sustratos de silicio poroso.

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE FACULTAD DE FÍSICA

INSTITUTO DE FÍSCA

Formación y transiciones de fase de bicapas lipídicas depositadas desde su fase de vapor sobre

sustratos de silicio poroso.

POR

NICOLAS H. MORAGA ALARCON

Tesis presentada al Instituto de Física de la Pontificia Universidad Católica de Chile para optar al grado académico de Magister en Física

Profesor Guía:

Comisión Informante:

Enero, 2020

Dr. Ulrich G. Volkmann

Dr. Roberto Rodríguez Dra. Griselda García

©2020, Nicolás H. Moraga Alarcón.

Se autoriza la reproducción total o parcial, con fines académicos, por cualquier medio o procedimiento, incluyendo la cita bibliográfica que acredita al trabajo y a su autor.

AGRADECIMIENTOS

Quisiera agradecer al profesor Dr. Ulrich Volkmann por su apoyo, paciencia y comprensión a lo largo de todos estos años.

Agradecer también a todo el equipo que ha sido parte de SURFLAB y colaboradores María Jose Retamal, Marcelo Cisternas, Diego Díaz, Rodrigo Catalán, Tomás Corrales, Sebastián Molina y Hugo Zelada por hacer del laboratorio un muy grato espacio.

Por la ayuda en la caracterización de los sustratos mediante el uso de FESEM, agradezco al proyecto Fondequip EQM150101.

TABLA DE CONTENIDOS

Agradecimientos……….. iii

INTRODUCCIÓN………. 7

CAPÍTULO 1………... 9

1.1 DPPC………. 9

1.2 Silicio Poroso……… 12

1.2.1 El óxido de silicio y su disolución en HF……… 13 1.2.2 Celda y reacciones electroquímicas y reacciones involucradas en la formación de silicio poroso……… 13

1.2.3 Mecanismos de disolución electroquímica y formación de poros………. 16

1.3 Elipsometría………... 19

1.4 Microscopía de Fuerza Atómica (AFM)……… 26

1.5 Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)……….. 30

CAPÍTULO 2 (Montaje y procedimiento experimental)………. 32

2.1 Celda electroquímica para fabricación de silicio poroso………. 32

2.2 Formación de sustratos de silicio poroso ………. 32

2.3 Limpieza de sustratos…….………... 34

2.4 Caracterización de sustratos mediante FESEM ………. 34

2.5 Elipsometro de muy alta resolución (VHRE)……….. 35

2.6 Montaje para la medición de Straylight……….. 36

2.7 Deposición física desde la fase de vapor del DPPC sobre el silicio poroso ……. 37

2.8 Hidratación de muestras………... 37

2.9 Caracterización de la bicapa lipídica formada tras la evaporación de DPPC sobre Sobre el silicio poroso mediante AFM……….. 37

CAPÍTULO 3 (Resultados y análisis)……… 39

3.1 Resultado de la caracterización de silicio poroso mediante FESEM………. 39

3.2 Resultado caracterización de muestras mediante AFM……….. 47

3.3 Resultado de caracterización de las muestras monitoreadas mediante elipsometría De muy alta resolución y registro de Straylight……….. 56

CAPÍTULO 4 (Conclusiones) ……….………. 77

ANEXO A: Elipsómetro de autocompensación de rápida respuesta……… 80

ANEXO B: Gráfico de variación de ángulo polarizador (δPº) v/s espesor de la película

depositada sobre el sustrato……… 82

Bibliografía………. 83

Introducción.

Desde décadas, el estudio de las bicapas lipídicas ha adquirido especial relevancia pues son éstas el mayor componente de las membranas celulares de casi todos los organismos vivos y virus. Las membranas celulares juegan un rol preponderante en la correcta interacción de la célula con su entorno al mediar el paso de iones a través de ella. Esta interacción es necesaria para garantizar la vida de la célula y por ende, la vida de la mayor parte de los organismos. Comprender su comportamiento en distintas condiciones nos permitirá tener el control para generar condiciones óptimas para la formación de membranas biomiméticas que repliquen el comportamiento de las membranas en los organismos vivos, pudiendo estudiarse en el laboratorio sin las limitaciones que éstos impondrían. De esta manera, se facilitaría el trabajo para comprender y manipular los procesos asociados a las membranas celulares lo que redundaría en soluciones a enfermedades generadas por el mal funcionamiento de ésta.

Hasta ahora, diversos han sido los estudios formando bicapas lipídicas sobre distintos tipos de sustratos como dióxido de silicio u oro o mica [1] [2] [3], pero siempre mediante la utilización de solventes, aunque sea en cantidades despreciables [4] . En el método pionero desarrollado en SurfLab UC, se logró eliminar por completo la utilización de solventes formando una bicapa lipídica sobre un sustrato de silicio monocristalino al cual previamente se le depositó una delgada película de quitosano, esto con el objeto de tener una matriz hidratante para la bicapa lipídica [5] . Este método ofrece la gran ventaja de ser compatible en trabajos dentro de clean rooms o salas limpias lo que le otorga un gran potencial aplicativo para la fabricación de nuevos bionsensores.

En este trabajo, utilizando el mismo método, se pretende eliminar la delgada película de

Éste ofrece la gran ventaja de ser receptivo al control tanto del diámetro de poros como de la porosidad al ser fabricado, permitiéndonos indagar cuáles son las condiciones óptimas para formar una bicapa lipídica estable, reteniendo la hidratación durante la mayor cantidad de tiempo.

En el primer capítulo de este escrito, se da a conocer el fosfolípido utilizado (DPPC) para formar las bicapas lipídicas, luego se describen los procesos involucrados en la formación de silicio poroso a partir de silicio monocristalino dopado, se continua describiendo las técnicas utilizadas en este trabajo: elipsometría, microscopía de fuerza atómica (AFM) y microscopía de barrido electrónico de emisión de campo (FESEM).

Para el segundo capítulo se detallan los parámetros y las condiciones a las cuáles se desarrolló el trabajo, aparte de describir los montajes utilizados. En el tercer capítulo se muestran, analizan y discuten los resultados obtenidos. Finalmente en el cuarto capítulo mencionamos algunas de las conclusiones más importantes que podemos extraer del análisis realizado.

Capítulo 1

1.1 DPPC (Dipalmitoilfosfatidilcolina)

La dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC) o dopalmitoil-lecitina es un fosfolípido utilizado frecuentemente para el estudio de liposomas, bicapas lipídicas y membranas biológicas.

Consta de una cabeza polar e hidrofílica, la cual tiene un grupo nitrogenado con carga positiva, y un cuerpo apolar hidrofóbico compuesto de 2 cadenas alifáticas de 16 carbonos (ver figura 1.1).

Figura 1.1.1 Estructura molecular del DPPC

Debido a que el DPPC y los fosfolípidos en general poseen en su estructura molecular esta cabeza hidrofílica y este cuerpo hidrofóbico; en presencia de medios acuosos las moléculas de DPPC pueden generar tres tipos de estructuras: las micelas, los liposomas y las bicapas lipídicas (ver figura 1.2). Las dos primeras estructuras se forman en soluciones, mientras que la última se forma sobre superficies hidratadas.

