Control of Microstructure in Porous Silicon Coatings with Closed Porosity for Functional Applications
- Autores: Jaime Caballero Hernández
- Directores de la Tesis: Vanda Cristina Fortio Godinho (dir. tes.), María Asunción Fernández Camacho (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Número de páginas: 254
- Tribunal Calificador de la Tesis: Francisco Javier Pérez Trujillo (presid.), Javier Garcia Lopez (secret.), Ana Isabel Borrás Martos (voc.), Rafael Rodríguez Trías (voc.), Marta Brizuela Parra (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
Nanoporous coatings are well known to be of technological interest for different areas of application, especially in the field of semiconductors, microelectronics, electrode materials for batteries, fuel cells, supercapacitors, and optical devices. In this sense research efforts have been focused on the synthesis and characterization of new porous and nanostructured materials. Within the different strategies and approaches for nanostructuring surfaces that have been investigated, especial attention has been put recently on the use of noble gases, in particular helium 1-4. Helium is almost insoluble in metals, and tends to accumulate in small bubbles with high pressure, in the order of several 5-7. Since the material's properties (mechanical, chemical, electrical or optical) can be altered by the introduction of He bubbles 8, this could be seen as a novel strategy to modify on demand the properties of materials. Preliminary experiments in the NanoMatMicro group revealed that it is possible to deposit amorphous silicon coatings using helium by magnetron sputtering technique 9,10. A particular structure with closed pores was obtained when He was used as sputtering gas. With this methodology it is possible to produce porous coatings with a tailored refractive index. In the case of coatings deposited using Ar (denser coating) and applying a substrate bias a refractive index of = 4.75 is obtained, and using He (porous coating) the refractive index is = 3.75, which is a very interesting change in the refractive index for the same material 11. This thesis presents the basis of this new methodology and its development, so a deep study on it has been done. A systematic study of the deposition parameters is presented to analyzing their effects on the final porous structure. For it, electron microscopy and Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) characterization techniques were employed. Firstly the influence of the He on the formation of closed porosity in silicon coatings was investigated. Coatings deposited with different inlet sputtering gases (Ar and Ar + He) were deposited. Experimentally, when Ar was used, a columnar structure with elongated small closed pores was observed. However, when a mixture of He + Ar was employed, a structure with more rounded pores together with elongated pores was obtained. Nano-scale spatially resolved techniques, STEM-EELS, were used to locate and characterize He inside the closed pores.
El objetivo principal de esta tesis ha sido el desarrollo de una nueva metodología para producir recubrimientos de silicio poroso utilizando plasmas de helio mediante la técnica de magnetron sputtering. Dicha metodología permite un control de la porosidad y por tanto del índice de refracción del recubrimiento. En los diferentes apartados que componen este resumen se han estudiado las relaciones entre los parámetros de deposición, microestructura y propiedades finales. De forma más concreta se pasará a exponer las conclusiones particulares obtenidas en cada uno de los apartados: o La nueva metodología desarrollada permite producir recubrimientos amorfos de silicio poroso utilizando helio como gas de sputtering con una particular estructura de poros cerrados. El control de los parámetros de deposición permite modificar la porosidad para fabricar recubrimientos con índices de refracción a medida. Los parámetros de deposición estudiados son: Gas de deposición: el uso de He permite una estructura de poros cerrados en cuyo interior se encuentra el gas, mientras que el Ar da lugar a una estructura más densa y por tanto con un índice de refracción mayor. - Geometría de deposición: en condiciones de deposición a ángulo oblicuo, cambiando la dirección del flujo de vapor es posible modificar la orientación de los poros los cuales aparecen orientados en la misma dirección que el flujo de vapor, cumpliéndose la regla de la tangente. - Presión de helio: en configuración de ángulo oblicuo, un incremento de la presión de helio da lugar a una disminución del ángulo de orientación de los poros. Esto se debe al aumento de colisiones entre los átomos de gas y los átomos de Si a depositar, perdiendo estos últimos su direccionalidad al llegar al sustrato. Además, la cantidad de He atrapado en el recubrimiento disminuye con la presión de gas durante la deposición. - Potencia RF: con una geometría de ángulo oblicuo, el incremento de potencia orienta los poros hacia una dirección más cercana a la dirección de la geometría de deposición. Además se observa un incremento en el tamaño de poro con el incremento de la potencia cambiando de poros redondeados a poros más alargados. También se ha observado un menor contenido de He en el recubrimiento a la potencia más alta, que podría ser debido a la alta desorción de los átomos de He que son desplazados al llegar al sustrato los átomos de Si con más energía. - Bias en el sustrato: en configuración de ángulo oblicuo, la aplicación de bias da lugar a un crecimiento de la porosidad en dirección normal al sustrato con poros con una forma más alargada. Esto es debido al aumento de la movilidad atómica al aplicar bias que provoca la desaparición de los efectos sombra. Para valores de bias mayores (?200 5) se forma una fase nano-composite compuesta por poros cerrados y cristales de Si embebidos en la matriz amorfa. La fase nano-composite contiene menor cantidad de He que la fase amorfa. - Temperatura de deposición: se han depositado recubrimientos a diferentes temperaturas pertenecientes a las zonas I, T y II del modelo de Thornton. En la zona I (EF=GH GI<0.3), en la que la estructura es dominada la baja movilidad atómica y los efectos de sombra, se tiene una estructura con la porosidad orientada en la dirección del magnetron. En la zona T (EF?0.3), en la que la difusión atómica tiene lugar, se forma una capa densa junto al sustrato seguido por una capa porosa. En la zona II (EF>0.3), donde se dan efectos de difusión atómica superfical, se da la misma estructura que en la zona T con una capa densa de mayor espesor. Además se demuestra que el He atrapado en el recubrimiento se encuentra dentro de los poros a una presión del orden de . Se prueba la estabilidad del He en el recubrimiento no observándose diferencia en su contenido a lo largo del tiempo. Mediante tratamiento térmico se muestra que la estructura de poros con He es estable al menos hasta 300°!. A 550°! se observa una fuerte disminución de la cantidad de He en el recubrimiento. o Para entender los mecanismos físicos en la formación de la estructura porosa de recubrimientos de Si, se utilizaron herramientas de simulación (NASCAM) basadas en el efecto sombra. La comparación de las medidas de tamaño de poro dadas por la simulación con las obtenidas de recubrimientos experimentales muestra que en deposiciones en atmósfera de Ar, el efecto de sombra explica completamente la formación de la porosidad. Sin embargo, en deposiciones en atmósfera de He + Ar, experimento y simulación difieren en el rango de poros pequeños. Así se concluye que el He introduce un nuevo mecanismo en el desarrollo de la porosidad distinto del efecto sombra. o Con la metodología presentada se diseñan dos tipos de dispositivos ópticos: un reflector de Bragg distribuido (DBR) y una microcavidad óptica (OMC). Estos dispositivos están formados por la alternancia de capas de alto y bajo índice de refracción (recubrimientos densos y porosos). Se obtiene un buen acuerdo entre los espectros de reflectancia experimental y teórico. También se demuestra la posibilidad de utilizar dicha metodología para depositar sobre sustratos flexibles como teflón y kapton. Por último se presenta el diseño de un DBR con un gradiente de espesor, modificando así la posición del pico de Bragg dependiendo del espesor de las capas componentes.
