Modificação de filmes finos de Au induzida por irradiação com elétrons

Abstract

A irradiação de sólidos com partículas energéticas como elétrons ou íons pode ser utilizada para a síntese de nanoestruturas com potencial aplicação tecnológica. Isto porque a interação entre partículas energéticas e matéria produz deslocamentos atômicos, ionizações e aquecimento, eventos que normalmente alteram a microestrutura de materiais fora do equilíbrio termodinâmico. Filmes finos são termodinamicamente instáveis e quando aquecidos apresentam aglomeração e aumento da espessura em um processo denominado desmolhamento (dewetting). O dewetting ocorre no sentido de minimização da energia livre de superfície e ocorre através de mecanismos de difusão atômica de superfície, de forma a diminuir a relação área/volume do sistema. Neste trabalho, filmes finos de Au foram irradiados com feixe de elétrons de 200 keV e densidade de corrente de 27 A cm−2 a fim de promover um processo similar ao de dewetting térmico. Filmes finos de SiO2 (15 nm) e Au (5 nm, 6 nm e 10 nm) foram depositados sobre membranas de Si3N4 (50 nm) através de evaporação térmica e magnetron sputtering. As amostras foram caracterizadas por Espectrometria de Retroespalhamento Rutherford (RBS), micro-RBS e Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM). Micrografias adquiridas em diferentes magnificações foram processadas para determinar a área de superfície do Au e a área de interface Au/SiO2. O percentual de área projetada foi relacionado às respectivas densidades areais medidas por RBS, a fim de calcular a relação área/volume de cada amostra e descobrir quais filmes seriam mais suceptíveis ao dewetting durante irradiação. As irradiações foram realizadas em magnificação de 600 000 vezes no microcópio eletrônico de transmissão JEOL JEM 2010, instalado no Centro de Microscopia e Microanálise da UFRGS. Micrografias obtidas em diferentes tempos caracterizaram as mudanças microestruturais em função da fluência de elétrons. Durante a irradiação, observou-se a retração de borda e aglomeração do filme fino de Au, isto é, a diminuição da relação área/volume. Em altas fluências, os filmes de SiO2 e Si3N4 foram removidos por pulverização induzida pelo feixe de elétrons, resultando em uma rede planar percolada nanométrica e suspensa de Au. O fluxo atômico de superfície para dewetting induzido por feixe de elétrons foi calculado em função da área projetada e perímetro obtidos das micrografias adquiridas durante a irradiação Estes fluxos foram relacionados com as taxas de deslocamento atômico das interfaces do Au utilizando um modelo matemático em função da seção de choque de deslocamento elástica e do modelo de gota líquida. Tal metodologia permitiu estimar os valores de energia de deslocamento na superfície, Ed = 0, 94 eV, e energia de superfície, = 1,22 J m−2, do filme de Au.

Irradiation of solids with energetic particles, such as electrons or ions, can be used as a tool for the synthesis of nanostructures with potential technological applications. The irradiation may produce atomic defects, such as atomic dislocations, ionization and heating, which can change the microstructure of materials that are out of the thermodynamic equilibrium. Solid thin films are unstable in the as-deposited state, and can dewet or agglomerate when heated. This process is driven by surface energy minimization and occurs by atomic surface diffusion mechanisms. In this work, Au thin films were irradiated with an electron beam of 200 keV and a current density of 27 A cm−2 to induce a similar process to the thermal dewetting. Thin films of Au (5 nm, 6 nm and 10 nm) and SiO2 (15 nm) were deposited over Si3N4 (50 nm) membranes using thermal evaporation and magnetron sputtering. The samples were characterized by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), micro-RBS and Transmission Electron Microscopy (TEM). A set of TEM micrographs was processed to estimate the surface area of Au and the interface area Au/SiO2. The total surfaces of the as-deposited samples were associated with the areal densities measured by RBS to give some estimation of the area/volume fraction in the system, that is, the tendency for the samples to show a dewetting process during irradiation. The irradiations were performed in a JEOL JEM 2010 electron transmission microscope at a magnification of 600.000 times. The microstructural changes during irradiation were correlated with electron fluence by sequential acquisition of TEM micrographs, at different times of the electron beam exposure. The irradiation of the Au thin films shows the retraction of the Au borders and agglomeration. At high fluences, the SiO2 and Si3N4 films were removed by electron beam-induced sputtering, resulting in a suspended planar and percolated network of Au. The surface atomic flux for the electron beam-induced dewetting was measured as a function of the projected area and perimeter of the micrographs acquired during irradiation. The atomic fluxes inferred by the TEM images were associated with the atomic displacement rates at the Au interfaces using a mathematical model as a function of the elastic displacement cross-section and the liquid-drop model. This methodology allowed to estimate the atomic displacement energy on the surface, Ed = 0.94 eV, and the surface energy, = 1.22 J m−2, of the Au thin film.