Evolução da rugosidade superficial invariante no tempo durante deposições de filmes finos à pressão atmosférica

Scientific Reports volume 6, Artigo número: 19888 (2016) Citar este artigo

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A evolução da morfologia do filme fino durante a deposição à pressão atmosférica foi estudada utilizando métodos de Monte Carlo. A rugosidade quadrática média invariante no tempo e a morfologia da rugosidade local foram observadas ao empregar um novo parâmetro de simulação, modelando o efeito da condição experimental de alta pressão. Este regime de crescimento, onde a rugosidade superficial permanece invariante após atingir um valor crítico, não foi classificado por nenhuma classe de universalidade existente. Um mecanismo de crescimento anti-sombra responsável por este regime ocorre quando as partículas sofrem colisões binárias abaixo dos vértices da superfície. Portanto, este mecanismo é aplicável quando o caminho livre médio das espécies depositantes é comparável à amplitude das características da superfície. Computacionalmente, isso foi modelado permitindo que as partículas mudem de direção a uma altura especificada acima da superfície local do filme. Esta modificação da trajetória do fluxo de entrada tem consequentemente um efeito dramático de suavização e as superfícies resultantes aparecem de acordo com observações experimentais recentes.

A evolução morfológica das camadas materiais em crescimento é de interesse contínuo na comunidade científica, tanto do ponto de vista teórico como prático1,2,3,4,5. O interesse prospera devido ao efeito substancial que a morfologia da superfície tem nas propriedades ópticas, elétricas e mecânicas de um filme. Naturalmente, muitos métodos foram desenvolvidos para auxiliar na caracterização e previsão de morfologias. Entre estes, as relações de escala envolvendo características de superfície mensuráveis, como a rugosidade quadrática média ω, possuem forte poder preditivo sem se preocupar com as propriedades detalhadas do material em questão. Estas relações dão origem a expoentes de escala, que podem possuir apenas um conjunto específico de valores que dependem da dimensionalidade e simetria da dinâmica de crescimento. Além disso, estes expoentes permitem que fenómenos de crescimento aparentemente não relacionados sejam categorizados dentro da mesma classe de universalidade. O crescimento dentro de uma classe de universalidade é previsível e admite fabricação de superfície confiável1,2,3,6.

De particular interesse é o expoente de rugosidade, α, e o expoente de crescimento β. Este último surge da relação, ω(t) ~ tβ, onde ω(t) = 〈[h(r′, t) − 〈h(t)〉]2〉 e h(r, t) é a altura da superfície na posição r no tempo t. O primeiro descreve o comportamento de rugosidade local e pode ser definido considerando primeiro a função de correlação altura-altura (HHCF),

onde 〈···〉 denota uma média estatística. Para problemas de crescimento superficial autoafins, esta função se comporta como

onde

Aqui, ξ denota o comprimento horizontal máximo no qual as alturas da superfície são correlacionadas, dado pela relação de escala ξ ~ tβ/α 2,3. O significado de α não é tão evasivo quanto a matemática parece; α descreve a frequência de flutuação local da altura, com um valor próximo da unidade correspondendo a uma superfície oscilatória lenta e um valor próximo de zero correspondendo a uma superfície oscilatória rápida6,7. Conhecer as condições experimentais sob as quais estes expoentes mantêm um determinado valor permite fabricar filmes com propriedades morfológicas previsíveis.

Uma análise recente de filmes de organosilicone cultivados usando deposição química de vapor aprimorada por plasma (CVD) em pressão ambiente mostra que as superfícies produzidas possuem características de escala únicas, diferentes de quaisquer classes universais anteriores . Ou seja, as superfícies isotrópicas apresentaram rugosidade superficial independente do tempo, caracterizada por β ≈ 0 e α constante. Para uma descrição completa do depoimento, consulte as referências8,10,11. Um aspecto crítico deste trabalho foi o ambiente de alta pressão em que as deposições foram realizadas. Condições de alta pressão não foram incluídas em trabalhos teóricos anteriores que preveem a rugosidade superficial em função de parâmetros experimentais. Na discussão subsequente, os métodos de Monte Carlo são empregados na exploração de um possível mecanismo de crescimento que pode produzir a rugosidade invariante no tempo observada durante a deposição de alta pressão. O seguinte mecanismo proposto é capaz de explicar as características salientes durante a deposição à pressão atmosférica.