Figura 1.1.2 Las distintas estructuras formadas por los fosfolípidos en presencia de medios acuosos [6]

El estudio de las bicapas lipídicas es de fundamental importancia en el campo de la biología pues son el compuesto fundamental en la membrana celular de todos los organismos vivos y de muchos virus. Además de ser la delimitación de la célula funciona como una barrera semipermeable impidiendo la libre difusión de iones, proteínas y otras moléculas.

Una de las propiedades más importantes de las bicapas lipídicas se refiere a cómo cambia con la temperatura la movilidad relativa (fluidez) de las moléculas de lípidos individuales; lo que se conoce como el comportamiento de la fase de la bicapa.

Se distinguen generalmente cuatro fases de la bicapa lipídica (ver figura 1.2).

Figura 1.1.3 Esquema que muestra cómo se ordenan los fosfolípidos en las distintas fases de la bicapa lipídica [7].

En la fase cristalina 𝐿_𝑐 los fosfolípidos están completamente extendidas y se ordenan de forma paralela a la normal de la bicapa lipídica.

La fase gel 𝐿_𝛽′ es una variación de la fase cristalina debido al aumento de temperatura;

las cadenas de fosfolípidos siguen completamente extendidas pero esta vez presentando cierta inclinación con respecto a la normal de la bicapa que depende de la cabeza del grupo del ácido graso. Al estudiar esta estructura con fosfatidilcolina, se encuentra que la inclinación de estas bicapas es de 32° respecto a la normal de la bicapa [8].

Al aumentar la temperatura la bicapa lipídica entra en la fase ondulatoria 𝑃_𝛽′, que recibe este nombre por presentar ondulaciones en la superficie de la membrana [9].

En la fase fluida o líquida cristalina 𝐿_𝛼 las cadenas de fosfolípidos se desordenan conviviendo algunos fosfolípidos bien orientados y vesículas unilamelares y mutilamelares [10] [11].

Los rangos de temperaturas a las cuales la bicapa lipídica alcanza dichas fases pueden verse en la tabla 1.1

Fases Lc – Lβ’ Lβ’ – Pβ’ Pβ’ - Lα

Lα - Fluida desordenada T° trans. Según [K]

Fox et al. [12] 295 308,4 314,6 -

Wiacek et al. [13] 295 306-307 314 326-333 Leonenko et al. [14] 295 308-309 315-325 326-333

Duncan et al.[15] 295 - 314 328

Marrink et al.[16] 295 307 315 -

Tabla 1.1 Temperatura a la cual las bicapas lipídicas presentan

transiciones de fase. Originalmente las temperaturas fueron dadas en (º) [5]

1.2 Silicio poroso.

El silicio poroso es un material nanoestructurado formado mediante la anodización electroquímica de silicio monocristalino sumergido en una disolución de ácido fluorihídrico. Fue descubierto accidentalmente alrededor de 1950 en Bell Laboratories cuando el matrimonio Uhlirs, pretendiendo desarrollar un método electroquímico para pulir y dar forma a la superficie de silicio, notó que bajo ciertas condiciones electroquímicas, finos agujeros aparecían sobre la superficie del silicio, propagándose principalmente en la dirección <100> en el wafer. Este resultado fue reportado en las notas técnicas del Bell Laboratories [17].

1.2.1 El óxido de silicio y su disolución en HF.

En presencia de aire o agua el silicio reacciona espontáneamente, formándose capas de óxido de silicio (𝑆𝑖𝑂₂) sobre su superficie. Debido a que el 𝑆𝑖𝑂₂es un aislante eléctrico, se hace necesario para la formación de silicio poroso un aditivo en la solución que disuelva el óxido y permita que ocurra el proceso de anodización electroquímica. El enlace Si-F es el único enlace más fuerte que el Si-O, de esta manera, en presencia de HF acuoso, el óxido de silicio 𝑆𝑖𝑂₂ espontánemanete se disuelve en el dianión hexafluorosilicato 𝑆𝑖𝐹₆²⁻ de acuerdo con la siguiente ecuación.

𝑆𝑖𝑂₂+ 6𝐻𝐹 → 𝑆𝑖𝐹₆²⁻+ 2𝐻⁺+ 2𝐻₂𝑂

El dianión hexafluorosilicato es estable y altamente soluble en agua, por lo que durante la reacción electroquímica, actúa como el aditivo que disuelve las capas de óxido, permitiendo que la reacción electroquímica (y la anodización del silicio) continúe.

1.2.2 Celda y reacciones electroquímicas involucradas en la formación del silicio poroso.

Para que se forme el silicio poroso debe haber una reacción electroquímica. Para que esto ocurra, es necesario contar con dos electrodos, uno que provea electrones a la solución (el cátodo), se dice que en este electrodo ocurre la semirreacción de reducción (ceder electrones); y el otro que remueva los electrones de la solución (el ánodo), se dice que en este electrodo ocurre la semirreacción de oxidación (captar electrones), de manera que se mantenga la neutralidad de la carga y se complete el circuito.

Para el caso del silicio poroso, se utiliza una celda de dos electrodos actuando como cátodo un delgado alambre de platino en el que ocurre la reducción, principalmente de protones a gas hidrógeno. El ánodo es el silicio mismo y en él ocurre la reacción de

electrodo de trabajo (working electrode), mientras que para este trabajo, el alambre de platino se denomina el electrodo auxiliar (counter electrode).

Figura 1.2.1 Esquema de una celda de dos electrodos utilizada para hacer silicio poroso. El ánodo es el silicio mismo y de cátodo se utiliza un alambre de platino. Figura adaptada de [18]

Dependiendo de la densidad de corriente y el potencial utilizado en la reacción electroquímica, pueden ocurrir dos reacciones distintas, la oxidación electroquímica de 4 electrones o la oxidación electroquímica de 2 electrones del silicio. Estas reacciones llevan a que haya o un electropulimento o que se formen los poros sobre la superficie del silicio respectivamente. La forma general de la curva de la densidad de corriente aplicada v/s el potencial, mostrando los regímenes para los cuales se obtiene cada resultado puede ser visto en la figura 1.2.2.

Figura 1.2.2 Curva de densidad de corriente aplicada v/s el potencial en la reacción electroquímica de silicio moderadamente dopado tipo p en una solución de un 1% de HF.

Información extraída de Zhang, X. G. “Morphology and Formation Mechanisms of Porous Silicon”. J. Electrochem. Soc. [19]

Para que se forme el silicio poroso, por tanto debe ocurrir la oxidación de 2 electrones del silicio, proceso que se representa en dos pasos en las ecuaciones.

𝑃𝑎𝑠𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑞𝑢í𝑚𝑖𝑐𝑜: 𝑆𝑖 + 2𝐹⁻+ 2ℎ⁺ → [𝑆𝑖𝐹₂] 𝑃𝑎𝑠𝑜 𝑞𝑢í𝑚𝑖𝑐𝑜: [𝑆𝑖𝐹₂] + 4𝐹⁻+ 2𝐻⁺ → 𝑆𝑖𝐹₆²⁻+ 𝐻₂

𝑁𝑒𝑡𝑜: 𝑆𝑖 + 6𝐹⁻+ 2𝐻⁺+ 2ℎ⁺ → 𝑆𝑖𝐹₆²⁻+ 𝐻₂

1.2.3 Mecanismos de disolución electroquímica y formación de poros.

En el control de la formación de poros sobre el silicio influyen factores eléctricos y químicos discutidos en detalle en [20]. Los parámetros incluyen la composición de electrolito, tipo y concentración de dopaje, voltaje y densidad de corriente aplicada, temperatura e intensidad de luz. En esta sección veremos cómo influye el dopaje y la concentración de éste en el sustrato de silicio en la formación de poros. La morfología resultante del silicio poroso debido al dopaje y su concentración se debe a los distintos mecanismos en la formación de poros explicados a continuación y mostrados en la figura 1.2.3.

