Chapter Five Result and Discussion
5.3. The state of essential elements
5.3.3. Support functions
El estudio de la evolución temporal del patrón durante la irradiación iónica es uno de los análisis más frecuentes dentro del contexto del escalado dinámico. En la mayoría de los trabajos se observa un umbral de dosis para la formación de nanoestructuras (rugosamiento), aumentando la distancia típica de los patrones de
nanopuntos con el tiempo hasta saturarse [13-15]; es decir, la estructura está sometida
a un proceso de ensanchamiento o coarsening hasta alcanzar un estado estacionario. Una de las características generales que se observa en este tipo de experimentos es la agrupación de los puntos con un orden hexagonal a corto alcance [13-16], así como la mejora de éste con el tiempo de irradiación [17]. Estas características solamente se contemplan en los modelos teóricos recientes [17, 18]siendo, por tanto, estos observables de alta relevancia.
3.2.4.1 Evolución temporal a flujo bajo
En la figura 3.7, se han seleccionado diferentes imágenes representativas de AFM para mostrar las diferentes nanoestructuras obtenidas al aumentar el tiempo de irradiación para un flujo fijo de 55 μA/cm2 ya que muestra una dinámica más
lenta. Para tiempos de irradiación inferiores a 15 min, la superficie permanece plana (fig. 3.8 (a)). Después de 20 min de bombardeo, aparece un patrón de nanoagujeros
densos en la superficie, tal y como se ve en la figura 3.7 (b). Este tipo de estructura se extiende hasta tiempos relativamente largos (~90 min), donde los nanoagujeros comienzan a ser más escasos y a esparcirse a lo largo de la superficie (fig. 3.7 (c) y (d)). Esta evolución implica un aumento en la longitud de onda del patrón según se aumenta el tiempo de bombardeo. En la figura 3.9 (a) se puede ver un desplazamiento gradual del pico de la PSD con el tiempo hacia valores más bajos de
k, confirmando el aumento de . De hecho este aumento de con la dosis, para el régimen de los nanoagujeros, sigue una ley de potencias como t0.1 (fig. 3.9 (c),
puntos negros). Después de 2 horas de irradiación la superficie se suaviza abruptamente (fig. 3.7 (e)) desapareciendo los nanoagujeros pero donde la superficie permanece correlacionada, dando un pico en la PSD (fig. 3.9 (a)). Finalmente, para largos tiempos de irradiación (~210 min) la superficie desarrolla una estructura clara de nanopuntos (fig. 3.7 (f)) con una 59 nm (fig. 3.9 (c)).
Si nos fijamos en la rugosidad de la superficie, ésta aumenta siguiendo una ley de potencias, w~t0.72 los valores cercanos a 1 en el exponente de rugosidad indica el
carácter exponencial del incremento de éste para tiempos cortos de irradiación, hasta que a las dos horas de bombardeo la superficie se suaviza abruptamente (fig. 3.9 (d)). Finalmente, para tiempos largos de erosión se forma un patrón de
nanopuntos donde la rugosidad aumenta de nuevo recuperando valores similares a los
de antes de producirse el suavizado.
La evolución del tipo de morfología de forma cuantitativa con la dosis se representa en la figura 3.9 (e) a través del sesgo. Las medidas de este parámetro muestran valores negativos (S < -0.2), característicos de la morfología de
nanoagujeros, hasta dosis cercanas a 1018 iones/cm2. A continuación, S aumenta hasta
0.3 según aumentamos el tiempo de irradiación, indicando que ha tenido lugar una
transición a un patrón de nanopuntos. Esta representación muestra de nuevo el carácter inestable del patrón de nanoagujeros, ya que la superficie acaba evolucionando con la dosis hacia el patrón de nanopuntos.
Figura 3.7: Imágenes de AFM de 1 x 1 m2 de superficies de Si (001) irradiadas bajo incidencia normal, con iones de Ar+ a 1 keV a un flujo de 55 A/cm2 para tiempos de bombardeo: (a) 7 min; (b) 28min; (c) 60 min; (d) 90 min; (e) 120 min, (f) 210 min.
3.2.4.2 Evolución temporal a flujo alto
Para condiciones de flujo alto, =250 A/cm2, incluso desde tiempos de
bombardeo de unos pocos minutos (t > 6 min), solamente se obtiene la formación de un patrón de nanopuntos (fig. 3.8). Este patrón se muestra estable incluso para tiempos largos de irradiación (fig. 3.8 (c)), al igual que ocurría en Gago et al. [15]. Según aumenta la dosis, el pico de la PSD se desplaza hacia valores más bajos de k (fig. 3.9 (b)), indicando que el patrón sigue un proceso de ensanchamiento ó
coarsening según t0.17, algo más rápido que para el caso de flujo bajo (figura 3.9
(c)). En cuanto a la rugosidad y observando su exponente, la superficie sigue un comportamiento similar al encontrado a flujo bajo (fig. 3.9 (d)) para tiempos cortos (t < 8 min). Finalmente, la figura 3.9 (e) muestra valores de S claramente positivos para todo el rango de dosis iónica característicos de los nanopuntos, mostrando un ligero aumento con la dosis.
Es importante remarcar que el grado de orden (longitud de correlación) estacionario de las nanoestructuras desarrolladas en la evolución de bajo , dinámicas más lentas, es mayor ya que muestra una FWHM más estrecha del pico de la PSD, que la observada a flujo alto para tiempos similares de erosión. Asimismo, la evolución temporal del FWHM para cada flujo (55 y 250 A/cm2) por
(a)
(b)
(c)
(d) (e)
(f)
200 nm 200 nm 200 nm
separado, indica una mejora del orden o lo que es lo mismo una mayor longitud de correlación con el tiempo de irradiación. Esta tendencia es similar a la reportada en la formación de nanopuntos con una fuente de iones Kaufman [17].
Figura 3.8: Imágenes de AFM de 1x1 m2 de superficies de Si (001) irradiadas bajo incidencia normal, Ar+ a 1 keV para un flujo de 250 A/cm2 y tiempos de bombardeo: (a) 4 min; (b) 10min y (c) 30 min.
Figura 3.9: Funciones PSD de las muestras irradiadas a diferentes tiempos bajo un flujo de 55 A/cm2 (a) y 250 A/cm2 (b). La línea punteada sigue el desplazamiento del máximo de la PSD hacia k más bajos al aumentar el tiempo de irradiación. Evolución temporal de la longitud de onda del patrón (c), rugosidad superficial (d) y sesgo (e) para los dos flujos indicados anteriormente. Los diferentes símbolos identifican el tipo de morfologías: ( ) plana () nanoagujero y () nanopunto.