Crescimento endotaxial de nanoplacas de NiSi2 e CoSi2 em Si

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Schuitek, Thiago Paulino
Data de Publicação: 2024
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/88403
Resumo: Orientador: Guinther Kellermann
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spelling Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduação em FísicaKellermann, Guinther, 1969-Schuitek, Thiago Paulino2024-06-05T21:21:03Z2024-06-05T21:21:03Z2024https://hdl.handle.net/1884/88403Orientador: Guinther KellermannDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Física. Defesa : Curitiba, 01/03/2024Inclui referênciasÁrea de concentração: FísicaResumo: Nanocompósitos formados por nanocristais de silicetos metálicos, tais quais NiSi2 e CoSi2, crescidos em silício monocristalino têm atraído a atenção de diversos pesquisadores, uma vez que podem ser aplicados em aprimoramento de células solares, em contatos de circuitos integrados, emissores de elétrons por campo de ativação, controle da barreira em diodos do tipo Schottky e na construção de dispositivos termoelétricos. Por outro lado, como as propriedades desses materiais dependem do tamanho, forma e orientação das nanopartículas desses silicetos é importante conhecer os processos de preparação que permitam produzi-los com a morfologia que confira aos mesmos as propriedades desejadas. Esta dissertação teve como objetivos principais: (i) melhorar a reprodutibilidade do processo utilizado na preparação desses dissilicetos em uma fina camada próxima da superfície de wafers de Si monocristalinos, (ii) estudar o efeito da temperatura de tratamento térmico na faixa entre 320 °C e 700 °C no tamanho final dos nanocristais de NiSi2 e CoSi2, e (iii) estudar o efeito da orientação cristalográfica da superfície dos wafers de Si no tamanho final e orientação dos nanocristais de NiSi2. As amostras foram estudadas pelas técnicas de espalhamento de raios X a baixo ângulo, reflectometria de raios X, difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura e fotoluminescência. No método de preparação proposto, após a remoção do óxido nativo, deposita-se o sal do nitrato metálico diretamente sobre o wafer e submete-se a amostra a tratamento térmico em atmosfera redutora de 5% H2 + 95% He. A mesma quantidade de sal foi depositada em todas as amostras. O tratamento térmico em temperaturas favoráveis permite a difusão dos átomos metálicos no wafer e a posterior formação e crescimento dos dissilicetos de Ni e Co. Os resultados mostraram a formação de nanoplacas desses silicetos com forma aproximadamente hexagonal e com certa dispersão em tamanho. Observou-se que a formação das nanoplacas se dá em uma fina camada a cerca de 40 nm da superfície do wafer. Entre esta camada e a superfície do Si ocorre a formação de uma camada de Si poroso com poros de diâmetro médio de 30 Å que se originam do processo de ataque químico utilizado na remoção da camada de óxido nativa. Os resultados de espalhamento de raios X a baixo ângulo mostraram que independentemente da orientação cristalinas dos wafers a superfície maior das nanoplacas é sempre paralela a um dos planos da família cristalográfica {111} do Si. O estudo do efeito da temperatura de tratamento térmico na morfologia das nanoplacas mostrou que as temperaturas mínimas de formação dos dissilicetos de Ni e Co são 350 e 500 °C, respectivamente. Este estudo mostrou ainda que para temperaturas superiores a 400 °C as nanoplacas de NiSi2 atingem um tamanho limite com valores médios de diâmetro e espessura de 800 Å e 20 Å, respectivamente. Para as nanoplacas de CoSi2 não se observou variação significativa do tamanho final com a temperatura. Nesse caso os valores médios de diâmetro e espessura foram 300 Å e 15 Å, respectivamente.Abstract: Nanocomposites formed by nanocrystals of metallic silicides, such as NiSi2 and CoSi2, grown in monocrystalline silicon, have attracted the attention of various researchers, as they can be applied in enhancing solar cells, integrated circuit contacts, field emission electron emitters, Schottky diode barrier control, and as thermoelectric material. On the other hand, since the properties of these materials depend on the size, shape, and orientation of the nanoparticles of these silicides, it is important to understand the preparation processes that allow them to be produced with the morphology that confers the desired properties to them. This dissertation had the following main objectives: (i) to improve the reproducibility of the process used in the preparation of these disilicides in a thin layer near the surface of monocrystalline Si wafers, (ii) to study the effect of heat treatment temperature in the range between 320 °C and 700 °C on the final size of the nanocrystals of NiSi2 and CoSi2, and (iii) to study the effect of the crystallographic orientation of the Si wafer surface on the final size and orientation of the nanocrystals of NiSi2. The samples were studied by small-angle X-ray scattering, X-ray reflectometry, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and photoluminescence techniques. In the proposed preparation method, after removing native oxide, the metal nitrate salt is directly deposited onto the wafer, and the sample is subjected to a thermal treatment in a reducing atmosphere of 5% H2 + 95% He. The same amount of salt was deposited on all samples. The thermal treatment at a favorable temperature allows for the diffusion of metal atoms into the wafer and the subsequent formation and growth of Ni and Co disilicides. The results showed the formation of nanoplates of these silicides with an approximately hexagonal shape and with some size dispersion. It was observed that the formation of the nanoplates occurs in a thin layer of Si about 40 nm from the wafer surface. Between this layer and the Si surface, the formation of a porous Si layer with pores of an average diameter of 30 Å occurs, originating from the chemical etching process used to remove the native oxide layer. Small-angle X-ray scattering results showed that regardless of the crystallographic orientation of the wafer surface, the larger surface of the nanoplates is always parallel to one of the planes of the Si{111} crystallographic form. The study of the effect of the thermal treatment temperature on the morphology of the nanoplates showed that the minimum formation temperatures of Ni and Co disilicides are 350 and 500 °C, respectively. This study also showed that for temperatures above 400 °C, the NiSi2 nanoplates reach a limit size with average diameter and thickness values of 800 Å and 20 Å, respectively. For the CoSi2 nanoplates, no significant variation in the final size with temperature was observed. In this case, the average diameter and thickness values were 300 Å and 15 Å, respectively.1 recurso online : PDF.application/pdfNanocompósitos (Materiais)NanocristaisSilicetosFísicaCrescimento endotaxial de nanoplacas de NiSi2 e CoSi2 em Siinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - D - THIAGO PAULINO SCHUITEK.pdfapplication/pdf10436256https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/88403/1/R%20-%20D%20-%20THIAGO%20PAULINO%20SCHUITEK.pdf6214a6e858383f652f29f5aea03e37a6MD51open access1884/884032024-06-05 18:21:03.998open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/88403Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082024-06-05T21:21:03Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
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