Figura 1.2.3 Representación esquemática de los principales mecanismos de formación de poros. a) Estabilidad de las caras cristalográficas en la dirección <111> b) Campos eléctricos aumentados en la punta de los poros (en el fondo) c) transporte limitado de carga espacial d) resistencia de delgados almbres de Si respecto a la solución e) confinamiento cuántico y f) crecimiento de óxido debido a la falta de F^-. Figura adaptada de [18].

La cara cristalográfica en la dirección <100> contiene enlaces flexionados de Si-H y tiende a ser más propenso a la disolución que otras direcciones. Por otro lado, las caras en la dirección <111> contiene enlaces Si-H que son perpendiculares a la superficie y

El alto radio de curvatura del fondo de los poros genera una región de mayor campo eléctrico que atrae huecos desde la banda de valencia ( b) en la figura 1.2.3

El transporte limitado de carga ( c) figura 1.2.3 se debe a la región de agotamiento que se produce por el doblamiento de bandas en la interface silicio/electrolito. La región se incremente a medida que disminuye la densidad de dopante, siendo el mecanismo principalmente determinante en la formación de macroporos para Si tipo n con bajo dopaje.

A medida que disminuye el diámetro de un filamento de silicio su resistencia al transporte de huecos en la banda de valencia se incrementa. A un diámetro crítico del filamento ( unos cuántos nm para un silicio tipo p) la inyección de huecos a la solución llega a ser más favorable y los huecos dejan de propagarse a lo largo del alambre. Este es el mecanismo responsable de la falta de disolución electroquímica de una capa de microporos una vez formada. ( d) en la figura 1.2.3)

Los huecos quedan excluidos de las regiones más pequeñas de silicio poroso ( e) en la figura 1.2.3) debido al gap incrementado en la banda por efecto de confinamiento cuántico [21].

Si no hay iones fluoruros disponibles en la interface silicio/solución, se forma óxido de silicio en la interface. Los huecos de la banda de valencia quedan excluidos de esta región y oxidan otras regiones de la interface silicio/ silicio poroso, esto causa que el poro se ensanche en su fondo y como ultima consecuencia desprenda la capa de silicio poroso.

La tabla muestra el tipo de poros obtenidos y los principales mecanismos por los cuales se forman para silicios con distinto tipo de dopaje.

Tipo de poro

Tipo de silicio

Principales Mecanismos de formación de poros

Microporo p

Selectividad de cara cristalográficas a), campo eléctrico aumentado b),

tunelaje d), confinamiento cuántico e) Mesoporo p+,p++,n+ Campo eléctrico aumentado b), tunelaje d) Macroporo n Carga espacial limitada c)

Tabla 1.2 Tipo de poro y principales mecanismos por los que se forman con sustratos de distinto tipo y nivel de dopaje. Los sobreíndices “+” y “++” corresponden al nivel de dopaje del silicio. A “+” le corresponden valores de resistividad de 0.1-0.01Ωcm, “++” corresponde a 0.01- 0.001Ωcm o menos.

En este trabajo se utilizan silicio dopados con Boro, con resistividad 0.01-0.02Ωcm, lo que corresponde a silicios tipo p [22], [23]

1.3 Elipsometría

Cualquier estado de polarización de una onda electromagnética, se lo puede representar convenientemente superponiendo dos ondas electromagnéticas de igual frecuencia.

𝐸⃗ (𝑟 , 𝑡) = (|𝐸_𝑝| cos(2𝜋𝜈𝑡 − 𝑘⃗ ∙ 𝑟 + 𝛿_𝑝)

|𝐸_𝑠| cos(2𝜋𝜈𝑡 − 𝑘⃗ ∙ 𝑟 + 𝛿_𝑠))

Para la representación del estado de polarización escribiremos los llamados vectores de Jonas que solo requieren las amplitudes y las fases de las ondas. La dependencia temporal no es necesario considerarla. La representación en vector de Jonas es como sigue

𝐸⃗ = (|𝐸_𝑝|𝑒^𝑖𝛿𝑝

|𝐸_𝑠|𝑒^𝑖𝛿𝑠) = (𝐸_𝑝 𝐸_𝑠)

La onda electromagnética estará linealmente polarizada si 𝛿_𝑝− 𝛿_𝑠 = 0 o 𝛿_𝑝− 𝛿_𝑠 = 𝜋, elípticamente polarizada si 𝛿 ≠ 𝛿 y |𝐸 | ≠ |𝐸 | y circularmente polarizada para el

caso especial de 𝛿_𝑝− 𝛿_𝑠 = 𝜋/2 y |𝐸_𝑝| = |𝐸_𝑠|. Los estados de polarización se encuentran resumidos en la figura 1.3.1

Figura 1.3.1 Representación de Jones de la polarización de la luz, en la que se puede representar cualquier estado como la superposición de dos estados linealmente polarizados ortogonales entre sí. [24]

Para estudiar el cambio en el estado de polarización de una onda electromagnética al incidir sobre una muestra se utiliza la descripción matemática utilizando el sistema de referencia del laboratorio definido por el plano de incidencia, definido por la dirección de propagación del haz y por la normal a la superficie. Se define el vector 𝑝̂ como el vector unitario a la largo de la dirección de la normal a la superficie y el vector 𝑠̂ como el vector unitario a lo largo de la dirección de la normal al plano de incidencia (ver figura 1.3.2)

Figura 1.3.2 Representación de la reflexión de la luz sobre una muestra mostrando la convención utilizada para el vector 𝑝 perpendicular al plano de la muestra y el vector 𝑠 perpendicular al plano de incidencia.[24]

Llamamos a 𝑝̂ y 𝑠̂, los vectores propios de polarización del medio isotrópico, pues ondas electromagnéticas linealmente polarizadas a lo largo de estas direcciones, no experimentan un cambio en el estado de polarización después de la reflexión. Se representan el haz incidente y el haz reflejado mediante el formalismo de los vectores de Jones, como sigue

𝐸⃗ _{𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒} = (|𝐸_𝑝^𝑖|𝑒^{𝑖𝛿𝑝𝑖}

|𝐸_𝑠^𝑖|𝑒^{𝑖𝛿𝑠𝑖}) 𝐸⃗ _{𝑟𝑒𝑓𝑙𝑒𝑗𝑎𝑑𝑎} = (|𝐸_𝑝^𝑟|𝑒^{𝑖𝛿𝑝𝑟}

|𝐸_𝑠^𝑟|𝑒^{𝑖𝛿𝑠𝑟})

Se definen ∆ y 𝛹 para describir cómo cambia el estado de polarización después de la reflexión.

