Para completar este estudio se analizó el contenido de metal residual en función de la morfología superficial resultante para la evolución temporal de muestras realizadas a dos flujos distintos 55 y 250 µA/cm2. La figura 3.18 (a)
muestra la dinámica temporal del metal, tanto Fe, Mo, como total, a flujo bajo (55
µA/cm2); mientras que la fig. 3.18 (b) muestra la misma evolución a flujo alto (250
µA/cm2). Los círculos abiertos () se refieren a aquellas nanoestructuras
identificadas como nanogujeros, mientras que los círculos sólidos () corresponden a
un patrón de nanopuntos.
En la fig. 3.18 (a)-(b) observamos que la cantidad de Fe es siempre superior que la de Mo con independencia del flujo. En la condición de flujo bajo, existe un máximo en la cantidad de Fe a una dosis determinada (~5.5 x 1017 iones/cm2) para
posteriormente decaer según aumenta el tiempo de irradiación; mientras que el Mo aumenta siguiendo un crecimiento exponencial hasta llegar a la saturación. De todas formas, este incremento de Mo (~0.4 – 0.55 x 1015 at/cm2) resulta pequeño en
comparación con los cambios en Fe para las distintas morfologías (2–3 x 1015
at/cm2, nanopunto/nanoagujero respectivamente). Por tanto, la cantidad total de metal
presente en la superficie de la muestra sigue la tendencia del material dominante, en este caso Fe, con independencia del flujo (ver fig. 3.18 (a) y (b)). Si se compara el contenido de metal a los dos flujos, para dosis similares, se encuentra que la cantidad de impurezas siempre es mayor para la condición de flujo bajo tal y como ya se había encontrado en el apartado anterior. Como se comentó anteriormente, el sistema incorpora los metales Fe y Mo a través de fuentes diferentes. Por un lado, el
Mo proviene de la erosión de los átomos de la máscara ocasionados por el flujo
incidente y por tanto es proporcional a éste, de forma que cuando se alcanza la condición de equilibrio, el contenido de Mo permanece constante con la dosis. Por otro lado, el Fe presente en la superficie de la muestra viene directamente de la erosión de los cátodos inmersos en el plasma de la fuente de iones; por lo que la incorporación de Fe es proporcional a la corriente de descarga, la cual depende de ~0.7. Sin embargo, el aumento de la tasa de aporte de Fe con el flujo es inferior a
la unidad tal y como se puede deducir de la relación entre la corriente de descarga y el flujo ( ~Φ . ). Por lo tanto, la erosión de Fe, que sí es proporcional a , se fomenta a valores de flujo alto lo que implica una disminución del contenido de metal observado a 250 µA/cm2. Hay que hacer notar en la misma figura 3.18 (a)-(b),
la línea discontinua a 2.5 x 1015 at/cm2 para establecer la comparación del nivel de
metal total presente en superficie para cada flujo.
Por otro lado, además de que los niveles medios de metal para ambos flujos son diferentes, sus evoluciones temporales son también distintas. El contenido de metal aumenta ligeramente con la dosis a 250 µA/cm2 hasta alcanzar un nivel
constante; mientras que a 55 µA/cm2 el contenido inicial de metal también aumenta
hasta alcanzar un valor máximo para dosis cercanas a ~6 x 1017 cm-2, sin embargo
para tiempos de irradiación largos el contenido de metal disminuye hasta los ~2.5 x
Figura 3.18: Contenido de metal, medido por RBS, en función de la fluencia iónica para muestras irradiadas a (a) 55 µA/cm2 y (b) 250 µA/cm2. Los símbolos abiertos y cerrados corresponden a morfologías de nanoagujeros y nanopuntos, respectivamente.(c) Concentración superficial en función de la dosis, obtenida de la simulación por TRIDYN, para un sustrato con concentraciones iniciales de 6% Fe/ 2% Mo (estimada previamente por RBS).
