de resistividad, RBS-C, ECV, etc). Por último se exponen los resultados del cultivo de hMSCs sobre dichos patrones, empleando diferentes tamaños de patrón.
34
En el capítulo 4 se expone el proceso empleado para la obtención de los patrones de TiN/TiNO con contraste eléctrico superficial. Estos patrones han sido optimizados empleando técnicas de caracterización superficial y estructural (AFM, XRD, TEM, etc.), composición (RBS, XPS, TOF-SIMS, etc) y óptica y eléctrica (Elipsometría y medidas de resistividad). La potencialidad del contraste eléctrico superficial ha sido empleado para la estimulación de hMSCs mediante la aplicación de campos eléctricos.
Para ello se ha fabricado una celda de estimulación celular, que permite aplicar señales de intensidad y periodo variables, sobre el patrón, en el interior de una caja de cultivo celular, manteniendo las condiciones óptimas de humedad y temperatura gracias a una incubadora.
El capítulo 5 resume las principales conclusiones y presenta algunas de las perspectivas de trabajo futuro relacionadas con este trabajo.
Por último se recoge un resumen de la actividad científica a la que ha dado lugar este trabajo y otras contribuciones no directamente relacionadas.
Capítulo 2. Técnicas Experimentales y de Caracterización
Capítulo 2
Técnicas Experimentales y de Caracterización
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2.1. Introducción
En el trabajo de esta Tesis se han fabricado diversos patrones con contraste superficial mediante la implantación de iones, como único proceso en el caso del nitruro de titanio, o bien mediante un proceso combinado de implantación y ataque electroquímico en el caso del silicio. Posteriormente estos patrones han sido empleados como plataformas para el estudio del comportamiento migratorio de hMSCs, por lo que se ha prestado especial atención a las técnicas de caracterización superficial, así como a los efectos de la implantación en los materiales.
En este capítulo se describen las técnicas y equipos empleados en la fabricación del Silicio Poroso y las láminas de TiN (sección 2.2). Se describen los sistemas empleados para la modificación y análisis de los sustratos con haces de iones (sección 2.3).
En las siguientes secciones se detallan las técnicas de caracterización química, estructural y morfológica (sección 2.4), así como medidas eléctricas (sección 2.5) y otras técnicas de caracterización auxiliares (sección 2.6) empleadas.
Las plataformas fabricadas han sido probadas con células mesenquimales humanas procedentes de donantes de médula ósea sanos y anónimos. Estás células han sido proporcionadas por el Hospital Universitario La Princesa, Madrid, y aisladas por el grupo de la profesora García Ruiz del Dpto. de Biología Molecular de la UAM, siguiendo la legislación vigente. El procedimiento seguido para la manipulación, cultivo, fijación y tinción de dichas células sobre los sustratos se detalla en la sección 2.7.
37 2.2. Técnicas de crecimiento
En esta sección se describen el mecanismo de formación del Silicio Poroso, tras la disolución parcial del Si en una disolución acuosa de HF, y las condiciones empleadas para el depósito de láminas delgadas de Nitruro de Titanio mediante pulverización catódica.
2.2.1. Mecanismo de formación del Silicio Poroso.
Tras el descubrimiento casual del silicio poroso en los laboratorios Bell en la década de los 50, han sido numerosas las teorías surgidas en los últimos años para explicar la formación de poros en semiconductores en general, y en el silicio en particular [22] - [24].
De todos los modelos propuestos, uno de los más citados es el de Lehmann y Gösele [25], representado en la Figura 2. 1. En él, la superficie del Silicio, inicialmente pasivada mediante enlaces con Hidrógeno, no se ve afectada por el ataque de iones Flúor mientras no se suministre corriente de huecos, ya que la electronegatividad del Si es similar a la del H y la polarización inducida es pequeña. Al aplicar una diferencia de potencial se genera una corriente, y un hueco (h+) alcanza la superficie, entonces los iones de Flúor (F-) atacan los enlaces Si-H y se establece un enlace Si-F (paso 1 en la Figura 2. 1). Debido a la polarización inducida por el primer enlace Si-F, otro ion F- forma un enlace Si-F, desprendiéndose una molécula de H2 y un electrón es inyectado en el electrodo de Si (paso 2 en la Figura 2. 1). La polarización inducida por los enlaces Si-F, provoca que la densidad electrónica en los enlaces interiores Si-Si sea menor, favoreciendo la llegada de nuevos iones F- y grupos HF o H2O de modo que, tras arrancar el átomo de Silicio, la superficie queda de nuevo pasivada con enlaces Si-H (pasos 4 y 5).
