Estudando filmes finos sob temperaturas extremas com reflectometria

Uma equipe de pesquisadores da ANSTO e da Universidade de Tecnologia de Sydney estabeleceu um recorde ao conduzir experimentos de filmes finos a 1.100 graus Celsius, usando o refletômetro Spatz equipado com um forno a vácuo.

A combinação única de reflectometria de nêutrons com aparelhos de alta temperatura permite insights em escala atômica sobre o crescimento de filmes finos e processos de difusão. Isto é relevante para uma ampla gama de tecnologias e dispositivos de película fina que passam por uma série de condições de processamento e tratamento térmico para otimizar o desempenho.

O grupo UTS, liderado por Francesca Iacopi e Aiswarya Pradeepkumar, tem estudado o crescimento de finas folhas de carbono (grafeno) em substratos de SiC/Si que ocorre em altas temperaturas. Este processo premiado permite a produção de componentes eletrônicos altamente condutivos que podem ser integrados aos processos padrão de fabricação de silício.

Para compreender melhor os mecanismos de crescimento do carbono e as temperaturas de início, a equipe da UTS fez uso extensivo do refletômetro de nêutrons Spatz no Centro Australiano de Dispersão de Nêutrons.

A reflectometria de nêutrons permite que filmes finos na espessura de 1–100 nm sejam estudados. Devido às características únicas dos nêutrons, os estudos podem ser realizados in situ em ambientes de amostra avançados, neste caso, um forno a vácuo sofisticado para observar mudanças de filme na escala de tempo de minutos a horas.

A Dra. Aiswarya Pradeepkumar, pesquisadora do ARC Center for Transformative Meta-optical Systems e beneficiária da Bolsa para Início de Carreira do Instituto Australiano de Ciência e Engenharia Nuclear (AINSE), liderou a colaboração ANSTO-UTS, que foi o primeiro experimento desse tipo na Austrália.

A pesquisa foi publicada em Avanços RSCe posteriormente destacado em um artigo para Notícias Neutron.

“A exclusiva reflectometria de nêutrons de alta temperatura nos permitiu obter insights sobre a síntese de grafeno epitaxial mediada por liga em substratos 3C-SiC/Si, revelando novos caminhos de otimização de materiais 2D para aplicações nanoeletrônicas e nanofotônicas”, disse o Dr. Pradeepkumar.

Dois cientistas da ANSTO, Dr. David Cortie e Dr. Anton Le Brun, possibilitaram a pesquisa na ANSTO integrando o forno ao Spatz.

A equipe Neutron Scattering Sample Environment and Scientific Operations deu suporte ao processo integrando o forno ao Spatz e fabricando os suportes especiais para amostras. Ambos foram essenciais para o sucesso dos experimentos.

“Até onde sabemos, este é o estudo de reflectometria de nêutrons de maior temperatura já registrado, e é uma capacidade relativamente única internacionalmente”, disse o Dr. Le Brun.

“Isso decorre de um trabalho pioneiro realizado por Holt e colegas da ISIS Pulsed Neutron Source, na Inglaterra, no final da década de 1990.”

O instrumento Spatz foi transferido do HZB Berlim e configurado no Centro em 2020. A grande natureza de plano aberto do instrumento permite acomodar uma variedade de ambientes de amostra maiores.

“Estou realmente entusiasmado com as novas oportunidades para o trabalho de reflectometria em altas temperaturas”, disse o Dr. Cortie.

“Essa capacidade permitirá que uma série de processos importantes de película fina sejam estudados com reflectometria de nêutrons pela primeira vez, para revelar insights em nanoescala que estão ocultos de muitas outras sondas. Já há uma série de estudos relacionados de película fina em andamento no Australian Center for Neutron Scattering.”