Φαινόμενα Εστίασης Συνόλων Νανοσωματιδίων

Abstract

Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, έγινε μελέτη των τεχνικών εναπόθεσης λεπτών υμενίων και των μεθόδων παραγωγής νανοσωματιδίων, οι οποίες βρίσκουν εφαρμογή σε πολλά πεδία. Πιο συγκεκριμένα, δόθηκε ιδιαίτερη βαρύτητα στην τεχνική της ιοντοβολής. Η τεχνική της ιοντοβολής χρησιμοποιεί δέσμες ενεργητικών ιόντων, οι οποίες κατευθύνονται προς έναν στόχο (υλικό προς εναπόθεση), ώστε να αποσπάσουν τα άτομα του και να τα μεταφέρουν στην επιφάνεια δειγμάτων, όπου συμπυκνώνονται για να σχηματίσουν το επιθυμητό υμένιο (φιλμ). Στη συνέχεια, περιγράφηκε και υλοποιήθηκε προσομοίωση μιας τεχνικής ιοντοβολής, η οποία εκμεταλλεύεται μόνο το φορτίο των νανοσωματιδίων για να επιτύχει την εστίασή τους και να τα οργανώσει σε δομές. Για την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το περιβάλλον προγραμματισμού Matlab. Πιο συγκεκριμένα, υπολογίστηκαν οι τροχιές των νανοσωματιδίων κατά την εναπόθεση και μελετήθηκαν οι διάφορες παράμετροι που τις επηρεάζουν. Κάποιες από αυτές τις παραμέτρους είναι το πλάτος των λωρίδων εστίασης, στις οποίες θέλουμε να καταλήξουν τα νανοσωματίδια και η τιμή της εξωτερικής τάσης που εφαρμόζεται στο δείγμα με στόχο να επιταχύνει τα νανοσωματίδια. Ακολούθως, μελετήθηκε η επίπτωση της κινητικής ενέργειας των νανοσωματιδίων στη μεταβολή της θερμοκρασίας της επιφάνειας των δειγμάτων. Η μελέτη της θερμοκρασίας είναι σημαντική, καθώς οι μεγάλες θερμοκρασίες προκαλούν καταστροφή της ρητίνης. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης έδειξαν ότι τα φορτισμένα σωματίδια δημιουργούν ένα φαινόμενο αυτο-εστίασης, το οποίο επηρεάζει την εναπόθεσή τους. Αποδείχθηκε ότι, κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης, τα νανοσωματίδια εμφανίζουν εκλεκτικότητα ως προς την προσγείωση τους στο αγώγιμο υπόστρωμα ή στην επιφάνεια της ρητίνης. Είναι, έτσι, εφικτό, να δημιουργηθεί ένα συνεχές φιλμ νανοσωματιδίων σε συγκεκριμένες θέσεις πάνω στο υπόστρωμα. Αποδείχτηκε, επίσης, ότι η αύξηση της θερμοκρασίας είναι μεγαλύτερη στην επιφάνεια του υποστρώματος σε σχέση με την επιφάνεια της ρητίνης, γεγονός που αποτρέπει την παραμόρφωση των δομών της ρητίνης.

In this thesis, thin film deposition techniques and nanoparticles synthesis methods were studied, which are applicable in many fields. Specifically, we studied the dc sputter deposition (sputtering) method. In sputter deposition, highly energetic ion particles are directed against a target to dislodge (sputter) the target molecules, which are subsequently transported to the wafer surface, where they condense to form the desired film. Moreover, a simulation was described and implemented for a sputtering technique exploiting only the nanoparticles charge to create a self-focusing effect and to assemble them into well-organized structures. For this simulation we used the programming environment Matlab. More specifically, the trajectories of nanoparticles upon deposition were calculated and the various parameters which affect the trajectories were studied. Some of these parameters are the width of the focusing strips, where the arriving nanoparticles are driven towards, and the value of the external voltage applied to the sample in order to accelerate the nanoparticles. Subsequently, we studied the effect of the nanoparticles kinetic energy on the increase in temperature at the surface of the samples. The study of the temperature is important, because high temperatures can cause the destruction of the photoresist. The simulation results showed that the charged particles create a self-focusing effect, which affects their deposition. It was demonstrated that during the deposition process, the nanoparticles exhibit quite good selectivity for landing on the conductive substrate or the photoresist. Thus, it is possible to fabricate a continuous thin film of nanoparticles at specific substrate positions following adequate patterning. It was shown, also, that the increase in temperature of the substrate surface is greater compared to the photoresist surface, which prevents the deformation of the photoresist structures.