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En un artículo publicado en el quimica de materiales, Los investigadores propusieron una técnica novedosa para ampliar la aplicación de enfoques de haces de iones para fabricar y procesar nanoestructuras y materiales funcionales.
La eficacia de la tecnología de haces de iones suele verse limitada por la rugosidad de la superficie y el daño del cristal. La irradiación a alta temperatura puede minimizar dicho daño a los cristales a niveles significativos. Sin embargo, las vacantes de la superficie y la movilidad térmica de los adatomos hacen que la rugosidad de la superficie sea un desafío en estas circunstancias.
Los autores del presente estudio utilizaron gas hidrógeno para mantener el flujo másico superficial y evitar la aspereza mientras bombardeaban con iones las nanoestructuras compuestas y elementales para abordar el problema. También mostraron que el enfoque propuesto a través de la radicalización de H2 gas y aplicando una fuente de plasma remota que logró superficies lisas durante el procesamiento del haz de iones.
Comprender la importancia del procesamiento de haces de iones
El daño del cristal es causado por la rugosidad de la superficie y los impactos de iones. Mientras que la rugosidad de la superficie se produce como resultado del flujo másico de la superficie debido al bombardeo de iones, las colisiones de iones dan como resultado pares intersticiales vacíos. El calentamiento de la muestra puede reducir el daño del cristal y permite un procesamiento de haz de iones mínimamente invasivo.
En particular, el «recocido dinámico» resulta del calentamiento de nanoestructuras por encima de su temperatura de recristalización. Este proceso puede proteger las nanoestructuras del daño inducido por iones y la amorfización a través de la reparación del daño del cristal en tiempo real.
Por lo tanto, el recocido dinámico es un método atractivo para tratar nanoestructuras con un haz de iones sin causar daños. Aunque convincente, rara vez se usa porque el calor aumenta las vacantes superficiales y la difusividad de adatom, lo que lleva al flujo de masa superficial y la rugosidad de la superficie.
En este artículo, los autores abordaron el problema utilizando un método de procesamiento de haz de iones con hidrógeno actuando como un gas precursor químico que limitó el flujo de masa superficial y redujo la aspereza de la superficie. Se eligió el hidrógeno porque podía inmovilizar especies superficiales como adatomos y vacantes e inhibir la producción de óxidos. Por lo tanto, la acción del hidrógeno se aplicó como técnica química para controlar el flujo másico superficial mientras se exponía a iones.
Al combinar el calentamiento de la muestra con el hidrógeno, se lograron superficies suaves durante la fabricación de nanoestructuras elementales cristalinas y compuestas por haz de iones. Se observó daño en los cristales sin calentamiento y se observó rugosidad superficial en ausencia de hidrógeno.
Además, los resultados mostraron cómo la radicalización de hidrógeno por una fuente de plasma remota podría mejorar el proceso químico de velocidad limitada que impulsa el método de estabilización de flujo másico. Las observaciones ampliaron la utilidad y la aplicabilidad de las técnicas de haces de iones para el procesamiento y la fabricación de nanoestructuras, así como la comprensión de la dinámica del flujo másico durante la irradiación de iones.
Investigaciones de prueba de concepto
Se usó una oblea de germanio (Ge) orientado 001 para fabricar un sustrato de 10 mm x 10 mm. Luego se sonicó en isopropanol y acetona durante 15 min cada uno antes de enjuagar con N22. Finalmente, se colocó en una etapa de calentamiento por resistencia de nitruro de boro hecha a medida en un microscopio de doble haz HELIOS G4 y se bombeó a alto vacío.
Para la irradiación de iones, se utilizó un microscopio de haz de iones enfocado (FIB) con platina caliente, un microscopio electrónico de barrido y un sistema de inyección de gas especialmente diseñado. En el estudio actual, las vacantes de superficie y los adatoms se identificaron con H2 Gas para estabilizar el flujo másico y reducir la rugosidad de la superficie durante las operaciones con haz de iones. La rugosidad de la superficie 2D RMS (pq) Se calculó.
Los resultados mostraron que Sq Valor de Ge reducido de más de un nanómetro en el vacío a menos de dos Angstroms con H2 Gas. El arseniuro de galio (GaAs) y el fosfuro de galio (GaP) también mostraron que el hidrógeno inhibía la rugosidad de la superficie, con Sq disminuir de cinco y dos nanómetros en el vacío a dos y siete angstroms, respectivamente.
Los resultados de plasma del estudio dejaron claro que la rugosidad de la superficie observada en el vacío se debe a nanoestructuras altamente simétricas. Además, los patrones aparecieron espontáneamente y se han estudiado en varios semiconductores como Ge y GaAs. Se formaron por difusión de adatomos y vacantes superficiales en nanoestructuras cristalinas. Estos patrones estaban controlados por restricciones de energía relacionadas con las propiedades topológicas de la superficie y las nanoestructuras cristalinas subyacentes. Finalmente, el hallazgo mostró que los patrones proporcionaron evidencia de cristalinidad.
La rugosidad de la superficie (Sq) se redujo agregando H2 gas de 6,6 a 4,6 nanómetros, y al radicalizar el gas con plasma se redujo aún más a tres nanómetros. Los perfiles de línea 1D demostraron la naturaleza dramática de la descomposición inducida por plasma. La reducción también se atribuyó a la alta reactividad química del plasma, que evitó la rugosidad de la superficie mediante la fijación efectiva de adatomos y vacantes en la superficie.
Los datos indicaron que las energías de unión de los átomos de la superficie aumentaron. Dado que la tasa de pulverización catódica del haz de iones escala inversamente con la energía de enlace, esto implicó una disminución significativa. Por lo tanto, los autores midieron el cambio de tasa de pulverización provocado por el gas y el plasma para confirmar que el hidrógeno estabilizó la superficie.
importancia del estudio
En resumen, los autores crearon un método químico para evitar la rugosidad de la superficie cuando se utilizó recocido dinámico para reducir el daño por haz de iones. inyección de H2 El gas o el plasma durante la irradiación con haz de iones fue un método simple para diferentes parámetros del haz de iones. H2 La inyección aumentó la practicidad y la aplicabilidad de las técnicas de procesamiento de haces de iones para semiconductores compuestos y elementales.
Dado que la energía de enlace y la masa de un átomo afectan el desplazamiento y la pulverización catódica en los semiconductores compuestos, la irradiación con un haz de iones energéticos cambió la estequiometría de la superficie. Por lo tanto, el hidrógeno probablemente cambió la estequiometría al aumentar las energías de enlace superficial de los átomos.
Debido al aumento inducido por la hidrogenación en la energía de enlace de los átomos móviles de la superficie, el resultado general podría ser una supresión positiva de la pulverización catódica preferencial. Sin embargo, la verificación de tales consecuencias estaba fuera del alcance de los esfuerzos actuales. Requirió un estudio exhaustivo de la estequiometría superficial en función de variables como la masa iónica y la energía con respecto a los átomos objetivo en un semiconductor compuesto.
Finalmente, los resultados actuales indicaron que con el método propuesto, se esperaba que algo de hidrógeno permaneciera en la superficie de la muestra y afectara su composición. El procesamiento regular de hidrógeno de los semiconductores incluyó la pasivación de defectos óptica y eléctricamente activos, la protección contra la oxidación superficial y la estabilización del crecimiento.
Relación
Scott JA, obispo J, Toth M (2022). Supresión de la rugosidad superficial durante el bombardeo iónico de semiconductores. quimica de materiales. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.2c02391
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