EVOLUÇÃO MORFOLÓGICA DE FILMES FINOS DE ZnO CRESCIDOS POR RF MAGNETRONS SPUTTERING

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1 EVOLUÇÃO MORFOLÓGICA DE FILMES FINOS DE ZnO CRESCIDOS POR RF MAGNETRONS SPUTTERING MORPHOLOGICAL EVOLUTION OF ZnO THIN FILMS GROWN BY RF MAGNETRON SPUTTERING Michel Chaves, Andressa M. Rosa, Érica P. da Silva, Ellen Amorim, José Roberto R. Bortoleto Campus Experimental de Sorocaba FAPESP. Palavras-chave: microscopia de força atômica; rf magnetron sputtering; morfologia superficial de filmes finos de ZnO. Keywords: atomic force microscopy; rf magnetron sputtering; surface morphology of the thin films ZnO. RESUMO Este trabalho apresenta o estudo da evolução morfológica da superfície no crescimento de filmes de ZnO pela técnica de RF magnetron sputtering. As medidas no microscópio de força atômica mostram a existência de dois regimes de crescimento. Inicialmente, a morfologia superficial é principalmente formada por uma estrutura granular. Conforme, o aumento da espessura dos filmes há o aparecimento e a evolução de estruturas com formato piramidal. 1. INTRODUÇÃO O óxido de zinco (ZnO) tem-se destacado devido sua natureza versátil. Na realidade, o ZnO é um semicondutor de bandgap largo que pode ser usado em inúmeras aplicações tais como: células solares, TFTs, janelas refletoras de calor, janelas inteligentes e sensores químicos. Em particular, ZnO é uma alternativa promissora para substituir o óxido de índio dopado com estanho (ITO) em aplicações de óxido condutivo transparente (TCO), devido seu baixo custo, baixa toxicidade e a estabilidade em plasma de hidrogênio. Os filmes finos de ZnO tem sido depositados em uma grande variedade de técnicas incluindo rotas químicas e físicas, tais como deposição a laser pulsado, evaporação térmica, deposição de vapor químico, evaporação por feixe de elétron, spray pirólise, método sol-gel e RF magnetron sputtering em diferentes substratos. Entre estes métodos, o RF magnetron sputtering tem recebido bastante atenção, pois permite a síntese de filmes finos de ZnO com alta qualidade cristalina a baixas temperaturas. Muitas das propriedades de filmes finos, que são à base de suas aplicações em dispositivos tecnológicos, dependem de suas propriedades superficiais, particularmente a rugosidade. Assim, o conhecimento do mecanismo que determina a estrutura do filme tem motivado uma grande quantidade de pesquisas nos últimos anos. Em particular, uma ênfase tem sido dada aos estudos teóricos e experimentais da evolução de crescimento de filmes finos. Duas medidas de comprimento características são normalmente empregadas para estudar a dinâmica de crescimento de diferentes sistemas: a largura da rugosidade superficial σ e o comprimento de correlação lateral ξ. Assumindo-se que σ e ξ alteram com tempo de deposição t, assim σ ~ t β e ξ ~ t p, respectivamente. O expoente β e p dependem do mecanismo de crescimento que está operando durante a deposição, isto determina a evolução morfológica do filme. Logo, a determinação experimental desses expoentes e sua comparação com os modelos de crescimentos existentes permitem identificar os principais mecanismos de crescimento envolvidos na deposição do filme. 2. OBJETIVOS (1) Estudar a morfologia da superfície dos filmes finos de ZnO; (2) De forma experimental, apresentar diferentes mecanismos no crescimento dos filmes finos de ZnO; (3) Apresentar as

2 estruturas formadas segundo a dinâmica do mecanismo dominante sobre a superfície dos filmes finos. 3. MATERIAIS E MÉTODOS Os materiais utilizados neste projeto foram: (1) óxido de zinco ZnO; (2) software XEI; (3) software OriginPro8; (4) AFM XE-100 Park System. A morfologia dos filmes foi caracterizada por microscopia de força atômica (AFM) usando o equipamento XE-100 operando no modo de não-contato. A alavanca de silício foi empregada com raio nominal de 10 nm. Para cada amostra investigada, diferentes ciclos de AFM foram utilizados, com tamanho lateral de 2µm. A morfologia da superfície foi medida com AFM operando em atmosfera ambiente. As imagens de AFM 2µm x 2µm foram adquiridas, a rugosidade foi caracterizada em termos da rugosidade quadrática média (RMS-σ) e o comprimento de correlação lateral (ξ). Os parâmetros σ e ξ foram obtidos a partir da morfologia de superfície h (r, t) medido pelo AFM. A rugosidade σ é matematicamente definida como σ = onde é a media espacial sobre a área medida. O valor de σ foi obtido diretamente das imagens de AFM 2µm x 2µm em diferentes locais de cada amostra. O comprimento de correlação é relacionado ao tamanho lateral das estruturas na superfície. O valor médio ξ foi derivado pela curva de Lorentz na densidade espectral de potência (PSD) calculado a partir das imagens de AFM. A curva PSD é obtida pelo software XEI. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES A figura 1 mostra as imagens de AFM da superfície do substrato de vidro e dos filmes de ZnO com cinco diferentes espessuras. Inicialmente, a morfologia é principalmente formada por uma estrutura granular. Nota-se um crescimento contínuo em tamanho e altura das estruturas superficiais com o aumento da espessura do filme. Conforme ilustra as imagens da figura 1, a distribuição espacial dos grãos é muito homogênea para todos os filmes. Um comportamento semelhante tem sido relatado por Vasco et al. para crescimento de filmes ZnO/InP (100) pela técnica PLD. A figura 2 mostra a evolução de ξ em função das espessuras dos filmes. Na figura 2(a), duas regiões podem ser distinguidas separadas por uma linha vertical que encontra- se em 50 nm de espessura. Na primeira região abaixo de 50 nm, é encontrado o coeficiente angular ac 1 = - 0,0153. Na segunda com espessura 50 nm, é observado um coeficiente angular ac 2 = (5,27 ± 0,15) A figura 2(b) mostra o gráfico log-log da região 2 (espessura 50 nm). Nesta região é encontrado um expoente p 1 = 0,6 ± 0,5 enquanto que Vasco et al. encontra p 1 = 0,3 ± 0,05 para uma região similar em espessura. Assim, a descontinuidade entre estas duas regiões correspondem a formação rápida e inicial de uma estrutura piramidal como pode ser observado na figura 1. A figura 3 ilustra a alteração na rugosidade da superfície σ em relação às espessuras dos filmes (tempo de deposição). Uma análise detalhada da figura 3(a) mostra que as duas regiões com descontinuidade em 50 nm são também observadas para a evolução da rugosidade superficial. É possível notar que esta descontinuidade é mais evidente do que no caso da figura 2(a). Contudo, a existência de duas regiões morfológicas diferentes com a mesma espessura na descontinuidade (50 nm) suporta a existência dessas duas regiões também para a evolução da rugosidade. Logo, a primeira região, espessura 50 nm, mostra um coeficiente linear ar 1 = 1,75 ± 0,08 enquanto que para a segunda região, ar 2 = 0,95 ± 0,76. A figura 3(b) apresenta um expoente β 1 = 0,93 ± 0,06 enquanto Vasco et al. mostra β 1 = 1,0 ± 0,1 para uma região similar em espessura. Em síntese, os resultados experimentais indicam que a dinâmica de crescimento de filmes de ZnO crescidos por magnetron sputtering no substrato de vidro apresentam dois regimes de crescimento. No segundo regime, para a espessura 50 nm, é caracterizado pelos expoentes p 1 =

