O silício (Si) é o material mais utilizado na fabricação de dispositivos
microeletrônicos e fotovoltaicos devido às suas excelentes propriedades
físicas e ao alto grau de desenvolvimento das tecnologias de produção
alcançadas pela indústria. Conseqüentemente, materiais compatíveis com o
Si são alternativas importantes para ampliar o desempenho e a
funcionalidade das próximas gerações de dispositivos. O principal
objetivo desse trabalho foi estudar sistematicamente a formação de
nanopartículas de Sn e de PbSe via implantação iônica seguida de
tratamentos térmicos (síntese por feixe de íons), em substrato de
silício com orientação (100). Três tipos de substratos foram
considerados: substrato sem defeitos, substratos contendo sistemas de
bolhas de Ne e substratos contendo cavidades vazias. A formação de
nanopartículas de estanho (Sn) foi tomada como caso modelo para otimizar
os parâmetros do processo de síntese por feixe de íons. O sistema
composto PbSe é interessante por ser semicondutor de gap direto, sendo
potencialmente útil para o desenvolvimento de dispositivos
optoeletrônicos e fotovoltaicos integrados com o Si. A caracterização
estrutural das amostras foi realizada através de técnicas de análise por
feixes de íons, como o Retroespalhamento Rutherford (RBS), RBS em
direção canalizada, detecção de partículas por recuo elástico (ERD) e
através da técnica de Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM). Os
principais pontos estudados foram: (i) os efeitos sobre o processo de
síntese de nanoppartículas causados pela amorfização da matriz durante a
implantação de íons de Sn+, Pb+ e Se+; (ii) o desenvolvimento de
estratégias de como evitar a amorfização através do aquecimento do
substrato; (iii) a perda de material implantado durante tratamentos
térmicos de alta temperatura realizados após a implantação; (iv) a
decomposição de cavidades e de bolhas e das próprias nanopartículas
inerente ao auto-bombardeamento iônico durante as implantações; (v) o
processo de nucleação de precipitados em sítios heterogêneos como
discordâncias, cavidades e bolhas; (vi) e a formação de nanopartículas
em diferentes tipos de substrato. Através da implantação de elementos
muito pouco solúveis em uma matriz, espera-se a formação de
nanopartículas dispersas de uma segunda fase pura (sem reagir com
elementos da matriz). Neste sentido, os resultados obtidos são
interessantes. Primeiro, no caso do Sn, apresentamos evidências da
formação de estruturas nanoscópicas de alta estabilidade térmica,
afetando o processo de nucleação e formação das fases α-Sn
(semicondutora) ou β-Sn (metálica) usuais para sistemas massivos.
Obtivemos a formação preferencial da fase β-Sn, e não obtivemos
evidência da formação de ligas Sn-Si ou a fase α-Sn que podem ser
obtidas através de processos de não equilíbrio como a co-deposição por
epitaxia de feixe molecular. Por outro lado, no caso da co-implantação
com íons de Pb+ e Se+, os resultados mostram ser possível formar
sistemas dispersos de nanopartículas de PbSe com estequiometria e
estruturas previstas em diagrama de equilíbrio para sistemas massivos.
Por fim, a presença de cavidades e bolhas, apesar de influenciar na
distribuição em tamanho das nanopartículas, não representa uma vantagem
específica como centro de segregação e nucleação preferencial de
impurezas no Si. Isso contradiz conceitos da literatura referentes ao
aprisionamento de impurezas bolhas ou cavidades, usualmente considerados
como técnicas para purificação de matriz, e aplicados na confecção de
dispositivos microeletrônicos e fotovoltaicos.
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