Federico Castez
Además del extenso trabajo experimental en nanociencia y la nanotecnología realizado en nuestro grupo, también estamos investigando sobre temas teóricos relacionados con la evolución nanoestructuras en presencia de diferentes procesos fisicoquímicos que modifican las propiedades geométricas de una superficie dada. Combinamos diferentes estrategias de modelado en un marco interdisciplinario, incluyendo simulaciones de Monte Carlo, cálculos de dinámica molecular, integración numérica de sistemas continuos, etc. En la mayoría de las situaciones, se estudia cómo una nanoestructura inicial dada evoluciona como consecuencia de diferentes procesos fisicoquímicos que son relevantes en el sistema particular, por ejemplo, el flujo incidente de masa, la difusión superficial, los fenómenos de evaporación-condensación, etc.
Durante los últimos años hemos estudiado varios fenómenos interesantes que tiene lugar cuando una nanoestructura de alta relación de aspecto cambia su forma debido a las corrientes de difusión superficiales. Estos cambios son particularmente importantes cuando se lleva a cabo un tratamiento térmico en una nanoestructura. De hecho, se ha demostrado recientemente que la alta temperatura de recocido de hidrógeno en muestras de silicio nano/microestructuradas puede ser una técnica muy útil en varias aplicaciones tecnológicamente importantes en la industria de los semiconductores para obtener dispositivos con propiedades fotónicas o electrónicas específicas. De hecho, el recocido de hidrógeno se ha utilizado en sustratos de silicio para reducir la rugosidad de la superficie, redondear las esquinas de canales, para obtener topologías especiales, etc. Todos estos resultados se pueden interpretar correctamente en términos de la teoría continua de difusión superficial. En las siguientes figuras, se pueden ver algunos ejemplos sobre algunos de los sistemas y procesos que hemos investigado durante los últimos años y que todavía están presentes en líneas de investigación activas.
Schematic example of a High-Aspect-Ratio pattern (initially rectangular) evolving by surface diffusion. The animation shows the non-trivial rounded shape at the intermediate stage, in which the surface spontaneously develops overhangs (i.e., regions were the surface is multivaluate and it cannot be described as the graph of a function z(x,y)).
Cross-sectional SEM images of 1D rectangular-wave gratings of period 1800 nm annealed at 1100 C. (a) Before the annealing. (b) After 5 s. (c) After 15 s. (d) After 30 s. Dotted (red) curves were theoretically predicted by means of our analysis, showing an excellent agreement with the experimental results. Appl. Phys. Lett. 97, 123104 (2010)
Embedded Atom Model Molecular Dynamics simulation showing the decay of a High-Aspect-Ratio Au rectangular nanopattern during a thermal treatment at 700 K. (a) Initial surface. (b) and (c) Snapshots of the system after 15.4 and 30.8 ns, respectively.
Surface-diffusion-mediated necking formation and final break-down of an array of high-aspect-ratio rectangular nanopillars. The simulation was performed under the Kinetic Monte Carlo approach on a FCC lattice.
Besides the applications to the surface diffusion decay of high-aspect-ratio patterns, we are currently researching in several topics within the broad field of interface’s dynamics. Below we show a few examples of such systems.
Pattern preserving deposition: in the animation (above) we show an example of this phenomenon that takes place when a flow of particles incomes from a well-defined incidence direction (as occurs, for example, in physical vapor deposition (PVD) experiments). The animation shows how a small Gaussian pulse become translated preserving his shape when an oblique incident flow deposits onto the surface (the system is under periodic boundary conditions).
Kinetic Monte Carlo simulation of the process of diffusion limited aggregation on a 2D triangular lattice. The model incorporates phenomena like adsorption, surface diffusion and irreversible aggregation, and leads to the formation of fractal clusters. DLA can be observed in many systems such as electrodeposition, mineral deposits, dielectric breakdown and studying the adhesion of some types of bacterias.