∆= (𝛿_𝑝^𝑟− 𝛿_𝑠^𝑟) − (𝛿_𝑝^𝑖 − 𝛿_𝑠^𝑖)

tan 𝛹 =|𝐸_𝑝^𝑟| |𝐸⁄ _𝑝^𝑖|

|𝐸_𝑠^𝑟| |𝐸⁄ _𝑠^𝑖|

Tratamos por separado las reflexiones en las direcciones 𝑝̂ y 𝑠̂ teniendo en consideración que dos haces perpendiculares no influyen entre sí, insertamos entonces los coeficientes de reflexión de la muestra siguiendo el formalismo de Jones

𝑟_𝑝 =|𝐸_𝑝^𝑟|

|𝐸_𝑝^𝑖|𝑒^{𝑖(𝛿𝑝𝑟−𝛿𝑝𝑖)} 𝑟_𝑠 =|𝐸_𝑠^𝑟|

|𝐸_𝑠^𝑖|𝑒^{𝑖(𝛿𝑠𝑟−𝛿𝑠𝑖)}

Con las definiciones hechas se obtiene la ecuación básica de elipsometría que relaciona las cantidades 𝛹 y ∆ con las propiedades reflectivas de la muestra (coeficientes de reflexión)

tan 𝛹 ∙ 𝑒^𝑖∆ = 𝑟_𝑝

𝑟_𝑠 = 𝜌 = ℜ(𝜌) + 𝑖ℑ(𝜌)

Un elipsómetro típico en configuración PCSA está compuesto por un polarizador, compensador, la muestra, un analizador y el detector, tal como se muestra la figura 1.3.3

Figura 1.3.3 Elipsómetro en configuración PCSA (Polarizador, compensador, muestra, analizador)[24]

Para comprender cómo desde este montaje, se pueden obtener los ángulos elipsométricos ∆ y 𝛹, utilizaremos el formalismo de Jones representando mediante matrices de 2x2 el efecto que cada componente óptica genera en el haz incidente.

(𝐸_𝑥 𝐸_𝑦)

𝐽𝑎

= (𝑇₁₁ 𝑇₁₂ 𝑇₂₁ 𝑇₂₂)^𝐽(𝐸_𝑥

𝐸_𝑦)

𝐽𝑒

= 𝐓^𝐽𝐸⃗ ^𝐽𝑒

El sobreíndice 𝐽 hará referencia a la componente y los superíndices 𝑒 y 𝑎 refieren al haz antes de incidir con la componente óptica y después de pasar por la componente óptica respectivamente. Con el objeto de trabajar con matrices de transformación diagonales, se utilizan sistemas de coordenadas distintos para cada componente óptica incluyendo la muestra. Los ejes utilizados para el sistema de coordenadas y las matrices resultantes para cada componente se enlistan en la tabla 1.3.

Componente óptica Sistema de coordenadas Matriz de Jones

Polarizador 𝑡_𝑃= eje de transmisión 𝑒_𝑃= eje de extinción

𝐓^𝑃 = (1 00 0)

Compensador 𝑠_𝑐= eje lento 𝑙_𝑐= eje rápido

𝐓^𝐶 = (1 0 0 𝜌_𝑐) Con 𝜌_𝑐 = 𝑡_𝑐𝑒^𝑖𝛿𝑐 =^|𝐸_|𝐸^{𝑠𝐶𝑎|}

𝑙𝐶𝑎|𝑒^{𝑖(𝛿𝑠−𝛿𝑙)} Muestra 𝑝= paralelo al plano de

incidencia

𝑠= perpendicular al plano de incidencia

𝐓^𝑆 = (𝑟_𝑝 0 0 𝑟_𝑠)

Analizador 𝑡_𝐴 = eje de transmisión 𝑒_𝐴 = eje de extinción

𝐓^𝐴 = (1 00 0)

Tabla 1.3 Se muestra cómo opera cada componente sobre el haz en la representación de Jones.

Las matrices son diagonales al considerar el sistema de coordenadas señalado en la tabla.

Las matrices diagonales son solo válidas para el sistema de coordenadas del componente. Para el caso en que los ejes principales de la componente formen un cierto ángulo α con respecto al plano de incidencia se requiere una matriz de rotación 𝐑(𝛼).

𝐸⃗ _𝑥𝑦^𝐽+1,𝑒= 𝐑(𝛼)𝐸⃗ _𝑥𝑦^𝐽,𝑎 𝑐𝑜𝑛 𝐑(𝛼) = ( cos 𝛼 sin 𝛼

− sin 𝛼 cos 𝛼)

Llamamos P,C y A a los ángulos formados entre el plano de incidencia y los ejes principales del polarizador, compensador y analizador respectivamente. De esta manera, podemos describir 𝐸⃗ que llega al detector en función del montaje de todas las componentes ópticas, incluida la muestra, del elipsómetro.

𝐸⃗ _𝑒^𝐴,𝑎_𝐴𝑡𝐴 = 𝐓^𝐴𝐑(𝐴)𝐓^𝑆𝐑(−𝐶)𝐓^𝐶𝐑(𝐶 − 𝑃)𝐸⃗ _𝑒^𝑃,𝑎_𝑃𝑡𝑃

De la ecuación, vemos que luz linealmente polarizada sale desde el polarizador en su sistema de referencia, luego es rotada al sistema de coordenadas del compensador mediante 𝐑(𝐶 − 𝑃) para ver como transforma el estado de polarización del haz el compensador mediante 𝐓^𝐶, luego rotamos el haz al sistema de coordenadas de la muestra mediante 𝐑(−𝐶) para saber cómo cambia la muestra el estado de polarización mediante 𝐓^𝑆 luego rotamos el haz en el sistema de coordenadas del analizador mediante 𝐑(𝐴) para ver cómo actúa esta componente en el estado de polarización mediante 𝐓^𝐴. El vector 𝐸⃗ _𝑒^𝐴,𝑎_𝐴𝑡𝐴 que llega al fotodetector, después de realizar la multiplicación, queda como:

𝐸⃗ _𝑒^𝐴,𝑎_𝐴𝑡𝐴 = (𝐸⃗ _𝑡

𝐴 𝐴,𝑎

0 ) = (10) 𝛾𝐸_𝑡^𝑃,𝑎_𝑃 {Ω₁+ Ω₂}

Con Ω₁ = 𝑟_𝑝cos 𝐴 [cos 𝐶 cos(𝐶 − 𝑃) − 𝜌_𝑐sin 𝐶 sin(𝐶 − 𝑃)] y Ω₂ = 𝑟_𝑠sin 𝐴 [sin 𝐶 cos(𝐶 − 𝑃) − 𝜌_𝑐cos 𝐶 sin(𝐶 − 𝑃)] y 𝛾 cuantificando la atenuación de la intensidad de la luz. La intensidad que llega al detector será proporcional a

𝐼 ∝ |𝐸⃗ _𝑒^𝐴,𝑎_𝐴𝑡𝐴|²

Para el caso específico de elipsometría de señal nula, el arreglo de todas las componentes se realiza de manera tal que la intensidad que llega al detector se anula.

