Caracterização de defeitos mecânicos produzidos por nanoindentações em semicondutores compostos com estrutura hexagonal

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1 Caracterização de defeitos mecânicos produzidos por nanoindentações em semicondutores compostos com estrutura hexagonal Aluno: Richard Bryan Magalhães Santos Orientador: Rodrigo Prioli Menezes Introdução Semicondutores são materiais, geralmente cristalinos, que possuem condutividade elétrica entre a de condutores e isolantes. Ela é proporcional à temperatura, e para semicondutores puros (intrínsecos) é baixa a temperatura ambiente, assemelhando-se a um isolante. Porém, o aumento da temperatura causa um aumento da condutividade, transformando-os em bons condutores. Eles podem ser dopados para se tornarem tão condutores quanto desejável mesmo à temperatura ambiente. Essas características os tornam extremamente úteis para o uso na indústria de microeletrônica. Algumas de suas aplicações são em transistores, dispositivos fotossensíveis e diodos semicondutores. As propriedades eletrônicas e óticas em semicondutores podem ser modificadas também através da aplicação de tensão mecânica. Em geral, busca-se deformar elástica ou plasticamente os materiais para se modificar de maneira controlada essas propriedades 1. Com o advento de novas tecnologias torna-se cada vez mais necessário uma maior velocidade, capacidade de armazenamento e redução de tamanho dos dispositivos eletrônicos atuais. Em nosso trabalho, objetivamos estudar os mecanismos de deformação mecânica dos semicondutores e em especial do óxido de zinco (ZnO). Acredita-se que uma maior compreensão de como esses defeitos são gerados e propagados é necessária em prol de avanços tecnológicos, podendo-se não apenas melhorar a eficiência desses dispositivos, mas também aumentar o domínio sobre o processo. Também sabemos que defeitos induzidos de forma controlada na superfície de um cristal podem funcionar como pontos de nucleação para o crescimento ordenado de novas nanoestruturas semicondutoras. Como o crescimento ordenado dessas nanoestruturas se mostra na literatura extremamente dependente das características dos defeitos produzidos durante as técnicas de nanoindentação 2, torna-se necessário um maior entendimento sobre a deformação plástica de semicondutores em escala nanométrica. Sabe-se que o ZnO possui uma estrutura hexagonal conhecida como wurzita e sua deformação mecânica se dá através do escorregamento de planos atômicos que levam a nucleação de discordâncias 3. Para entendermos esse processo de deformação e nucleação das discordâncias, utilizamos as técnicas de nanoindentação e microscopia de força atômica (AFM). Um trabalho anterior do grupo mostrou os processos de deformação para as três diferentes faces do ZnO 4. O nosso trabalho é uma continuação do trabalho anterior 4, onde comparamos a profundidade de indentação medida in-sito pelo nanoindentador, com aquela

2 medida posteriormente ex-sito pela microscopia de força atômica para as diferentes faces do ZnO. Procedimentos Material O material estudado foi o ZnO, que possui uma estrutura hexagonal conhecida como wurzita. Na figura 1(a) é possível observar as principais direções cristalinas do ZnO. Na figura1(b) é possível observar os planos { } chamado de m,{ } chamado de a e { } chamado de c para uma estrutura hexagonal, sobre os quais foram feitas as indentações. Fig1.Direções e planos em função do plano basal (a) e planos característicos de uma estrutura hexagonal (b). A deformação plástica do ZnO se dá majoritariamente através do escorregamento de planos atômicos que levam à nucleação de discordâncias 3. A deformação da face c ocorre através do deslizamento de planos piramidais { } e de planos basais { }. Já a deformação das faces a e m se dá basicamente através do escorregamento dos planos basais 4. Nanoindentação Um nanoindentador é um equipamento que permite o estudo de propriedades mecânicas de materiais através de indentação e risco. Com ele é possível obter uma curva de força, composta por uma curva de carga e uma curva de descarga, a partir da qual se pode extrair diversas propriedades mecânicas do material. A figura 2 mostra um esquema do processo de indentação: a figura 2(a) mostra o momento em que a indentação é feita, com a ponta pressionando a superfície do material; a figura 2(b) mostra a retirada da ponta e a subsequente recuperação elástica da indentação; a

