Development of a thin film growth system to produce nanostructures through laser interference

Resumen

Esta tesis busca iniciar un paradigma de procesos innovadores para la producción de matrices de nanoestructuras con idéntico tamaño, forma y composición, superando todas las limitaciones de la nanoestructuración convencional. La combinación de la estructuración de materiales basada en la luz, con las ventajas de una técnica de crecimiento de película delgada de última generación, proporciona un proceso de un solo paso, rentable y actual para matrices ordenadas de nanoestructuras. Los nuevos métodos para lograr tales estructuras son un requisito vital para la explotación de dispositivos en el régimen nanométrico. Bajo nuestro enfoque, hemos desarrollado un sistema que combina el patrón de luz interferométrica con la deposición de vapor químico asistida por aerosol (AACVD). Para combinar estas dos técnicas, se requiere una configuración multidisciplinaria. El sistema se divide en módulos independientes que han sido diseñados para completar el hardware, los cuales son; láser pulsado, generador de aerosol, óptica de emisión de haz y reactor. Cada uno de los subsistemas está definido de tal forma que pueda modificarse fácilmente para satisfacer las diversas necesidades de cada uno de los procesos que se han desarrollado. Por lo tanto, se deben ensamblar y validar diferentes subsistemas para los tres procesos diferentes que se abordan en esta tesis. En primer lugar, para la AACVD de películas delgadas, el reactor y el sistema de gas están integrados. Para validar la técnica de depósito, se han desarrollado películas delgadas de óxido de zinc (ZnO). Se estudian los efectos de los parámetros de deposición, como el flujo del aerosol o la temperatura del sustrato, mostrando una cristalización en forma de wurtzita para todos los casos (de 350 ºC a 400 ºC), de los cuales los granos crecidos a 375 ºC muestran orientación preferencial alta a lo largo del eje c. Del estudio de la cinética de crecimiento, se ha extraído que la energía de activación de la reacción química asistida por aerosol es de 1,06 eV. Además, las películas delgadas de ZnO han sido caracterizadas óptica y eléctricamente. En segundo lugar, se han utilizado láseres de nanosegundos para ayudar a la reacción química del AACVD. La interacción láser-materia se ha estudiado a través de dos modelos térmicos, uno para estudiar el efecto térmico de único pulso en escala de nanosegundos y el segundo para estudiar la acumulación térmica producida por el tren de pulsos. Los resultados de la acumulación térmica son corroborados por mediciones experimentales. Al incluir la técnica AACVD en la configuración, el láser produce procesos de reacción locales que proporcionan sitios energéticamente favorables para el deposito del material. Se describen los primeros resultados experimentales del funcionamiento de esta innovadora técnica en la que la estabilidad de la temperatura del proceso se ha destacado como el principal limitador de esta novedosa tecnología. Posteriormente, óptica de interferencia láser de precisión y láseres pulsados de última generación se han integrado junto con el reactor para producir patrones de luz concentrados con un paso de fracciones de la longitud de onda del láser. Se han utilizado dos láseres con diferentes longitudes de onda (355 nm y 1064 nm) junto con dos sistemas ópticos. Con el láser de 355 nm, el patrón de luz induce modificaciones fototérmicas locales en la superficie crecida creando nanoestructuras. Las nanoestructuras obtenidas muestran una concordancia entre el periodo teórico y experimental, 792 nm y 800 nm respectivamente. La dependencia de la altura de las nanoestructuras con el número de pulsos sigue la teoría propuesta por Marangoni para este tipo de sucesos. También se ha logrado nanoestructurar capas delgadas de oro mediante la técnica LI+AACVD, consiguiendo un procesado de un solo paso, lo cual supone una mejora de las anteriores técnicas similares de nanocorrugación. Finalmente, se han desarrollado sensores de gas para detectar NO2 como una aplicación para las películas delgadas de ZnO nanoestructurado. Los sensores basados en ZnO nanoestructurado ofrecen varias ventajas frente a los tratados termicamente, como una mayor capacidad de respuesta, detección de gas a temperatura ambiente, reducción de la resistencia de referencia y mejora de las mediciones de NO2 en condiciones de húmedad.