A continuación se intentará simular con TRIDYN el comportamiento del contenido de metal con la dosis en ambas condiciones de flujo (alto y bajo), ya que dependiendo del flujo utilizado la morfología resultante presenta diferencias con el contenido de metal [42]. Este código es la versión dinámica del programa TRIM [43]. En el programa TRIDYN el blanco se puede dividir en capas con una composición inicial constante y un espesor fijo. El programa modifica de forma dinámica la composición y el espesor de las capas a fin de albergar el transporte de partículas dentro del blanco durante el bombardeo iónico. En TRIDYN la energía superficial de enlace efectiva (SBE) de los elementos del blanco se define a partir de un modelo de componentes matriciales que tiene en cuenta la composición superficial del blanco y las energías de enlace entre los elementos en cuestión. Teóricamente, el ritmo de erosión es proporcional a la inversa de SBE. El SBE de cada elemento en nuestro caso viene definido por:
(3.1)
donde CSi, CMo y CFe son las concentraciones superficiales de silicio, molibdeno y
hierro respectivamente, mientras que SVBij es la matriz de elementos de las energías
de enlace entre los diferentes elementos del blanco.
Para la simulación de la composición superficial con la dosis a flujo bajo, se ha considerado el bombardeo iónico en atmosfera de Ar bajo incidencia normal y energía de 1 keV sobre un blanco compuesto de Si, Fe y Mo. Para ello, es necesario fijar unas concentraciones fijas de partida. En este caso se ha tomado Fe: 6%, Mo:
2% y Si: 92% en base a las estimadas por RBS para cada elemento.
La figura 3.18-(c) representa el comportamiento de la concentración superficial de Fe y Mo (~3 nm) en función de la dosis empleada. En esta gráfica, se ha suprimido la concentración de Si para una mejor visualización del comportamiento de los metales. La figura muestra cómo la superficie se enriquece en metales con la dosis de Ar empleada hasta alcanzar la saturación a dosis largas. Si comparamos la fig. 3.18-(a) para flujo bajo con la fig. 3.18-(c), vemos un comportamiento cualitativamente similar para Fe y Mo con la dosis. Es decir, en los primeros instantes de irradiación (tiempos cortos) el Fe aumenta de forma abrupta pasando del 6% al 8% de concentración a causa de la amplificación de la eficiencia de erosión (SYA) del Si por la presencia de pequeñas concentraciones de metales [44- 46]. Generalmente, la observación del efecto SYA ocurre para especies del blanco con masas pequeñas en comparación con contaminantes pesados, y donde las masas de los iones del bombardeo deben ser intermedias; es decir la relación entre sus masas cumple: MSi < MAr < MFe, MMo [47]. La concentración de Fe, después de
alcanzar el máximo, decae ligeramente hasta que alcanza un estado estacionario de saturación a dosis altas.
Esto ocurre a causa de la erosión preferencial del Fe frente a Si cuando la concentración de Fe ya no es tan baja. El comportamiento es similar para el caso de, es decir, la concentración de éste aumenta con la dosis hasta alcanzar la saturación a tiempos largos, sin embargo las bajas concentraciones iniciales y la baja eficiencia de erosión de Mo inducen un ritmo de crecimiento más lento para la concentración superficial de Mo en comparación con el Fe. A pesar de que la dosis de la
simulación no es equivalente a la experimental, ya que el programa TRIDYN no tiene en cuenta cambios en el flujo iónico, el comportamiento de las concentraciones superficiales de Fe y Mo reproduce de forma cualitativa los resultados experimentales encontrados por RBS para flujo bajo (fig. 3.18 (a)-(c)). Por otro lado, si nos fijamos en el comportamiento experimental de las concentraciones de Fe y Mo para flujo alto (fig. 3.18 (b)), inicialmente la razón entre sus concentraciones es menor que la mostrada a bajo flujo. De esta forma, partiendo de una condición del 4% de Fe y 2% de Mo, se ha encontrado que simulaciones por TRIDYN con una razón menor entre sus concentraciones iniciales ya no muestran un máximo local en la concentración de Fe a dosis intermedias (~1x1017 cm-2). Este máximo local en la concentración de Fe, tal y como
se ve experimentalmente, va asociado a una morfología de patrones de nanoagujeros frente a los patrones de nanopuntos mostrados durante toda la evolución temporal a flujo alto (fig. 3.18 (b)).