38
Figura 2. 1. Esquema de la formación del Silicio Poroso mediante ataque electroquímico. Adaptado de [25]
Al arrancar un átomo de Silicio, la nueva superficie queda modificada con una vacante. El cambio en la geometría superficial modifica la distribución del campo eléctrico de modo que la llegada de h+ tendrá lugar preferencialmente en este lugar. Con la llegada de nuevos huecos la vacante inicial se propaga, produciéndose así la formación de poros. En estas condiciones el ataque electroquímico tiene lugar en el fondo del poro y está limitado por la aportación de h+, que inician la reacción (ver Figura 2. 2). Este efecto tendrá lugar siempre que la corriente no supere un cierto umbral. Si se aplica una elevada densidad de corriente, un gran número de h+ llega a la superficie y el ataque electroquímico estará gobernado por la movilidad de los iones F-. Cuando la superficie presenta una zona elevada, los iones F- de la disolución llegan a esa zona provocando el electropulido de la superficie.
Si Si
Si
Si Si
Si
H H H
H
+ F-
Si Si
Si Si
H F H
H H
-
Si Si
F-
Si Si
Si Si
H F F
H
Si Si
F-
H+ H2
Si Si
Si Si
H F F
H
Si Si
F-
H+ HF
Si
Si
Si
F F
F F
H H
+2HF
SiF62-+ 2H+
1 2 3
4 5
39 Figura 2. 2. Frontera Silicio-Electrolito adaptado de [114]. Baja densidad de
corriente (formación de SiP) y alta densidad de corriente (electropulido).
Procedimiento experimental para el crecimiento de Silicio Poroso
Para la obtención de los patrones de Silicio Poroso en Silicio (Si/SiP) se han empleado obleas de Silicio cristalino (100) tipo p dopadas con Boro (ITME, Polonia), con una resistividad de 0,05-0,1 Ω. cm (equivalente a un dopaje de 7,1E17-2,5E17 iones/cm3), y pulidas por una de las caras.
Previo a la formación del SiP, se deposita una capa de aluminio sobre la parte posterior de la oblea de silicio (zona no pulida) mediante evaporación por cañón de electrones. Un filamento de tungsteno es calentado y los electrones emitidos por efecto termoiónico son dirigidos hacía un crisol que contiene el aluminio. Al calentarse, el aluminio se evapora y deposita sobre la oblea de Silicio. Posteriormente se somete a un tratamiento térmico de 5 minutos a 400 ºC en atmósfera de nitrógeno, gracias al cual el aluminio difunde dentro del silicio. Esto asegura un buen contacto óhmico metal- semiconductor, y mejora la conducción eléctrica en contacto con electrodos externos de cobre.
Para la fabricación del silicio poroso se empleó una celda electroquímica como la que aparece representada en la Figura 2. 3. Esta celda está formada por una cubeta de teflon®, material fácil de trabajar y resistente al ácido fluorhídrico, que contiene una disolución de HF y Etanol. Tiene una ventana transparente fabricada en makrolon®, que
F- h+
h+ h+ h+
h+ h+
h+ h+
h+ h+ h+ h+
h+ h+ h+ F-
F-
Silicio Electrolito F-
h+ h+ h+ F-
F- Silicio
Electrolito
F- F-
F- F-
F- F- F-
F- F-
Baja densidad de corriente (formación poros) Alta densidad de corriente (electropulido)
40
resiste al ácido sin perder transparencia. La tapa de la cubeta cuenta con tres aberturas que permiten introducir los dos electrodos de platino (actuando como cátodo y referencia), y un tercer electrodo que va soldado a una placa de cobre montada en el portamuestras, y que actúa como ánodo. En la mayor parte de los casos se empleó el portamuestras que aparece en la Figura 2. 3. Este portamuestras cierra a rosca con una tapa que deja expuesta al electrolito un área circular de la muestra. En esta zona expuesta tiene lugar la formación de SiP, cuya área depende del portamuestras empleado (1,23 o 0,39 cm2).
Debido a las dimensiones del portamuestras, es necesario cortar la oblea de silicio en pequeñas porciones cuadradas de tamaños 9x9 mm2 o 14x14 mm2, según el tamaño del soporte utilizado en cada caso. Dentro del soporte la muestra se coloca con el contacto de aluminio en la parte posterior, de modo que el cobre quede en contacto con el aluminio. Para asegurar la estanqueidad del contacto, la parte posterior del soporte y la junta de la rosca se sellan con cinta de teflón durante el cierre. En esta configuración la parte pulida del silicio queda en contacto con el electrolito.
