Evoluzione della rugosità superficiale invariante nel tempo durante le deposizioni di film sottili a pressione atmosferica

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 19888 (2016) Citare questo articolo

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L'evoluzione della morfologia del film sottile durante la deposizione a pressione atmosferica è stata studiata utilizzando metodi Monte Carlo. La rugosità quadratica media invariante nel tempo e la morfologia della rugosità locale sono state entrambe osservate quando si utilizzava un nuovo parametro di simulazione, modellando l'effetto della condizione sperimentale di alta pressione. Questo regime di crescita, in cui la rugosità superficiale rimane invariante dopo aver raggiunto un valore critico, non è stato classificato da nessuna classe di universalità esistente. Un meccanismo di crescita anti-ombreggiamento responsabile di questo regime si verifica quando le particelle subiscono collisioni binarie sotto gli apici della superficie. Pertanto, questo meccanismo è applicabile quando il libero cammino medio delle specie depositanti è paragonabile all'ampiezza delle caratteristiche superficiali. Dal punto di vista computazionale questo è stato modellato consentendo alle particelle di cambiare direzione ad un'altezza specifica sopra la superficie della pellicola locale. Questa modifica della traiettoria del flusso in entrata ha di conseguenza un notevole effetto di levigatura e le superfici risultanti appaiono in accordo con recenti osservazioni sperimentali.

L'evoluzione morfologica degli strati materiali in crescita è di continuo interesse da parte della comunità scientifica sia dal punto di vista teorico che pratico1,2,3,4,5. L'interesse è alimentato dall'effetto sostanziale che la morfologia superficiale ha sulle proprietà ottiche, elettriche e meccaniche di una pellicola. Naturalmente sono stati sviluppati molti metodi per assistere nella caratterizzazione e nella previsione delle morfologie. Tra questi, le relazioni di scala che coinvolgono caratteristiche superficiali misurabili, come la rugosità quadratica media ω, hanno un forte potere predittivo senza considerare le proprietà dettagliate del materiale in questione. Queste relazioni danno origine ad esponenti di scala, che possono possedere solo uno specifico insieme di valori che dipendono dalla dimensionalità e dalla simmetria delle dinamiche di crescita. Inoltre, questi esponenti consentono di classificare fenomeni di crescita apparentemente non correlati all’interno della stessa classe di universalità. La crescita all'interno di una classe di universalità è prevedibile e ammette una fabbricazione superficiale affidabile1,2,3,6.

Di particolare interesse è l'esponente di rugosità, α e l'esponente di crescita β. Quest’ultima deriva dalla relazione ω(t) ~ tβ, dove ω(t) = 〈[h(r′, t) − 〈h(t)〉]2〉 e h(r, t) è l’altezza della superficie nella posizione r al tempo t. Il primo descrive il comportamento locale di sgrossamento e può essere definito considerando innanzitutto la funzione di correlazione altezza-altezza (HHCF),

dove 〈···〉 denota una media statistica. Per problemi di crescita superficiale autoaffine, questa funzione si comporta come

Dove

Qui, ξ indica la lunghezza orizzontale massima alla quale sono correlate le altezze della superficie, data dalla relazione di scala ξ ~ tβ/α 2,3. Il significato di α non è così sfuggente come sembra la matematica; α descrive la frequenza della fluttuazione locale dell'altezza, con un valore vicino all'unità corrispondente a una superficie oscillatoria lenta e un valore vicino allo zero corrispondente a una superficie oscillatoria rapida6,7. Conoscere le condizioni sperimentali in cui questi esponenti mantengono un certo valore consente di fabbricare film con proprietà morfologiche prevedibili.

Una recente analisi di film di organosilicone cresciuti utilizzando la deposizione chimica in fase vapore (CVD) potenziata dal plasma a pressione ambiente mostra che le superfici prodotte possiedono caratteristiche di scaling uniche diverse da qualsiasi precedente classe universale8,9. Vale a dire, le superfici isotrope mostravano una rugosità superficiale indipendente dal tempo caratterizzata da β ≈ 0 e costante α. Per una descrizione completa della deposizione si rimanda ai riferimenti bibliografici8,10,11. Un aspetto critico di questo lavoro era l'ambiente ad alta pressione in cui venivano eseguite le deposizioni. Le condizioni di alta pressione non sono state incluse nel precedente lavoro teorico che prevedeva la rugosità superficiale in funzione dei parametri sperimentali. Nella discussione successiva, i metodi Monte Carlo vengono impiegati per esplorare un possibile meccanismo di crescita che può produrre la rugosità invariante nel tempo osservata durante la deposizione ad alta pressione. Il seguente meccanismo proposto è in grado di spiegare le caratteristiche salienti durante la deposizione a pressione atmosferica.