Growth of functional oxide heterostructures from chemical solutions using advanced processing methodologies
- Autores: Albert Queraltó López
- Directores de la Tesis: Teresa Puig i Molina (dir. tes.), Xavier Granados García (dir. tes.), Angel Pérez del Pino (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Autònoma de Barcelona ( España ) en 2015
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Kornelius Nielsch (presid.), Florencio Sánchez Barrera (secret.), Mª Lourdes Calzada Coco (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
En aquesta tesi doctoral, hem explorat innovadores tècniques de processat basades en el dipòsit de solucions químiques per tal de produir heteroestructures d’òxids, mitjançant processos d’autoassemblatge i autoorganització. Essencialment, s’ha dut a terme una profunda investigació dels mecanismes termodinàmics i cinètics involucrats en la nucleació i cristal·lització de diferents heteroestructures d’òxids (nanoilles i capes primes) amb materials com CeO2, LaNiO3, Ba0.8Sr0.2TiO3 i La0.7Sr0.3MnO3 sobre substrats monocristal·lins (Y2O3:ZrO2, LaAlO3, SrTiO3) i tecnològics com silici o cintes metàl·liques recoberts amb capes d’òxids. Tractaments tèrmics usant rampes d’escalfament ràpides (?20 ºC/s) han permès separar la nucleació del creixement. En primer lloc, hem reportat que es possible aconseguir cristal·litzar, fins i tot epitaxialment, a baixes temperatures (<500 ºC). També hem determinat el paper que juguen diferents paràmetres de processat (temperatura, rampa d’escalfament i atmosfera), i el tipus i orientació del substrat en les velocitats de nucleació i creixement, com també en la morfologia final del sistema. Anàlisis termodinàmics indiquen que la tensió creada entre capa i substrat té una contribució important en la nucleació i creixement. A més, s’ha pogut veure que la situació de tensió del sistema està altament influenciada per les diferències en l’expansió tèrmica soferta entre capa i substrat. També hem demostrat que el creixement dels grans segueix un comportament auto-limitat està en gran mesura influenciat per un procés de difusió atòmica activat tèrmicament. Curiosament, la transformació des de material policristal·lí a epitaxial segueix el mateix comportament, i està impulsat per una reducció en les frontes de gra policristal·lines. Les velocitats de creixement del procés (0.01-0.1 nm/s) depenen en gran mesura de com ràpid el material epitaxial creix respecte el policristal·lí. En aquest sentit, hem pogut calcular que els coeficients de difusió atòmica epitaxials són un ordre de magnitud més grans que els policristal·lins, 10-19 i 10-20 m2/s respectivament. S’ha determinat que el gruix de la capa pot influenciar negativament en la velocitat de creixement epitaxial, dificultant la obtenció de capes epitaxials a gruixos grans. En la mateixa línea, hem implementat i utilizat una metodologia innovadora com és la irradiació làser en condicions atmosfèriques per al creixement d’heteroestructures d’òxids, com a alternativa als tractaments tèrmics. La influència dels mecanismes tèrmics fotoinduïts s’ha avaluat mitjançant simulacions numèriques, usant els paràmetres òptics i termofísics dels diferents materials. Així doncs, hem demostrat la capacitat d’assolir la descomposició de capes metal·lorgàniques precursores, en particular propionats de Ce-Zr, amb temps de processat significativament inferiors i amb resultats equivalents als tractaments tèrmics convencionals. El disseny de patrons micromètrics ha estat possible gràcies al confinament espacial del feix làser. Altrament, també s’ha aconseguit la cristal·lització epitaxial de capes d’òxids sobre substrats monocristal·lins i tecnològics després d’una optimització en les condicions experimentals (fluència, nombre de polsos, temperatura del substrat, etc). S’ha observat que aquest creixement epitaxial és significativament més ràpid comparat amb els tractaments tèrmics (poques mil·lèsimes de segon comparat amb desenes de minuts). La raó d’aquest creixement tant ràpid s’ha atribuït principalment a les temperatures més elevades assolides amb els tractaments làser que tenen una influència rellevant en la difusió atòmica. Tanmateix, hem proposat que altres fenòmens com els grans gradients tèrmics dins les capes (1010 ºC/m), com també efectes fotoquímics derivats del trencament directe dels enllaços químics pels fotons làser poden tenir també una contribució important. Finalment, hem vist que les propietats funcionals de les capes crescudes amb làser són bastant similars a aquelles obtingudes amb tractaments tèrmics. Les diferents metodologies de creixement combinades amb tècniques de caracterització avançades (microscòpies de força atòmica i electròniques, difracció de raig X, espectroscòpies infraroja-visible-ultravioleta, el·lipsometria) han permès aquest detallat estudi i una millor comprensió dels mecanismes de nucleació i creixement de heteroestructures d’òxids a partir del dipòsit de solucions químiques. Les metodologies i anàlisis desenvolupats han estat fonamentals per al desenvolupament d’aquesta tesi i el seu ús pot ésser traslladat a altres sistemes.
