Scopo dell’esperienza è quello di fornire una semplice dimostrazione di come
spesso sia necessario, nel campo della Scienza dei Materiali, adoperare
differenti tecniche per arrivare alla caratterizzazione di un materiale.
L’esperienza si svolge in 3 fasi:
1) Preparazione dei campioni
2.1) Misura di resistività
2.2) Misura di riflettività ottica
2.3) Misura di spessore e morfologia
3) Analisi dei risultati e determinazione dei parametri
Su un vetrino da microscopio, vengono realizzati 3 campioni di forma differente
mediante evaporazione in vuoto di un film metallico.
L’evaporazione in vuoto è uno dei metodi più semplici e pratici per la
preparazione di film sottili. Il materiale da evaporare, il substrato e le maschere
per definire la geometria del film vengono posti in una camera da vuoto, dove
mediante un sistema di pompaggio la pressione viene diminuita fino a circa
10-4 Pa (1 atm = 1.01 105 Pa). In queste condizioni, il libero cammino medio
delle molecole è paragonabile alle dimensioni della camera da vuoto (decine di
cm). Il materiale da evaporare viene riscaldato fino ad un temperatura per cui
la sua pressione di vapore è sufficiente ad ottenere una adeguata velocità di
deposizione sul substrato (che può essere espressa come atomi/sec).
La relazione tra pressione di vapore e temperatura è ben descritta dalla legge
di Clausius-Clapeyron
Grazie alla bassa pressione presente nella camera da vuoto, le molecole che
evaporano dal materiale riscaldato possono raggiungere il substrato e
depositarsi su di esso. La maschera, interposta tra la sorgente di
evaporazione ed il substrato, ha il compito di “regolare” il flusso di molecole
che possono passare attraverso i fori della maschera. Si ha così la
formazione di un film metallico con la forma “in negativo” della maschera
stessa.
Per questa misura viene utilizzato il campione con forma “a serpentina”. Su di
esso vengono realizzati degli opportuni contatti elettrici per permettere la
connessione con l’apparato di misura.
Il campione così preparato viene inserito in un apparato per la misura della
resistenza elettrica. In questo apparato, la temperatura può essere variata in
un grande intervallo (da 300 K a 4.2 K), ottenendo così una curva di
caratterizzazione della resistenza in funzione della temperatura R(T) .
La resistenza di un materiale è determinata da una proprietà intrinseca del
materiale, la resistività ρ , e dalla geometria del campione:
L
R
d A
Nella formula precedente, L è la lunghezza del campione in esame, d il suo
spessore, A la sua larghezza.
Trascurando la variazione delle dimensioni geometriche in funzione della
temperatura, la resistenza elettrica varia con T perché varia la resistività ρ.
Misurando quindi la curva R(T) e conoscendo i parametri geometrici, è
quindi possibile ricavare la curva ρ(T) .
E’ anche da tenere presente che la resistività dipende da molti fattori:
purezza del materiale, presenza di difetti strutturali, grandezza dei grani
cristallini (nel caso di materiali policristallini e in forma di film, come nel
nostro caso). Quindi lo studio della curva ρ(t) può fornire molte informazioni
sul materiale che viene utilizzato e sul metodo con cui è stato costruito.
Per approfondimenti, vedi EDUMAT :
Cap. 2 Sottocapitolo: Proprietà fisiche dei solidi Scheda: Conducibilità
elettronica
Cap.5 Sottocapitolo: Misure elettriche Scheda: La misura della
resistività
Il secondo campione viene utilizzato per misure di riflettività ottica.
Semplificando, luce bianca ( contenente dunque radiazione di tutte le
lunghezze d’onda dello spettro visibile, da circa 400 nm a circa 700 nm, ma
anche radiazione nel vicino IR e nel vicino UV ) viene fatta incidere sul
campione ad un certo angolo. La luce riflessa (in direzione speculare) raccolta
da una fibra ottica, è inviata ad un elemento dispersivo ed infine ad un
rivelatore di intensità luminosa
L’elemento dispersivo è un componente che separa ( in senso spaziale) le
varie componenti della luce. Per farsi un’idea, si pensi alla ben nota
esperienza del prisma ottico che permette di visualizzare i vari colori dell’iride.
Il rivelatore è un “chip” composto da una striscia di 225 elementi fotosensibili (
fotodiodi) . L’elemento i-esimo riceve la luce in un intervallo Δ centrato attorno
ad una lunghezza d’onda i e trasforma il segnale luminoso in un segnale di
tipo elettronico che viene amplificato ed elaborato da un computer che utilizza
un apposito programma di gestione.
Si ricava dunque, in modalità parallela, l’intensità luminosa riflessa Iα (λ) in
funzione della lunghezza d’onda relativa all’angolo di incidenza α. L’apparato
utilizzato permette di misurare Iα (λ) nell’intervallo 250-750 nm.
