Structural and morphological behavior of bismuth thin films grown through DC-magnetron sputtering

Comportamiento estructural y morfológico de películas delgadas de bismuto obtenidas a través de sputtering con magnetrón DC

En este trabajo se depositaron películas delgadas de bismuto sobre sustratos de vidrio mediante la técnica de sputtering con magnetrón DC y se evaluaron los efectos de la temperatura del sustrato en la microestructura de las películas. El comportamiento estructural se analizó mediante difracción de rayos X, mostrando una notable influencia de la temperatura del sustrato en el tamaño de cristalito y microestrés. La morfología evaluada por medio de imágenes de la microsonda electrónica, presentó una leve diferencia en el tamaño de grano con el incremento de la temperatura así como un significativo incremento de la rugosidad superficial, según medidas de perfilometría.

INTRODUCCIÓN

El bismuto (Bi), un semimetal típico, tiene un conjunto único de propiedades, como grandes longitudes de onda de Fermi [1], un fuerte diamagnetismo y una magnetorresistencia muy alta [2]. Recientemente, las nanoestructuras de bismuto han atraído mucha atención debido a su transporte cuántico y a sus efectos de tamaño finito, así como a su potencial aplicación para sensores de campo magnético, dispositivos ópticos, catalizadores y refrigeradores termoeléctricos o generadores de energía [3-7].

Al mismo tiempo, con la creciente preocupación por el medio ambiente y la necesidad de reactivos verdes, el interés por el bismuto y sus compuestos ha aumentado enormemente durante la última década [8]. Hasta ahora, se han publicado muchos artículos sobre nanoestructuras de bismuto sintetizadas mediante diversas técnicas, como películas delgadas [9], nanohilos [10], nanotubos [11], nanoplacas [12] y nanobelts [13]. En particular, la deposición de películas delgadas de bismuto es complicada debido a su punto de fusión, que conduce a mayores tasas de cristalización y a una baja presión de vapor. Se han depositado utilizando varias técnicas de deposición, como la deposición por láser pulsado (PLD) [14-15], el método de deposición por haz molecular [16], el sputtering de rf [17], la evaporación térmica [18] y la electrodeposición [19]. Algunas de las ventajas de utilizar las técnicas de sputtering son la posibilidad de evaporar materiales de distinta naturaleza y la buena adherencia de la película delgada. Recientemente, Dong-Ho Kim y sus colaboradores [17] han preparado con éxito películas delgadas de bismuto mediante sputtering de magnetrón rf, demostrando los efectos de la temperatura de deposición sobre la morfología de la superficie y sus propiedades de transporte eléctrico. Encontraron que no se pueden obtener películas delgadas homogéneas por encima de 175 °C, y que el inicio de la coalescencia de los granos es alrededor de los 100 °C, donde se potencia el movimiento de los granos y la difusión superficial de los átomos.