3 figura 2(c) mostra a curva de carga de uma indentação, e alguns parâmetros que podem ser extraídos dela. A profundidade hc representa a profundidade até a qual ainda ocorre contato amostra-ponta. O hmáx representa a profundidade máxima atingida durante a indentação (antes da recuperação elástica). E o hf representa a profundidade final da região deformada após a retirada da ponta do nanoindentador, e esse é o parâmetro utilizado nas análises a seguir. Fig2. Esquema que demonstra o processo de indentação. Quando a ponta pressiona a superfície (a), quando a ponta é afastada da superfície (b) e a curva de carga e descarga (c). Em cada uma das faces (a, m e c) foram feitos conjuntos de indentações. O nanoindentador que foi utilizado para induzir defeitos na superfície do ZnO é um Triboscope da Hysitron instalado no Laboratório Van de Graaff equipado com uma ponta conoesférica de raio 260 nm. Microscopia de força atômica(afm) A microscopia de força atômica (AFM) é uma técnica que utiliza as interações de natureza intermolecular entre a ponta do microscópio a superfície de uma amostra. Quando a ponta está próxima da superfície ocorre uma atração entre a ponta e a amostra, quando a ponta toca a superfície passa a haver uma repulsão. Ambos os tipos de interação causam uma deflexão na haste onde se localiza a ponta. Varrendo a amostra com a ponta, e medindo a variação dessa deflexão, pode-se então mapear a topografia da superfície em análise. A medição da deflexão é feita com um laser que bate em uma haste onde está a ponta. Ele é refletido para um fotodetector. Conforme a haste é defletida, a posição do laser no fotodetector muda e o sistema de controle (feedback) pode medir sua deflexão através da diferença de intensidade das áreas A e B do fotodetector (Figura 3). Existem dois modos de operação utilizados no AFM para a aquisição das imagens: o modo-

4 Z Departamento de Física -contato e o modo não-contato. Foram feitas imagens de AFM das indentações nas três faces do ZnO (a, m e c) e ambos os modos de operação foram utilizados para a realização das imagens. Fig3. Ilustrando a medição da distorção da haste pelo fotodetector Para o processamento das imagens de AFM foi utilizado o programa XEI da Park. A figura 4 mostra o perfil da imagem pré-processamento em azul. Esse perfil, é ajustado por uma reta, demonstrada em vermelho na figura, que é então subtraída do perfil original. O resultado remove a inclinação da amostra permitindo uma medição mais precisa da altura final. A altura de pile-up (h pile-up ) mostrada refere-se ao acúmulo de material nas bordas da indentação. perfil corrigido inclinaçao perfil pré-processamento h pile up h final Fig4.Esquema que demonstra o processo de tratamento da imagem A figura 5 mostra uma imagem de AFM já processada de uma indentação e seu respectivo perfil de altura. A partir do perfil de altura é possível medir a altura final da X

5 indentação. Para isso, um ponto na superfície é considerado como referência e corresponde a altura zero na imagem, e a partir dele é obtida a profundidade da indentação como é observado na figura 5. Fig 5. Esquema da aquisição da profundidade final da indentação. Os AFMs que foram utilizados nesse trabalho foram o AFM NX10 da Park system e o Multimode da Veeco ambos instalados no Laboratório Van de Graaff. Auto-recuperação parcial (ARP) Chamamos de auto-recuperação parcial (ARP) a diferença de profundidade entre o perfil medido pelo nanoindentador e aquele medido pelo AFM algum tempo depois. A figura 6 compara o perfil de uma indentação recém feita pelo nanoindentador (antes da ARP) com o perfil medido pelo AFM (após a ARP). Fig6.Esquema demonstrando a recuperação elástica de uma indentação