Para esto, se requiere que el término {Ω₁+ Ω₂} sea cero. Se puede escoger un estado de polarización elíptica que al reflejarse sobre la muestra, pase a ser un estado linealmente polarizado, pudiendo extinguirse la señal completamente mediante el analizador. De esta manera, para 𝐼 = 0 se cumple que:

tan 𝛹 𝑒^𝑖∆= 𝑟_𝑝

𝑟_𝑠 = − tan 𝐴 tan 𝐶 + 𝜌_𝑐tan(𝐶 − 𝑃) 1 − 𝜌_𝑐tan 𝐶 tan(𝐶 − 𝑝)

Se puede simplificar la ecuación si en lugar del compensador se trabaja con un 𝜆/4 de alta precisión (𝑡_𝑐 = 1, 𝛿_𝑐 =^𝜋₂ → 𝜌_𝑐 = −𝑖) y fijando el ángulo que forma su eje rápido en 𝐶 = ±45º. Las ecuaciones simplificadas quedan:

tan 𝛹 𝑒^𝑖∆ =𝑟_𝑝

𝑟_𝑠 = tan 𝐴₀𝑒𝑥𝑝 [𝑖 (2𝑃₀+𝜋

2)] 𝑠𝑖 𝐶 = −45º tan 𝛹 𝑒^𝑖∆ =𝑟_𝑝

𝑟_𝑠 = −tan 𝐴₀𝑒𝑥𝑝 [𝑖 (𝜋

2− 2𝑃₀)] 𝑠𝑖 𝐶 = 45º

La ecuación establece la relación de los ángulos ∆ y 𝛹 y los ángulos 𝑃₀ y 𝐴₀ para los cuales la señal que llega al detector se anula. Lo mismo ocurrirá para los ángulos 𝑃̃₀ = 𝑃₀ + 90º y 𝐴̃₀ = 180º − 𝐴₀.

1.4 Microscopía de fuerza atómica (AFM).

Un microscopio de fuerza atómica (Atomic Force Microscopy AFM) es un instrumento que permite estudiar la topografía de muestras haciendo uso de la medición de fuerzas entre átomos y/o moléculas cercanos. Para realizar esto, la muestra es escaneada y se registra la fuerza de interacción entre la punta de un cantiléver flexible y la propia muestra. Típicamente, las puntas de los cantiléver son de unos cuántos micrones de largo acabando en una forma piramidal o cónica con un radio de curvatura menor a 10nm, que es el que determina la calidad y resolución de la imagen (ver figura 1.4.1)

Figura 1.4.1 Representación de un cantiléver de AFM sondeando la topografía de la muestra por medio de la interacción entre la punta de éste y los atómos y/o moléculas de la muestra cercanas a ésta. [25]

Dependiendo de si la interacción entre la punta del cantiléver y la muestra es atractiva o repulsiva, el cantiléver experimentará una deflexión acercándose a la muestra o alejándose de ésta. Para detectar la deflexión del cantiléver, se refleja un haz de un laser desde la parte trasera del cantiléver hacia un fotodetector de cuatro cuadrantes. A medida que la deflexión del cantiléver ocurre, el ángulo de reflexión del láser cambia lo que produce que la posición a la cual llega el láser al fotodetector cambie también. Se comparan las señales que llegan a los cuatros cuadrantes para calcular la señal de la deflexión (ver figura 1.4.2).

Figura 1.4.2 Esquema que muestra cómo cambia el punto al cual llega la señal del láser proveniente de la reflexión en el reverso cantilever, en el detector de cuatro cuadrantes, a medida que el láser se deflecta producto de la interacción con los atomos y/o moléculas de la muestra.[25]

La medición de la fuerza sobre el cantiléver se realiza mediante la ley de Hooke (ver la figura 1.4.3). La constante elástica típica de los cantiléver va desde los ~0.005N/m a 40N/m.

Figura 1.4.3 Representación de como la deflexión del cantiléver puede ser tratada mediante la ley de Hooke.[25]

Modos de imagen.

En el modo imagen la punta del cantiléver barre la superficie de la muestra en el plano que llamaremos plano X-Y. La deflexión producida en el cantiléver debido a las fuerzas interatómicas entre los átomos de la punta y la superficie de la muestra es registrada y la señal es introducida en un circuito de retroalimentación. El circuito de retroalimentación controla un actuador piezoeléctrico que ajusta la altura de la punta con respecto a la muestra (eje Z) de manera que se mantenga constante algún valor introducido por el operador, dependiendo de qué tipo de modo de imagen se escoja. Existen diferentes modos de obtener la topografía de la muestra, dependiendo de qué es lo que se utiliza referencia.

- Modo contacto. En este modo de imagen, se establece una fuerza constante entre la punta del cantiléver y la muestra a medida que es escaneada. La señal de retroalimentación viene de la deflexión del cantiléver. Para este tipo de escaneo, generalmente de utilizan cantiléver con baja constante elástica.

Figura 1.4.4 Representación de la punta del cantiléver recorriendo la muestra en modo contacto[25]

- Modo de contacto intermitente. En este modo de imagen, la punta del cantiléver no está en contacto con la muestra la mayor parte del tiempo y por tanto, las fuerzas laterales que la punta del cantiléver pueda ejercer sobre la muestra, hacen

como moléculas que no estén firmemente sujetas a su superficie, sin que sean arrastradas durante el escaneo. En este modo de escaneo, durante todo el barrido, la punta oscila con valores cercanos a su frecuencia de resonancia. En este modo de escaneo, la señal de retroalimentación viene de la amplitud de oscilación del cantiléver, la cual se intenta mantener constante durante el barrido. Mientras mayor tienda a ser la amplitud de oscilación, menor será el amortiguamiento de la muestra y por ende, mayor es la fuerza de interacción entre la superficie de la muestra y la punta del cantiléver, enviando la señal para el movimiento del actuador piezoeléctrico.

Figura 1.4.5 Representación de la punta del cantiléver recorriendo la muestra. Durante la mayor parte del escaneo, la punta no hace contacto con la superficie de la muestra.[25]

- Modo no contacto. En este modo de barrido, el cantiléver vibra, sin tocar la muestra, durante el escaneo a una frecuencia constante cercana a la frecuencia de resonancia de éste. Para este modo de escaneo, es necesario contar con cantiléver de alta constante de elasticidad, para evitar que la punta se deflecte en exceso y así evitar que llegue a hacer contacto con la muestra.

Figura 1.4.6 Representación de la punta del cantiléver recorriendo la muestra. La punta del cantiléver no realiza contacto con la muestra.[25]

1.5 Microscopía electrónica de barrido (SEM).

La microscopía electrónica de barrido (SEM por sus siglas en inglés Scanning Electron Microscope) es una técnica que produce imágenes en alta resolución de una muestra conductora utilizando la interacción electrón-materia.

En su funcionamiento, un haz de electrones acelerados por voltajes de van desde los 50 a 30000 V, se enfoca mediante lentes condensadoras y objetivas, las cuales reducen el tamaño del haz de manera que incida sobre la muestra un haz de electrones lo más pequeño posible para así obtener mayor resolución. Para que este pequeño haz de electrones barra la muestra se utilizan bobinas deflectoras.

De la interacción del haz con la muestra se generan electrones retrodispersados, electrones secundarios, electrones Auger y rayos X. El microscopio electrónico de barrido posee sensores para detectar los electrones retrodispersados y los electrones secundarios. Los primeros son los electrones de mayor energía y son los que

a la variación del número atómico de la muestra, se utilizan para observar los cambios en la composición química de ésta; los segundos son producidos por la emisión de electrones de valencia de la superficie de la muestra, son de baja energía (< 50 eV) de manera que solo logran salir los más superficiales proporcionando información de la topografía de la muestra.

Un microscopio electrónico de barrido común genera el haz de electrones mediante emisión termoiónica, un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM, Field Emission Scanning Electron Microscope) genera el haz mediante la emisión de electrones inducida por un campo electrostático. Este último, genera un haz de electrones más focalizado lo que mejora notablemente la resolución espacial.