Poiché l’intensità spettrale di emissione I0 (λ) , misurata inviando la luce
emessa dalla lampada direttamente nel rivelatore, non è uniforme, è utile
presentare i dati di riflessione in forma normalizzata rispetto all’intensità
incidente:
Ra () Ia () / I0 ()
Le misure di R , in gergo riflettività, permettono di ottenere molte informazioni
sui campioni in esame. Consentono, per esempio, di rivelare assorbimenti
selettivi che si manifestano come minimi localizzati ( in un intervallo ristretto di
lunghezze d’onda) e piuttosto profondi della funzione R. Gli assorbimenti
selettivi determinano la colorazione dei campioni e sono correlati alle proprietà
del materiale. In particolare se il materiale è omogeneo la misura di R permette
di determinare se il materiale è conduttore, semiconduttore o isolante.
E' bene notare che, per un dato materiale, la funzione R dipende dalle
caratteristiche fisiche e chimiche della superficie.
Un fenomeno ben noto, di esperienza comune, consiste nell'aumento della
luce diffusa ed una diminuzione della luce riflessa in direzione speculare
provocato dalla rugosità. I moderni microscopi a scansione di sonda atomica
permettono di osservare rugosità sulla scala di pochi nanometri.
Le superfici metalliche e di semiconduttori sono ricoperte da uno strato di
ossido. Lo spessore di questo strato dipende dal materiale e dai trattamenti
termici e chimici ai quali è stato sottoposto. Se lo spessore è dello stesso
ordine di grandezza della lunghezza d'onda della luce ( qualche centinaio di
nm) la funzione R presenterà caratteristiche oscillazioni ( una sequenza
ordinata di massimi e minimi) legate a processi di interferenza tra la luce
riflessa all'interfaccia aria-ossido e all'interfaccia ossido-metallo.
Per approfondimenti, vedi EDUMAT:
Cap.2 Sottocapitolo: Proprietà fisiche dei materiali Scheda: Proprietà
ottiche
Cap.5 Sottocapitolo: Proprietà ottiche Schede: Trasmissione e riflessione
ottica – Misura del coefficiente di trasmissione – Schema sperimentale per
misure di trasmissione e riflessione – Misure di riflettività
Il terzo campione viene utilizzato per misure di spessore e morfologia
superficiale, mediante l’utilizzo di un microscopio a forza atomica AFM.
In questo tipo di microscopio, una sottile leva (lunga circa 100 micron) che ha ad
un suo capo una punta molto sottile e fine (lunghezza qualche micron, raggio di
curvatura della punta circa 50 nanometri) viene avvicinata al campione da
analizzare. La leva è così sensibile che si deflette per l’interazione tra la punta
ed il campione in esame. Misurando, con un sensibile sistema ottico, l’entità
della deflessione si può risalire alla forza di interazione tra la punta e la
superficie del campione. Inoltre, se il campione viene mosso in maniera regolare
(destra-sinistra, alto-basso) si può risalire, dalla deflessione della leva, alla forma
superficiale del campione stesso (morfologia).
Il microscopio AFM è pertanto in grado di “vedere” la morfologia di una superficie
con una risoluzione di qualche nanometro o meglio.
Si basa sull’interazione tra un sottile ago (tip) e gli atomi di
una superficie, dovuta principalmente alle forze di Van der
Waals presenti. In questo caso, si misura la deflessione
meccanica di una sottile leva (cantilever), che termina con
un tip nanometrico.
Regione di contatto
leva deformata in su
Regione di non interazione
leva piatta
Regione di attrazione
leva deformata in giù
Tipica curva forzadistanza tra un tip
ed una superficie:
quando la punta è
molto distante, la
forza di
interazione è
piccola; vicino alla
superficie, la punta
viene attratta; ad
un certo punto,
l’interazione
cambia forma e la
punta viene
respinta.
Per misurare la
forza di
interazione, si
utilizza un
cantilever (in
genere di SiN3)
accoppiato con un
sistema di leva
ottica. Possono
essere utilizzati
anche cantilever
piezoelettrici o
altri metodi di
detezione della
deflessione.
tip
Immagine di un cantilever per microscopio AFM
Immagine al microscopio SEM del tip di un cantilever
Immagine della
superficie della
grafite vista con
AFM: ogni “collina”
rappresenta un
singolo atomo di
Carbonio.
Per approfondimenti, vedi EDUMAT:
Cap.5 Sottocapitolo: SEM, TEM e il microscopio a effetto tunnel
Scheda: I microscopi a stilo
I risultati ottenuti dai 3 diversi esperimenti possono essere combinati tra loro per
avere una caratterizzazione più completa del materiale con cui è stato
realizzato il film.
-Dalla misure fatte con AFM è possibile ricavare lo spessore d del film.
Inserendo questo valore nella formula della resistenza elettrica, si può ricavare
il valore di resistività elettrica del film e confrontarlo con quello noto per il
materiale puro
-Dalla misura di riflettività ottica si può ricavare la frequenza della radiazione
assorbita
- Dalla misura dell’intensità diffusa si può avere una valutazione semiquantitativa della rugosità superficiale, da confrontare con quella ottenuta
mediante microscopia AFM
