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)