Efeitos de irradiação e tratamentos térmicos em sistemas de nanopartículas embebidas em substratos dielétricos

Abstract

A técnica de síntese por feixe de íons vem sendo amplamente estudada e aplicada na formação de nanoestruturas. Esta técnica apresenta muitas vantagens, como a possibilidade de inserção de praticamente qualquer elemento da tabela periódica em uma grande variedade de matrizes sólidas. Sistemas de nanoaglomerados (NCs) e nanopartículas (NPs) metálicos e semicondutores encapsuladas em filmes dielétricos apresentam um grande potencial para aplicações na tecnologia de transmissão de informação e armazenamento de dados. NCs e NPs podem ser obtidos pelo método de Síntese por Feixe de Íons, combinando-se implantação iônica e tratamentos térmicos. O presente trabalho trata do estudo da estruturação e estabilidade de sistemas densos de NPs e NCs de Pb e Au embebidos em substratos de Si3N4 e SiO2 frente a tratamentos térmicos e irradiações com feixes de íons e elétrons energéticos. As amostras foram caracterizadas por meio das técnicas de Espectrometria de Retroespalhamento Rutherford (RBS) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET). Em um primeiro momento, filmes de SiO2/Si implantadas com íons de Pb foram submetidas a tratamentos térmicos de longo tempo (envelhecimento) e então irradiadas com íons de H e íons de Si a temperatura de 600 ºC. Este experimento resulta no disparo da formação de sistema de NPs apenas para o caso de irradiação com íons com alta seção de choque de deslocamento atômico. Na sequência, amostras de Si3N4/Si implantadas com íons de Au e submetidas a tratamentos térmicos de alta temperatura (1100 ºC) foram irradiadas com íons de Si a temperaturas de 340 e 600 ºC. Observa-se a formação de NPs e sistemas de bolhas ao longo do filme. Estes fenômenos são discutidos com base em argumentos que explicam a influência da irradiação na difusividade de átomos dentro de matrizes sólidas e as energias necessárias para provocar o deslocamento e rearranjo de átomos.

Ion beam synthesis is nowadays largely studied and applied in connection to the formation of nanostructures. This technique presents many advantages, as the possibility of insertion of practically any element of the periodic table in a variety of solid matrices. Metallic and semiconductor nanoclusters (NCs) and nanoparticles (NPs) systems encapsulated in dielectric films present a great potential for applications in information technology including data storage. NCs and NPs can be obtained by Ion Beam Synthesis combined with ion implantation and thermal treatments. The present work presents the study of the organization and stabilization of embedded Pb NPs and Au NCs in Si3N4 and SiO2 substrates facing thermal treatments as well as high energies ion and electron irradiation. The samples were characterized by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) and Transmission Electron Microscopy (TEM). In a first set of experiments, SiO2/Si films implanted with Pb ions were submitted to long time thermal treatments (aging) and then irradiated with H and Si ions at a temperature of 600 ºC. This experiment results in the nucleation of a dense array of NPs only for the ion with higher atomic displacement cross-section. In a second set of experiments Si3N4/Si samples implanted with Si ions at temperatures of 340 and 600 ºC shows the nucleation of NPs and bubbles within the film. In the case of Au implanted Si3N4 samples irradiated with electrons, we observe that this process permits the control of localization and size of NPs. These phenomena are discussed based in irradiation induced atomic diffusivity arguments as well as on the energies needed to trigger the displacement and rearrangement of atoms.