Versatilidade da técnica MEIS na caracterização de nanomateriais e dispositivos avançados

Abstract

A nanotecnologia está presente em diversos setores industriais como cosmético, automotivo, telecomunicação, saúde, alimentação, entre outros. O número de publicações e patentes associadas à nanotecnologia cresce a cada ano e seu faturamento impacta cada vez mais o mercado mundial. A caracterização de materiais e dispositivos em escala nanométrica é um enorme desafio, o qual afeta diretamente o avanço científico e tecnológico dessas estruturas. O uso da técnica de espalhamento de íons a energias intermediárias (MEIS) na caracterização de nanoestruturas vem crescendo, devido sua capacidade de determinar com resolução subnanométrica composições elementares e perfil de concentrações. Essa técnica pode ser utilizada como ferramenta adicional para caracterização da forma, da composição, da distribuição de tamanho e da estequiometria de nanopartículas (NPs). Além disso, técnicas de espalhamento de íons e elétrons fornecem o perfil elementar em profundidade em termos do produto entre a espessura e a densidade. Através do uso de feixes moleculares, a técnica MEIS é única para quantificar espessuras e densidades independentemente. Neste trabalho, aplicamos a técnica MEIS na caracterização de dispositivos e materiais avançados. Para isso, utilizamos a técnica MEIS de três maneiras distintas: cartografia MEIS, MEIS convencional e explosão Coulombiana. A cartografia MEIS foi utilizada para analisar a ausência de um centro de simetria no cristal de fosfeto de gálio (GaP) e determinar sua completa orientação cristalográfica. Através do MEIS convencional determinamos a distribuição de dopantes e as principais dimensões de um transistor tridimensional. Por último, utilizamos a explosão Coulombiana para quantificar a espessura e a densidade absoluta de uma camada de dióxido de silício (SiO2) crescida devido a um processo de limpeza realizado após uma implantação de arsênio (As) via plasma. Além disso, foi obtido o perfil em profundidade do As. Assim, utilizamos cada potencialidade da técnica MEIS para mostrar sua abrangência. Esses resultados mostram que a versatilidade da técnica MEIS permite caracterizar materiais e dispositivos avançados abrindo novas perspectivas para o uso de feixe de íons e moléculas na caracterização nanométrica.

Nanotechnology is present in several industrial sectors such as cosmetics, automotive, telecommunication, health, food, and others. The number of publications and patents associated with nanotechnology grows exponentially and its billing increasingly impacts the world market. The characterization of nanoscale nanomaterials and devices is a huge challenge, which directly affects the scientific and technological advance of these structures. The use of medium energy ion scattering technique (MEIS) in the characterization of nanostructures has been increasing due to its ability to determine, with subnanometric resolution, elemental compositions and concentration profile in thin films. This technique can be used as an additional tool for the characterization of nanoparticle (NPs) shape, composition, size distribution, and stoichiometry. In addition, ion and electron scattering techniques provide the elemental depth profile in terms of the product between thickness and density. Through the use of molecular beams, the MEIS technique is unique for quantifying absolute thickness and densities. In this work, we apply the MEIS technique to characterize advanced devices and materials. For this, we have used the MEIS technique in three different ways: MEIS cartography, conventional MEIS, and Coulombian explosion. MEIS cartography was used to analyze the absence of a center of symmetry in the gallium phosphide (GaP) crystal and to determine its complete crystallographic orientation. Through conventional MEIS we determine the distribution of dopants and the main dimensions of a tridimensional transistor. Finally, we use the Coulomb explosion to quantify the absolute thickness and density of a grown silicon dioxide (SiO2) layer due to a cleaning process performed after a plasma arsenic (As) implantation. In addition, we obtain the depth profile of As. Thus, we use each potentiality of the MEIS technique to show its scope. These results show that the versatility of the MEIS technique allows characterization of advanced materials and devices, opening new perspectives for the use of ion and molecule beams in nanometric characterization.