Análisis de láminas delgadas

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Dispositivos de medición para el análisis de láminas delgadas

Análisis de película fina TFA

El conocimiento preciso de las propiedades físicas de las láminas delgadas es cada vez más importante en muchas ramas de la industria y aplicaciones.
Ejemplos típicos son los llamados materiales de cambio de fase, los medios de almacenamiento óptico, los materiales termoeléctricos, los diodos emisores de luz (LED), las pilas de combustible, las memorias de cambio de fase, las pantallas planas y la industria de los semiconductores en general.

Todas estas industrias utilizan sistemas monocapa o multicapa para dotar a un dispositivo (o a un conjunto) de una función específica.
Como las propiedades físicas de las capas finas difieren significativamente de las de los materiales sólidos, es necesario determinar su grosor y sus propiedades dependientes de la temperatura utilizando dispositivos de medición adecuados.
Ello se debe a que las grandes relaciones de aspecto (grosor de la capa respecto a la expansión lateral) suelen dar lugar a efectos adicionales de dispersión en los límites y en la superficie, que a menudo provocan una reducción significativa del transporte de carga y calor.
Además, existe una amplia gama de tecnologías de deposición para producir películas finas, que también tienen una gran influencia en las propiedades materiales de la película fina.

Como los requisitos para caracterizar una película fina y un material sólido difieren significativamente en algunos casos, deben utilizarse técnicas de medición diferentes para los dos ámbitos.

La conductividad térmica y la conductividad eléctrica de las láminas delgadas suelen ser inferiores a las de los materiales sólidos comparables.
Por ejemplo, la conductividad térmica lambda de una película o nanocable de Si de 20 nm a temperatura ambiente puede ser un factor cinco inferior [1] a la de su homólogo sólido monocristalino.
En el caso de una película de oro de 100 nm de espesor, también se ha demostrado que la conductividad eléctrica y térmica también se reduce casi a la mitad [2].
En general, puede decirse que las propiedades de transporte no sólo dependen de la temperatura, sino también en gran medida del grosor [3].

Estas reducciones de la conductividad pueden atribuirse generalmente a dos causas originales.
Por un lado, la tecnología de síntesis de láminas delgadas utilizada a menudo da lugar a mayores impurezas y defectos en una lámina delgada, lo que provoca más desorden y límites de grano dentro del material, que a su vez da lugar a más dispersión y, por tanto, a una conductividad térmica y conductividad eléctrica reducidas.
Además, también cabría esperar una conductividad térmica reducida en una lámina delgada atómicamente perfecta debido a la dispersión interfacial y a la fuga de fonones.
Sin embargo, ambos mecanismos influyen de forma diferente en el transporte en el plano y en el plano transversal, por lo que las propiedades de transporte de las láminas delgadas suelen mostrar un comportamiento anisótropo.
Este efecto puede observarse incluso si el material sólido correspondiente presenta un comportamiento isótropo.

[1] Li, Deyu, et al.
«Conductividad térmica de nanocables individuales de silicio». Applied Physics Letters 83.14 (2003): 2934-2936.

[2] Linseis, V., Völklein, F., Reith, H., Nielsch, K., y Woias, P. 2018.
Propiedades termoeléctricas de las nanopelículas de Au y Ti, caracterizadas con una novedosa plataforma de medición. Materials Today: Proceedings, Actas de la Conferencia ECT2017.

[3] Linseis, V., Völklein, F., Reith, H., Hühne, R., Schnatmann, L., Nielsch, K., y Woias, P. 2018.
Propiedades termoeléctricas dependientes del espesor y la temperatura de nanopelículas _{de Bi87Sb13} medidas con una nueva plataforma de medición. Ciencia y Tecnología de Semiconductores.