Sombreamento de baixo ângulo do terraço atômico - Atomic-terrace low-angle shadowing
Atomic Terrace Low Angle Shadowing ( ATLAS ) é uma técnica de ciência de superfície que permite o crescimento de nanofios planares ou matrizes de nanopontos usando epitaxia de feixe molecular em uma superfície vicinal . O ATLAS utiliza a estrutura inerente em degraus e terraço da superfície como um modelo para tais nanoestruturas . A técnica envolve a incidência de baixo ângulo de material de fluxo em substratos vicinais. Substratos vicinais são compostos de terraços atômicos separados por etapas atômicas. A técnica ATLAS permite a fabricação de matrizes planas bem definidas de nanoestruturas plasmônicas , de dimensões inatingíveis pela litografia .
Um feixe colimado de átomos ou moléculas é evaporado em um ângulo oblíquo em relação ao substrato. Isso faz com que as etapas "sombreie" o feixe e as moléculas sejam adsorvidas apenas nas partes expostas das etapas na linha de visão direta do evaporador .
O principal atrativo da técnica é sua relativa simplicidade, pois não envolve múltiplas etapas de litografia e pode ser aplicada em superfícies de metal , semicondutor ou óxido .
A técnica é uma abordagem "de baixo para cima " e permite um grande controle sobre a separação das nanoestruturas dentro da matriz, bem como suas larguras individuais. A separação é controlada pelo tamanho dos terraços atômicos do substrato, que é determinado por seu miscut do índice principal ; e a largura das nanoestruturas é controlada pelo ângulo oblíquo da deposição.
ATLAS foi demonstrado ser um muito versátil técnica, com o crescimento de metálico , semi-condutores e magnéticos nanofios e nanopontos demonstrada utilizando uma variedade de materiais de base e os substratos.
Princípios básicos
A Figura 1 (a) mostra um esquema da deposição na direção "descida", isto é, de uma borda externa do degrau para um terraço inferior. O ângulo de deposição β entre a viga e a superfície é pequeno (1 ° -3 °) de forma que algumas áreas dos terraços ficam expostas à viga e outras geometricamente sombreadas .
O ângulo de deposição β determina a largura das nanoestruturas, de acordo com a seguinte relação:
onde w é a largura da nanoestrutura, a é a altura de um degrau, α é o ângulo de corte errado e β é o ângulo de deposição entre o feixe incidente e a superfície ( α e β são considerados pequenos e são medidos em radianos).
A Figura 1 (b) mostra uma situação semelhante, mas desta vez com o substrato girado em 180 °, de modo que o feixe incidente está agora na direção "colina acima" e quase paralelo à superfície. Nesse caso, as faces dos degraus fornecem os locais de ligação e o material depositado cresce ao longo dos degraus, semelhante ao mecanismo de crescimento do fluxo em degraus .
Para crescer nanofios com largura de quinze nanômetros ou menos, a temperatura de deposição para ambas as orientações deve ser escolhida de modo que o caminho livre médio dos adátomos na superfície seja limitado a alguns nanômetros.
Desenvolvimento Experimental
O sistema ATLAS foi desenvolvido no Grupo de Física Aplicada da Escola de Física , Trinity College, Dublin . O procedimento experimental é relativamente simples, quando comparado à litografia ou outras abordagens, o que significa que apenas o equipamento padrão é necessário.
A configuração consiste em uma câmara de vácuo ultra - alta (pressão de base na faixa de 10-10 Torr ), com a amostra montada a uma grande distância de trabalho (40-100 cm ) da fonte de evaporação. Essa grande distância fornece a alta colimação necessária para a técnica ATLAS. A própria amostra é montada em um estágio de rotação e pode ser inclinada em 200 ° com uma precisão de ± 0,5 °.
O substrato pode ser aquecido durante a deposição passando corrente contínua através da amostra para semicondutores ou conduzindo corrente através de uma folha de aquecimento separada sob o substrato para óxidos isolantes .
Versatilidade
As capacidades do sistema foram primeiro testados por matrizes de crescimento de 10-30 nm de largura nanofios metálicos em dois tipos de substratos vicinais, passo-agrupados de Si ( 111 ) e α-Al 2 O 3 ( 0001 ). A deposição de Au e Ag sobre esses substratos produz arranjos de fios com largura e altura de 15 nm e 2 nm, e separados por aproximadamente 30 nm.
Desde sua introdução em 2008, o ATLAS tem se mostrado uma técnica simples para produzir nanofios de uma variedade de materiais com largura de 15 nm e espessura de 2 nm, em vários substratos escalonados.
Limitações
Embora ATLAS seja uma técnica versátil, existem algumas limitações. O crescimento inicial dos nanofios é nucleado em certos locais de adsorção preferencial . Isso pode formar sementes epitaxiais , que crescem independentemente umas das outras, até se encontrarem, formando um fio policristalino geral . Esta policristalinidade pode afetar a estabilidade do fio quando exposto ao ar e pode aumentar a resistência devido à sua natureza defeituosa . É um tópico contínuo de pesquisa para aumentar a epitaxialidade dos nanofios por correspondência de rede , ou aumentar a mobilidade inicial por meio do aquecimento do substrato.
Apesar dessas limitações, os resultados do ATLAS com largura de 15 nm representam uma redução de tamanho de aproximadamente cinco vezes em comparação com outras técnicas de ângulo raso.