Introduzione
Film sottile: strato di materiale con spessore << delle dimensioni superficiali (1-100 nm)
La crescita di film sottili è fortemente richiesta per applicazioni di ogni tipo (applicazioni funzionali, ad es. in elettronica, ottica, tribologia e applicazioni strutturali, ad es. hard-coatings, adesione, etc.)
Crescita da vapore elementare (metodi fisici) o dasoluzione (metodi chimici)
Quando un singolo atomo arriva sulla superficie (adatomo) esso migra sulla superficie con una energia di attivazione Ed.
- Se trova un altro adatomo, esso può nucleare un’isola
- Se un adatomo mobile migra verso un’isola esistente, è probabile che vi aderisca.
- Un adatomo in cima ad un’isola esistente può migrare via. Ci può, tuttavia, essere una barriera (barriera di Ehrlich-Schwoebel) che rende difficile scendere dall’isola.
Formazione iniziale di un film di Ag su MoS2
Modi di crescita
Crescita: Nucleazione di isole
Dimensione critica del Cluster
• Nucleazione di isole si ha quando si raggiunge una dimensione critica del cluster di adatomi.– La dimensione critica dipende dalla temperatura del substrato.
• Le isole crescono e la loro morfologia dipende dal rate di deposizione vs. rate di diffusione degli adatomi.
Coalescenza di isole
Ostwald ripening
Coalescenza per diffusione
Coalescenza per accrescimento
Crescita di isole
CO
ALE
SC
EN
ZA a
ll’au
men
tare
dello
spes
sore
135 °C 200 °C 275 °C 350 °C
50 n
m20
0 nm
110
nm30
0 nm
Strutture piùgrandi a
temperature maggiori
ISOLEisolate
AFM of Ag on MicaBaski, Surf. S ci. 313,
275 (1996).
Crescita di isole
Modi di crescita: Angolo di contatto vs. Energie interfacciali
*cosDSγ γ γφ +=
γ∗γS
γD
( )Layer Growth: 0*DS γ φγ γ≥ + =
Energy/ unit areaγ =
( )Island Growth: 0*DS γγ φγ+ ><
φEnergia substrato
Energia deposito
Legge di Young: equilibrio tra tre fasi
Epitassia: Evaporazione del materiale I sul materiale IICrescita per strati tramite il controllo di parametri macroscopici (T,p,Φ,...)
Nuovo materiale cristallino non disponibile a partire dai cristalli di bulk
Modi di epitassia:
• Eteroepitassia
• Omoepitassia• Materiale I ≠ materiale II
• Materiale I = materiale II
Problemi nella crescitaGeneralmente l’obiettivo è un film sottilecristallino (es. semiconduttori, alcuni metalli,...)o policristallino (es. alcuni ossidi, ceramiche,…)
Lattice matching
Crescita (etero)epitassiale: ordine nei piani reticolari lungo l’asse c (per i cristalli, ordine anche nel piano ab, cioè tessitura biassiale)
Numerosi fenomeni contribuisconoa determinare la “qualità”della crescitaRilassamento via
nucleazione di isole
Molecular Beam Epitaxy: MBE, MOMBE
Elementi chiave MBE:- alta pulizia (UHV, p < 10-10mbar)- Bassa velocità di crescita (~ 1 μm/h)- Usata con tutti i semiconduttori
controllo degli spessori a livello atomicoalta purezzafabbricazione eterostrutture
ESEMPIO:InAs quantum dots
profilo AFM
Distribuzione altezze dei dot
Crescita di monostrati via MBE
Crescita di monostraticontrollabile con diagnostiche in-situ(es. RHEED)
Controllo accurato dello spessore del film fino a livelli molto bassi (monostrati)