6 Resultados e discussão Foram feitas imagens das indentações de todas as faces das amostras, e pôde-se verificar que ocorre uma ARP nas indentações no intervalo de tempo entre o uso do nanoindentador e o uso do microscópio de força atômica. Este efeito de recuperação é melhor visualizado na forma percentual onde utilizamos como referencia a profundidade do perfil medido pelo nanoindentador. Na figura 7 podemos ver uma comparação dos perfis de profundidade de indentações dos planos a e c. Em vermelho estão os perfis pré- ARP e em azul os perfis pós-arp Fig7.Comparação da ARP para as faces a e c. Os perfis em azul representam a profundidade das indentações antes da ARP, enquanto os em vermelho representam a profundidade após a ARP. Podemos verificar que a deformação produzida pelo nanoindentador é muito maior para o plano c 7(a) do que para o plano a 7(b). Podemos também ver que a auto recuperação parcial se da de forma muito mais pronunciada na face a ~ 60% do que na face c ~ 15% do cristal. A figura 8 mostra a comparação entre a ARP percentual para várias medidas realizadas nas faces a e m (a), e faces a e c (b). No eixo y é medida a ARP percentual, enquanto o eixo x representa as medidas feitas. A face a está representada pelas bolinhas brancas, a m pelas bolinhas escuras e a c pelas cinzas. Fig8.Comparação da ARP das faces a e m (a), e faces a e c (b).

7 Departamento de Física Pode-se ver na figura 8 que enquanto a face a apresentou a maior ARP, as faces m e c apresentaram aproximadamente o mesmo nível de recuperação. A face a apresenta uma média de 55,13 ± 12,27 % de ARP, enquanto a face c apresenta uma média de 16,37± 8,67 % e a face m apresenta uma média de 15,20 ± 10,29 %. A figura 9 nos mostra os esquemas de tensão elástica acumulada no material e o deslizamento dos planos durante a indentação para as três faces analisadas. Durante a indentação, a deformação da face c do ZnO se dá majoritariamente através do escorregamento }. Já a deformação das faces a e m se dá de planos piramidais { } e de planos basais { basicamente através do escorregamento dos planos basais. A energia elástica armazenada no volume deformado do material juntamente com a energia térmica, são os principais responsáveis por esse processo de ARP do ZnO. Essa energia é suficiente para que parte dos planos, que escorregaram durante o processo de deformação, seja empurrada de volta para a superfície. Fig9. Esquema de tensão e deslizamento dos planos da amostra

8 Acreditamos que o menor ângulo de deslizamento dos planos da face a, que de fato são paralelos à direção da força aplicada, é o responsável pela sua maior ARP em comparação às outras faces, pois quanto mais paralelos à direção da força aplicada forem os planos, mais facilmente conseguem escorregar de volta, gerando uma ARP.A eneergia elástica produzida pela nanoindentação e a energia térmica que diminui a energia necessária para se empurrar os planos atomicos de volta a sua posição original são responsáveis pela recuperação elástica observada. Conclusão É comumente observado, para cristais de ZnO cuja superfície possui orientação c, que os dispositivos desenvolvidos sofrem com polarizações espontâneas e piezelétricas na camada ativa reduzindo a eficiência dos mesmos. Os resultados adquiridos mostraram que a face a apresentou uma recuperação superior às outras duas faces (m e c). Acreditamos que o menor ângulo (em relação à direção de aplicação da força, que de fato são paralelos) de deslizamento dos planos da face a é o responsável pela sua maior ARP em comparação às outras faces. O mecanismo de deformação observado neste projeto para o ZnO está agora sendo utilizado para se entender o mecanismo de deformação de nanoestruturas fabricadas com este material assim como os mecanismos de deformações de outros semicondutores como em particular nitreto de gálio (GaN) da família III-N. Referências [1] Ju Li, Zhiwei Shan and Evan Ma, MRS Bulletin, 39, pp (2014). [2] H. D. Fonseca-Filho, C. M. Almeida, R. Prioli, M. P. Pires, P. L. Souza, Z. H. Wu, Q. Y. Wei, and F. A. Ponce, J. Appl. Phys. 107, (2010). [3] J. E. Bradby, S. O. Kucheyev, J. S. Williams, C. Jagadish, M. V. Swain, P. Munroe, and M. R. Phillips, Appl. Phys. Lett. 80, 4537 (2002). [4] R. Juday, E. M. Silva, J. Y. Huang, P. G. Caldas, R. Prioli, and F. A. Ponce, Journal of Applied Physics 113, (2013).