Capítulo 2

Montaje y procedimiento experimental

2.1 Celda electroquímica para fabricación de silicio poroso.

Para fabricar los sustratos de silicio poroso, se utilizo una celda electroquímica de dos electrodos compuesta por: en la base, un plato de aluminio de 120mm de diámetro; sobre éste, un cilindro de teflón de 120mm de diámetro exterior, 70mm de diámetro interior en su parte superior y 50mm de diámetro interior en su parte más baja, el cual tiene la función de contener la solución de ácido fluorhídrico con etanol; sobre este cilindro va una tapa por cuyo centro va una eje giratorio terminando en forma de T invertida (todo compuesto de teflón), la que tiene por función impedir la formación de burbujas mientras la reacción electroquímica ocurre; rodeando al eje giratorio está el cátodo que es un alambre de platino de 99.9% de pureza y 0.05mm de diámetro.

La superficie de silicio que queda en contacto con la solución de ácido fluorhídrico etanol en esta celda es de 19.63cm²

La celda electroquímica se utiliza dentro de una bandeja de revelado de plástico que permita trabajar con ácido fluorhídrico.

Se utilizó una fuente de poder programable GW INSTEK modelo PS-3203.

2.2 Formación de sustratos de silicio poroso.

Para la formación de sustratos de silicio poroso, se utilizaron wafers de silicio dopados con Boro de resistividad 0.01-0.02 Ωcm (tipo p++), orientación de monocristales <100>.

Para la fabricación de sustratos de silicio poroso, se trabajó usando el siguiente protocolo:

- Antes de empezar, la celda electroquímica se colocó dentro de una bandeja de revelado, junto a está y sobre otra bandeja de revelado se colocaron los vasos precipitados plásticos que soportasen el HF, además de pipetas para luego extraer la mezcla. Todo este material se mantiene siempre dentro de una campana de ventilación, - Se pegó el wafer de silicio al centro del plato de aluminio utilizando tinta de plata. Se deja actuar la tinta de plata durante 30 minutos antes de empezar a trabajar.

- Luego de esto se utilizan apropiados implementos de seguridad que incluyen: delantal blanco de laboratorio, delantal plástico delgado que cubra hasta los brazos, delantal grueso de goma o plástico, guantes delgados, guantes gruesos de goma, lentes plásticos de protección y casco.

- Se realiza la mezcla de ácido fluorhídrico HF (48% concentración) con etanol Eth en proporciones de 2:3 volumen en un vaso precipitado plástico.

- Con el cilindro de teflón puesto encima de la superficie de silicio (el cual ya está pegado al plato de aluminio) se vacían 50ml de la mezcla de HF con Eth.

- Se conecta el plato de aluminio al terminal positivo de la fuente de poder y el alambre de platino al terminal negativo.

- En la fuente de poder programable se elige la corriente y se deja actuar por 3 minutos.

- Se destapa la celda electroquímica y mediante pipetas plásticas se extrae la mezcla vaciándola en otra botella de plástico destinada al ácido fluorhídrico ocupado.

- El sustrato se deja dentro de la campana por un espacio de 24 horas.

2.3 Limpieza de sustratos

Para la limpieza de sustratos de silicio poroso realizadas, éstas fueron sumergidas en un vaso precipitado con solución piraña, la cual consiste en 70% de ácido sulfúrico 𝐻₂𝑂₂ de 95%-96% de concentración y 30% de peróxido de hidrógeno de 30% de concentración;

luego de esto se calentó la mezcla a 90°C durante 30 minutos [26].

A continuación se extraen las muestras y se colocan en otro vaso precipitado con agua ultra pura al cual se le aplica un baño de ultrasonido durante 8 minutos. Terminado este proceso se vuelven a extraer las muestras colocándolas en un nuevo vaso precipitado con agua ultra pura al cual se le aplica ultrasonido durante 8 minutos.

Finalmente se extraen los sustratos y se almacenan en un vaso con agua ultra pura. Para su posterior uso, el exceso de agua se extrae con nitrógeno ultra puro a alta presión.

2.4 Caracterización de sustratos mediante FESEM

Los sustratos de silicio poroso fueron caracterizados con el FESEM del Instituto de Física de la Universidad Católica. La presión dentro de la cámara, fue menor a 2*10^-4Pa y el haz de electrones operó a 20.00kV. Los sustratos fueron analizados tanto en la superficie como en el canto de éstos. Con las imágenes obtenidas, se analizó mediante imageJ el diámetro promedio de poros y mediante la extensión de imagen, imagePor [26]se analizó la porosidad de los sustratos.

2.5 Elipsómetro de muy alta resolución (VHRE)

Para la medición del espesor de películas delgadas evaporadas sobre el sustrato se ocupó el elipsómetro de muy alta resolución de SURFLAB UC en la configuración de intensidad nula PCSA [27] . El láser utilizado es de He-Ne de longitud de onda de 6328 Å. El ángulo de incidencia se mantiene fijo en 60.5º. El diseño incluye una bobina Faraday y un amplificador Lock-In para que opere como un elipsómetro de autocompensación (autoextinción de la señal) de rápida respuesta [28]. La frecuencia de modulación utilizada es 752,6Hz.

Figura 2.4.1 Esquema del elipsómetro de muy alta resolución (VHRE) utilizado.

2.6 Montaje para medición de la intensidad de straylight.

Para la medición de la intensidad de straylight dispersada por la muestra, se utilizó un objetivo Edmund Din10/ 0,25 10x Mag dentro de un ensamblaje óptico que permitiese el movimiento vertical y lateral de éste, tal como se muestra en la figura. La intensidad de straylight captada pasa por una fibra óptica la cual va hacia un tubo fotomultiplicador Hamamatsu R928, estableciendo una diferencia de potencial de 700V entre el fotocátodo y el ánodo.

Figura 2.5.1 Montaje realizado para registrar la intensidad de straylight.

2.7 Deposición física desde la fase de vapor del DPPC sobre el silicio poroso

Para la formación de las muestras, dentro de una cámara de vacío a ~10^-6Torr se colocó

sus extremos apuntando en la dirección del sustrato, tal como lo muestra la figura.

Dentro de la celda, se coloca el DPPC en polvo. La celda es rodeada por una resistencia de 2Ω y se hace circular por ésta una corriente de 1.5A, alcanzando temperaturas de

~200ºC. El DPPC entra en su fase de vapor y sale eyectado hacia el sustrato. El cambio en el espesor óptico y en la intensidad de straylight se registran durante el proceso.

2.8 Hidratación muestras.

Al sacar las muestras de la cámara, después de la deposición, éstas eran hidrofóbicas en la parte en que se hallaba depositado el DPPC, por lo que al hidratarlas, se optó por echar 20µl de agua ultrapura en los bordes de las muestras (zonas sin DPPC e hidrofílicas) y 20 µl en el centro de éstas (zonas con DPPC, hidrofóbicas). Transcurridos 15 minutos se quita el sobrante de agua y se dejan pasar otros 15 minutos.

2.9 Caracterización de la bicapa lipídica formada tras la evaporación de DPPC sobre el silicio poroso mediante AFM

El instrumento ocupado para este procedimiento fue el microscopio de fuerza atómica de JPK modelo NanoWizard 3 que se aprecia en la figura 2.2, junto con su complemento el JPK Heating Cooling module que permite obtener datos de la muestra a distintas temperaturas.

