La etapa de nucleación implica la formación de pequeños núcleos del material depositado en la superficie del sustrato, que se ve afectada por la temperatura, la atmósfera y otros factores; la etapa de crecimiento es el proceso de engrosamiento gradual del material depositado alrededor del punto de nucleación para formar una película completa, que se controla mediante las condiciones de deposición. Comprender y optimizar estos dos procesos es esencial para regular la calidad, el grosor y la estructura de la película, lo que constituye un apoyo fundamental para la investigación y la aplicación de tecnologías de recubrimiento.
La nucleación de películas finas es el proceso en el que átomos, moléculas o iones del material depositado se acumulan en la superficie del sustrato para formar pequeños núcleos o puntos de partida durante el proceso de recubrimiento. La nucleación es la etapa inicial de la formación de la película y tiene un impacto significativo en la morfología, estructura y propiedades finales de la película. En el proceso de nucleación suelen influir factores como la temperatura, la atmósfera, la energía superficial del sustrato y el tratamiento de la superficie. A continuación, los puntos de nucleación actúan como núcleo de crecimiento de la película, expandiéndose gradualmente durante el proceso de crecimiento para formar la estructura completa de la película.
A diferencia de los materiales a granel, las propiedades físicas de las películas delgadas están estrechamente relacionadas con las interacciones interfaciales película-sustrato. Esto significa que la nucleación y el crecimiento de las películas finas desempeñan un papel clave en la determinación de las propiedades estructurales y morfológicas de los materiales obtenidos. La nucleación es el proceso por el cual los núcleos atómicos actúan como plantillas para el crecimiento de materiales en estado sólido.
Este fenómeno suele clasificarse en nucleación homogénea, que se produce durante la formación de núcleos dentro de la fase inicial principal, y nucleación no homogénea en las inhomogeneidades estructurales (por ejemplo, superficies del reactor, superficies del sustrato o impurezas sólidas). Aunque el concepto de formación de núcleos se investigó a principios de la década de 1920, este campo sigue fascinando a la comunidad investigadora con nuevos modelos teóricos, técnicas avanzadas de caracterización in situ y nuevas técnicas de ingeniería de superficies para controlar la nucleación y el crecimiento de películas finas.
De hecho, las películas finas a nanoescala y el modelado se están convirtiendo en elementos fundamentales en tecnologías como la electrónica, la conversión y el almacenamiento de energía, los sensores y los dispositivos biomédicos. Los avances científicos y tecnológicos en estos campos exigen una comprensión y manipulación más profundas de los tratamientos superficiales en los primeros pasos de la formación del material. Un ejemplo destacado es el campo emergente de la deposición selectiva por áreas (ASD), que consiste en inhibir el mecanismo de nucleación para evitar la deposición en un área de una superficie, permitiendo al mismo tiempo la formación de la película fina deseada en un área adyacente.
La comprensión y el control de los distintos aspectos que intervienen en la nucleación y el crecimiento de las películas finas desempeñan un papel importante en muchas aplicaciones modernas. La importancia relativa de la energía superficial del núcleo frente a la energía superficial del sustrato desempeña un papel clave en la determinación del modo de crecimiento de la película. Las técnicas de ingeniería de superficies, como el pulido/raspado mecánico, la química húmeda, el recocido térmico, los tratamientos con plasma, etc., pueden ser eficaces para inducir defectos superficiales. Estos tratamientos superficiales reducirán la energía superficial y, por tanto, aumentarán la densidad de nucleación. En general, las propiedades de la película están muy influidas por el proceso de nucleación.
Debido al proceso de nucleación, se pueden observar fácilmente cambios en la estructura cristalina y la morfología de las películas depositadas. Por ejemplo, las películas con granos de gran tamaño y elevada rugosidad suelen obtenerse con densidades de nucleación bajas, mientras que los granos de pequeño tamaño y las películas lisas corresponden a densidades de nucleación altas. Cabe señalar que la estructura cristalina y la morfología pueden tener un impacto significativo en las propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas de un material. Por ejemplo, la dureza, ductilidad y resistencia de un material dependen en gran medida de su estructura cristalina y morfología. Del mismo modo, las propiedades ópticas (por ejemplo, la transparencia o el color) de un material pueden verse influidas por su estructura cristalina y su morfología.
Además de la estructura y la morfología cristalinas, el proceso de nucleación también afecta a otras propiedades físicas del material, como su conductividad térmica y eléctrica y sus propiedades magnéticas. Por ejemplo, la formación de una estructura cristalina homogénea durante la nucleación puede aumentar la conductividad térmica y eléctrica, mientras que la formación de una estructura cristalina no homogénea puede provocar un aumento de la resistencia eléctrica y una disminución de la conductividad térmica y eléctrica. Por lo tanto, controlar el proceso de nucleación es esencial para determinar las propiedades finales de la película.
Uno de los últimos avances y de los ámbitos más atractivos relacionados con el control de la nucleación de películas delgadas, a saber, la ASD, es un área de investigación emergente que implica no sólo técnicas avanzadas de deposición y caracterización, sino también una comprensión en profundidad de lo que ocurre en la superficie del sustrato, es decir, las interacciones entre las moléculas precursoras gaseosas y los grupos funcionales superficiales. La nucleación área-selectiva de películas finas puede lograrse mediante diversas técnicas, que van desde el uso de moléculas inhibidoras hasta la combinación con el grabado área-selectivo (ASE), abriendo herramientas únicas para el diseño y la fabricación de nanoestructuras y dispositivos complejos.
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