3 0,6 e β 1 = 1,0. Conforme afirma Vasco et al., a região 2 apresenta expoente de crescimento que é característico do processo de crescimento instável (ou seja, β 0,5). A figura 2 (a) mostra a diminuição da correlação até o filme com espessura de 25 nm na região 1. A partir de 50 nm que caracteriza o segundo regime, há um aumento linear progressivo da correlação. A primeira região é caracterizada pela existência de uma estrutura granular sem nenhuma orientação superficial, ou seja, uma estrutura amorfa. Já a segunda região é caracterizada pelo desenvolvimento, tanto no tamanho lateral quanto na altura, de uma estrutura piramidal cujas facetas exibem uma morfologia em degraus. Neste último estágio, há um crescimento colunar das estruturas formando policristais com orientação ao longo da direção (002). Analisando a rugosidade σ, a região 1 é caracterizada por uma pequena variação na σ entre os filmes com espessuras de 0 a 50 nm. Conforme ilustra a figura 3 (a), estes filmes possuem baixa rugosidade em torno de 2 nm indicando que estes são amorfos. Na região 2, há uma descontinuidade na rugosidade superficial em torno de 50 nm de espessura. A partir disso, ocorre um crescimento linear e progressivo da rugosidade caracterizando a formação de uma estrutura policristalina. Fig. 1: Imagens de AFM 2μm x 2μm do substrato de vidro e dos filmes de ZnO com diferentes espessuras. (a) substrato de vidro, (b) 25 nm, (c) 50 nm, (d) 100 nm, (e) 185 nm, (f) 250 nm e (g) 465 nm. 5. CONCLUSÃO

4 Muitas das propriedades dos filmes finos, que definem as suas aplicações tecnológicas, dependem de suas propriedades superficiais, principalmente a rugosidade. Assim, é importante conhecer o mecanismo de evolução do crescimento desses filmes. Neste trabalho foi analisado os filmes de ZnO crescido por magnetron sputtering em substrato de vidro. Conforme análise foi possível observar um comportamento dinâmico no crescimento dos filmes caracterizado por dois diferentes regimes separados por uma descontinuidade. No primeiro regime, a morfologia superficial é caracterizada por uma estrutura granular sem orientação, ou seja, são filmes amorfos. Segundo o aumento da espessura, há uma evolução na morfologia superficial. Neste caso, ocorre o desenvolvimento de uma estrutura piramidal nas superfícies dos filmes e uma melhoria na cristalinidade, tornando-se um policristal.. Fig. 2: A evolução do comprimento de correlação calculado pelo ajuste Lorentziano do espectro de potencia 2D das imagens de AFM 2μm x 2μm. Na figura 2(a), dois regimes podem ser distinguidos por uma descontinuidade em 50 nm. A figura 2(b) mostra o gráfico log-log da região 2. Fig 3: Evolução da rugosidade superficial em função da espessuras do filme de ZnO. A figura 3(a) mostra dois regimes separados pela mesma descontinuidade mostrada na figura 2. Na figura 3(b), é mostrado o gráfico log-log da rugosidade superficial na região AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq e FAPESP pelo apoio financeiro. Em particular, o autor Michel Chaves agradece a FAPESP pela bolsa de Iniciação Científica (Proc. 2010/ ). 7. REFERÊNCIAS

5 DAMIANI, L.R. Filmes de oxido de índio dopado com estanho depositados por magnetron sputtering. Dissertação (Mestrado em Engenharia em Sistema Eletrônicos). São Paulo, p. VASCO, E; ZALDO, C; VÁZQUEZ, L. Growth evolution of ZnO films deposited by pulsed laser ablation. Journal of Physics: Condensed Matter 13, L663-L672, 2001.

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