Figura 2.7.1 Fotografía del AFM JPK NanoWizard 3 ocupado para caracterizar la bicapa lipídica formada sobre los sustratos de silicio poroso.

Una vez evaporado el DPPC sobre la muestra de silicio poroso PSi4, se procedió a hidratarla. Para realizar esto se colocó 15 microlitros de agua ultra pura sobre el porta muestras del JPK Heating Cooling module, sobre estos se colocó la muestra con la superficie que contenía el DPPC evaporado apuntando hacia arriba de manera que el agua entrase por los poros e hidratase desde abajo la capa de DPPC para formar la bicapa lipídica.

Una vez hidratada, se escanea la muestra en busca de zonas donde se pueda apreciar claramente concentraciones de DPPC, se toman imágenes topográficas de estas, y a su vez se realizan curvas de fuerza sobre estas zonas en que parece haber DPPC y zonas en donde parece no haber concentración alguna de este compuesto. Todo este proceso se

Capítulo 3

Resultados y análisis.

3.1 Resultados de la caracterización de sustratos de silicio poroso mediante FE- SEM

Los sustratos realizados se caracterizaron mediante FESEM, la presión al interior de la cámara de éste fue menor a 2*10^-4Pa y el haz de electrones operó a 20.00kV. Se vio la superficie de las muestras y el canto de éstas para calcular el diámetro promedio de poros, la porosidad y la profundidad de éstos. El diámetro promedio y la profundidad de los poros se calcularon utilizando imageJ. La porosidad de los sustratos se calculó utilizando la extensión de imageJ, imagePor [26].

Para los sustratos en que se usó una densidad de corriente de 8.81mA/cm² durante el etching, el diámetro promedio de poros fue de 11.5nm, la porosidad fue de 14.6% y la profundidad de la capa porosa, de 2.3μm.

Figura 3.1.1 Imagen FESEM de la superficie del sustrato realizado con una densidad de corriente de 8.81mA/cm² durante un etching de 3 minutos.

Figura 3.1.2 Imagen FESEM del canto del sustrato realizado con densidad de corriente de 8.81mA/cm² durante un etching de 3 minutos.

Para los sustratos en que se usó una densidad de corriente de 2.94mA/cm² durante el etching, el diámetro promedio de poros fue de 9.3nm, la porosidad fue de 11.6%. No fue posible observar el canto del sustrato.

Figura 3.1.3 Imagen FESEM de la superficie del sustrato realizado con una densidad de corriente de 2.94mA/cm² durante un etching de 3 minutos.

Para los sustratos en que se usó una densidad de corriente de 1.47mA/cm² durante el etching, el diámetro promedio de poros fue de 8.3nm, la porosidad fue de 9.4%. No fue posible observar el canto del sustrato.

Figura 3.1.4 Imagen FESEM de la superficie del sustrato realizado con una densidad de corriente de 1.47mA/cm² durante un etching de 3 minutos.

Para los sustratos en que se usó una densidad de corriente de 0.24mA/cm² durante el etching, el diámetro promedio de poros fue de 7nm, la porosidad fue de 8.5%. y la profundidad de la capa porosa fue de 0.8 μm.

Figura 3.1.5 Imagen FESEM de la superficie del sustrato realizado con una densidad de corriente de 0.24mA/cm² durante un etching de 3 minutos.

Figura 3.1.6 Imagen FESEM del canto del sustrato realizado con densidad de corriente de 0.24mA/cm² durante un etching de 3 minutos.

El diámetro promedio de poros, la porosidad, el espesor de la capa porosa obtenida en relación a la densidad de corriente utilizada, se resume en la siguiente tabla.

Densidad de corriente

(ma/cm²)

Tiempo de

reacción (minutos)

Diámetro promedio de poros (nm)

Porosidad (%) Espesor de la capa porosa (μm)

8.81 3 11.5 14.6 2.3

2.94 3 9.3 11.6 -

1.47 3 8.3 9.4 -

0.24 3 7 8.5 0.8

Tabla 3.1 Diámetro de poros, porosidad y espersores de la capa porosa obtenida en los sustratos en función de la densidad de corriente y el tiempo de reacción empleados.

3.2 Resultados caracterización de muestras mediante AFM.

Una vez realizadas las muestras, éstas fueron caracterizadas mediante AFM en tapping mode. Solo se pudo caracterizar muestras en las que se ocuparon sustratos de 7nm de diámetro promedio y 8.5% de porosidad. Para el resto de los sustratos, las caracterizaciones presentaron artefactos de punta atribuibles al daño que la punta del cantilever sufría al ingresar a los poros en zonas donde no había DPPC depositado.

La muestra fue analizada sin hidratar (ver figura 3.2.1)

Figura 3.2.1 Imagen de la topografía (AFM) de la superficie de 120Å de DPPC depositado mediante PVD sobre un sustrato de 7nm de diámetro promedio, 8.5% de porosidad y 800nm de profundidad de capa porosa.

La muestra es hidratada usando el método descrito en la sección 2.2 y es caracterizada nuevamente (ver figura 3.2.2).

Figura 3.2.2 Arriba, imagen de la topografía (AFM) de la superficie de una muestra hidratada de 120Å de DPPC depositado mediante PVD sobre un sustrato de 7nm de diámetro promedio, 8.5% de porosidad y 800nm de profundidad de capa porosa. Abajo, la diferencia en alturas

De la figura 3.2.2 se observa claramente el cambio en la topografía una vez hidratada la muestra. Se presentan “mesetas”. Al considerar la altura de éstas y teniendo en cuenta la altura de la bicapa lipídica registrada [[29]] [11], creemos que una vez hidratadas las muestras, se forman bicapas y monocapas sobre otras bicapas y/o monocapas lipídicas.

Posteriormente se realizó una rampa de temperatura sobre ésta muestra, iniciando desde los 33ºC hasta llegar a los 65ºC (Ver figura 3.2.3). El tiempo transcurrido entre cada imagen obtenida de la figura 3.2.1 fue de 10 minutos.

Figura 3.2.1 Imágenes de la topografía (AFM) de la superficie de una muestra hidratada de 120Å de DPPC depositado mediante PVD sobre un sustrato de 7nm de diámetro promedio, 8.5% de porosidad y 800nm de profundidad de capa porosa sometida a una rampa de temperatura. Abajo, de las imágenes, la diferencia en alturas medida en los cortes transversales realizados a lo largo de las rectas rojas y negras.

Se puede apreciar que a medida que aumenta la temperatura, las zonas cubiertas por bicapas y/o monocapas de DPPC disminuyen. Además, se puede observar desde los 321K (imagen e) de la figura 3.2.1) un “surco” cruzando verticalmente la muestra, el cual pertenece al sustrato de silicio poroso utilizado, el cual se hace cada vez más notorio, lo que nos señalaría que a medida que la temperatura aumenta, los fosfolípidos no mantienen su configuración de bicapa lipídica en fase gel o ripple y tienden a esparcirse a lo largo de todo el sustrato (dejándolo más visible) en las fases líquida ordenada y líquida desordenada.

