Eletrodeposição de nanoestruturas metálicas em silício nanocristalino

Abstract

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Físicas e Matemáticas. Programa de Pós-Graduação em Física.O objetivo deste trabalho é a obtenção de nanoestruturas metálicas em superfícies de silício monocristalino empregando métodos eletroquímicos. Foram exploradas concomitantemente duas frentes de pesquisa: (1) preparação de superfícies de silício com padrão de organização nanoscópico; e (2) utilização destas como substrato para a eletrodeposição de nanoestruturas metálicas. Foram analisadas as condições necessárias para a obtenção de superfícies hidrogenadas de silício H-Si(111) com terraços monoatômicos livres de defeitos (pites), preparadas a partir do desbaste químico de lâminas Si(111) em solução de NH4F. A influência dos diferentes parâmetros de preparação foi investigada com medidas eletroquímicas e observações AFM ex-situ. Para obter superfícies H-Si(111) sem pites, foi demonstrado que são indispensáveis tanto a remoção do oxigênio diluído na solução de desbaste quanto a presença da face rugosa da lâmina durante o processo de corrosão. Verificou-se que esta age como um anodo de sacrifício na amostra, polarizando catodicamente a superfície de interesse, protegendo-a da corrosão anódica do silício responsável pela formação de pites nos terraços. As características estruturais das lâminas de partida, determinadas por difração de raios X, influenciam na topografia final da superfície H-Si(111). A quantidade de degraus monoatômicos observados nas imagens AFM destas superfícies é diretamente proporcional à intensidade do desvio entre a direção cristalográfica <111> e a normal à superfície das lâminas de partida. Por outro lado, a morfologia das bordas dos terraços monoatômicos está associada à direção cristalográfica no plano [111] que emerge da superfície das lâminas. Quando esta é próxima à < -1 -1 2>, são obtidas superfícies H-Si(111) com degraus monoatômicos retilíneos em larga escala (>µm). A eletrodeposição potenciostática de Au mostrou-se ser seletiva em tais superfícies H-Si(111). Dependendo do potencial de deposição empregado, conforme observado com AFM, varia tanto a quantidade quanto a localização dos sítios de nucleação de Au nesta superfície. Numa determinada faixa de potencial, este sistema eletroquímico apresentou mecanismo anisotrópico de nucleação, onde Au deposita-se predominantemente sobre os degraus monoatômicos do substrato. Deste modo foi possível preparar nanoestruturas Au/Si(111) cujo padrão nanométrico de organização é regido pela topografia do substrato empregado. Nos ensaios de microscopia AFM também foi constatado uma quantidade significativa dos aglomerados de Au eletrodepositados que possuem formato achatado com contorno poliédrico bem definido cujo um dos lados está alinhado ao degrau da superfície H-Si(111). Este indício de crescimento ordenado Au(111) e em epitaxia com o substrato foi investigado a partir de ensaios de DRX de difração normal e plana respectivamente. Com estes experimentos foi verificado tanto que a quantidade de ouro depositada com textura Au(111), quanto o grau de epitaxia e alinhamento perpendicular do depósito com o substrato, aumentam gradativamente a medida que o potencial de deposição torna-se mais negativo. Foi proposto um modelo para descrever a dependência do mecanismo de nucleação e crescimento de Au sobre Si(111) com o potencial de deposição. Segundo este modelo, ocorre a segregação da camada de hidrogênio da superfície H-Si(111) para potenciais mais intensos (mais negativos) privilegiando a formação de ligações Au-Si. Para finalizar, tais estruturas Au/Si(111) foram empregadas como substrato para a eletrodeposição de camadas metálicas de cobalto. Os aglomerados de Au na superfície destas amostras serviram para ancorar a nucleação de Co. Deste modo, foi possível produzir nanoestruturas magnéticas com morfologia determinada, indiretamente, pela distribuição de degraus monoatômicos do substrato Si(111). Em tais amostras Co/Au/Si(111) verificou-se a presença de anisotropia magnética perpendicular e plana, sendo esta última induzida pela distribuição anisotrópica de aglomerado na superfície do substrato