- + -
250 W
electrolito
portamuestras ventana
área expuesta electrodos tapa portamuestras
junta de goma muestra
electrodo de cobre
electrodo
Figura 2. 3. Esquema del portamuestras y la celda electroquímica empleados para la obtención del silicio poroso
41 En una reacción electroquímica se requieren al menos dos electrodos. Uno suministra electrones (el cátodo) y el otro los recoge de la disolución (el ánodo). Los electrodos mantienen la neutralidad de carga y cierran el circuito. En este caso el área expuesta de la muestra de silicio trabaja como ánodo, mientras, uno de los electrodos de platino se encarga de suministrar los electrones que inducen la reducción de los protones a hidrógeno (gas). Se emplean tres electrodos cuando de manera simultánea se requiere medida de la corriente y del potencial de la reacción electroquímica.
El ataque electroquímico se realizó conectando los electrodos a un potenciostato/galvanostato EG&G Princeton Applied Research Model 263, controlado por un ordenador. A través del software se controlan el tiempo y la corriente aplicada.
También es posible la producción de multicapas, alternando la corriente aplicada. En todos los casos el ataque se ha realizado a corriente constante. Además se ha empleado una lámpara halógena de 250 W para iluminar la muestra durante el proceso. Este paso es fundamental si se trabaja con Silicio tipo n [115], y recomendado en la literatura para el Silicio tipo p, por mejorar la homogeneidad.
Se han fabricado muestras con distinta porosidad variando la densidad de corriente suministrada desde 10 hasta 80mA/cm2, y empleando un electrolito compuesto por ácido fluorhídrico (48% en peso) y etanol absoluto, en una proporción volumétrica 1:1, en todos los casos.
2.2.2. Depósito de láminas delgadas de TiN
La técnica de pulverización catódica, más conocida por su término inglés sputtering, pertenece a las técnicas PVD (Physical Vapor Deposition), es una de las técnicas más utilizadas para la deposición en lámina delgada desde los años 70.
El proceso de sputtering se basa en el bombardeo intenso de un blanco con iones energéticos (Ar+ generalmente) generados en una descarga eléctrica. A través del intercambio de momentos cinéticos entre la superficie de un blanco y los iones, se desprenden átomos del blanco que pasan a fase vapor [116].
De las distintas configuraciones que existen, [13], [117], la variedad sputtering magnetrón planar ha sido la utilizada en esta Tesis. Una combinación de campos
42
eléctrico (DC) y magnético (imanes permanentes) se encarga de producir la descarga que genera un plasma. Esto produce que los electrones describan órbitas helicoidales alrededor del campo magnético, aumentando la probabilidad de ionización y por tanto la corriente de descarga, de modo que se alcancen velocidades altas de deposición.
Parámetros de deposición de las láminas de TiN
Las láminas de TiN usadas en esta tesis fueron obtenidas por magnetrón reactivo en un sistema Ion Tech, disponible en el Departamento de Física Aplicada. La presión de deposición fue 0,2 Pa y una potencia de 300W DC fue aplicada al cátodo, que contiene un blanco de alta pureza de Ti (99,995%). La proporción de gases argón- nitrógeno fue de (Ar/N = 9/1). Para estabilizar la atmósfera y limpiar el sustrato se emplearon dos períodos de 30 minutos de pre-sputtering (obturador cubriendo el sustrato) con la mezcla de gases reactivos.
2.3. Técnicas de modificación y análisis con haces de iones
Para el desarrollo de este trabajo se han empleado haces de iones, con diferentes energías y masas, como doble herramienta: tanto en la modificación de materiales, técnicas conocidas como IBMM (Ion Beam Modification of Materials), como en la caracterización de muestras o IBA (Ion Beam Analysis).
Las máscaras empleadas durante la implantación son máscaras TEM comerciarles, fabricadas en cobre, de 3,05mm de diámetro, de Agar Scientific, UK. Para fijarlas sobre los sustratos se empleó CrystalbondTM. Este pegamento funde a unos 60ºC y se enfría rápidamente, evitando la difusión en el interior de la máscara.
En las siguientes secciones se describen las herramientas de simulación, las técnicas IBMM e IBA, así como los aceleradores de iones empleados en la presente tesis.