A continuación se coloca la muestra a una temperatura de 308K dejando operar el AFM con el objeto de registrar el tiempo que tarda la bicapa lipídica en reensamblarse. El

tiempo transcurrido entre la imagen j) de la figura 3.2.1 y la imagen a) de la figura 3.2.2 fue de 14 minutos, transcurridos 7 minutos, se obtiene la imagen b) de la figura 3.2.2;

luego de 50 minutos, manteniendo la temperatura a 308K, se obtiene la imagen c). El tiempo que transcurre entre el resto de las imágenes es de 15 minutos.

Figura 3.2.1 Imágenes de la topografía (AFM) de la superficie de una muestra hidratada de 120Å de DPPC depositado mediante PVD sobre un sustrato de 7nm de diámetro promedio, 8.5% de porosidad y 800nm de profundidad de capa porosa sometida a una rampa de temperatura. Abajo, de las imágenes, la diferencia en alturas medida en un corte transversal a lo largo de la recta verde.

De las imágenes de la figura 3.2.1 se pudo observar un reensamblaje de la bicapa lípidica a medida que descendemos la temperatura. Se pudo registrar también que el tiempo que tarda la bicapa en cambiar de fase durante el incremento de temperatura es menor en comparación al tiempo que tarda en cambiar de fase durante el descenso de temperatura.

3.3 Resultados caracterización de las muestras monitoreadas mediante elipsometría de muy alta resolución y registro de intensidad de Straylight.

A medida que las películas delgadas de DPPC se depositaban sobre los sustratos, se fue registrando el cambio en el ángulo del polarizador δP y la intensidad del Straylight. (Ver figura 3.3.1)

Figura 3.3.1 Crecimiento de películas delgadas de DPPC sobre sustratos de silicio poroso de a) 11.5nm de diámetro promedio, 14.6% de porosidad y profundidad de 2.3 μm; b) 9.3nm de diámetro promedio, 11.6% de porosidad y profundidad de 2.3 μm; c) 8.3nm diámetro de poros y 9.4% de porosidad y d) 7nm de diámetro promedio de poros y 8.5% de porosidad. Los cambios abruptos en la curva de δP corresponden a cambios manuales que se realizaron al ángulo del polarizador, introducidos como medida de precaución para que el circuito de retoalimentación descrito en capitulo 2.4 puede operar con normalidad en presencia de un

a) b)

c) d)

De lo observado en la figura 3.3.1, se puede desprender que para sustratos con diámetro promedio de poros de 11.5nm, 14.6% de porosidad y profundidad de 2.3µm, el crecimiento de la película tardó mucho más tiempo, además de apreciar que la intensidad de straylight disminuyó mientras la película crecía, al contrario de lo que sucede para los otros sustratos. Una posible explicación al comportamiento diferente de este sustrato con respecto a los otros analizados es que se cree que gran cantidad de moléculas de DPPC evaporadas se almacenan en los poros del sustrato y no sobre en la superficie de éste.

Luego, se hidrataron las muestras con el proceso mencionado en la sección 2.1. Se sometió a cada una de las muestras a una rampa de temperatura llegando a los 345K, registrando tanto el cambio en el ángulo del polarizador δP como la intensidad de Straylight.

Para las muestras de 120Å depositados sobre sustratos de 11.5nm de diámetro promedio, 14.6% de porosidad y profundidad de la capa porosa de 2.3μm, no fue posible observar cambios en el δP (considerando que para obtener la variación del espesor de la película hay que multiplicar la variación del ángulo del polarizador por un factor de aproximado de 17 (Å/º), ver anexo B) del orden esperado al de una transición de fase (ver figura 3.3.2), tomando como ejemplo que en la transición de Ripple a liquid ordered, la bicapa debiese experimentar un cambio en su espesor de aproximadamente 7 Å [30]. El registro de la instensidad de Straylight mostró su mayor cambio en la temperaturas correspondientes a las fases que van de Ripple a liquid disordered. Además de no observar cambios en δP esperados, no se continuó usando este tipo de sustratos debido a la dificultad que muestran para la realización de estudios elipsométricos reproducibles,

éstos, dificultando la reflexión del haz del láser por el largo camino óptico [31] y a la imposibilidad de caracterizar las muestras mediante técnicas de AFM.

Figura 3.3.2 Rampa de temperatura a muestra con sustrato 11.5nm promedio poros, 14.6%

porosidad, 2.3μm profundidad. . En rojo el cambio en el ángulo del polarizador registrado, en azul la intensidad de Straylight registrada. Las rectas punteadas marcan los valores de las temperaturas en que se observan las transiciones de fase de la bicapa lipídica.

Para muestras usando sustratos de diámetro promedio de poros 9.3nm y 11.6% de porosidad, el cambio en δP es comparable con los cambios en el espesor de la bicapa

lipídica en sus transiciones de fase (ver figura 3.3.2). Aun así, se decidió continuar en la dirección de disminuir la densidad de corriente aplicada en la formación de sustratos para disminuir aún más el diámetro promedio de poros; esto debido a la imposibilidad de caracterizar las muestras mediante técnicas de AFM (es muy poca la zona escaneada antes de que comenzasen a aparecer los artefactos de punta). La derivada de δP con respecto a la temperatura, corta en cero a las temperaturas 300.6K temperatura que no está dentro de ninguno de los rangos de temperatura para la cual se registran transiciones de fase y 335.3K temperatura cercana pero fuera del rango registrado a la cual ocurre la transición de líquida cristalina a líquida desordenada. La curva también tiene puntos de inflexión en las temperaturas 305K cercano al rango de la transición de fase de gel a ripple y 341.3K aproximadamente que está fuera de rango de las transiciones de fase registradas.

Figura 3.3.3 Rampa de temperatura a muestra con sustrato 9.3nm promedio poros, 11.6%

porosidad. Arriba y en rojo el cambio en el ángulo del polarizador registrado, en azul la intensidad de straylight registrada. Abajo, la curva muestra la forma de la derivada de δP. Las rectas punteadas marcan los valores de las temperaturas en que se observan las transiciones de fase de la bicapa lipídica.

Para muestras usando sustratos de diámetro promedio de poros 8.3nm y 9.4% de porosidad, se realizó la rampa de temperatura, incrementando y disminuyendo la temperatura una vez que ésta alcanzó su máximo valor 345K (ver figura 3.3.4). La derivada de la curva de δP, a medida que la temperatura incrementa, tiene valor cero a la temperatura 294.5K, punto que no se considera pues está en un extremo del ajuste polinómico. De la observación de la segunda derivada, al incrementar la temperatura se

cercano al rango de la transición de fase cristalina a fase gel, 300.1K que no está dentro de los rangos, 328.4K que corresponde al rango de fase fluida cristalina a fluida desordenada, 338.8K, cercana al rango en que ocurre la transición anteriormente mencionada y 344K, que no está dentro de ningún rango pero que no se considera debido a que corresponde a un extremo del ajuste polinómico cercano al punto en que la temperatura comienza a descender. Mientras que al descender la temperatura se observa un punto de inflexión a los 307.8K, temperatura que está dentro del rango registrado al cual ocurre la transición de fase de gel a ripple.

Figura 3.3.4 Rampa de temperatura a muestra con sustrato 8.3nm promedio poros, 9.4%

porosidad. Arriba y en rojo el cambio en el ángulo del polarizador registrado, en azul la intensidad de straylight registrada. Abajo, las cuervas muestran la derivada de ajuste polinómicos realizados a la curva de δP. Se realizó un ajuste mientras subía la temperatura y otro a medida que descendía. Las rectas punteadas marcan los valores de las temperaturas en