Una arenadora a nivel atómico

21.09.2021 - Austria

Desde los semiconductores hasta las rocas lunares: Muchos materiales se tratan con haces de iones. Un grupo de investigación de la Universidad Politécnica de Viena ha logrado explicar cómo este proceso depende de la rugosidad de la superficie.

Si se quiere eliminar una capa de pintura de una superficie metálica, se puede utilizar un chorro de arena: Se lanzan innumerables granos de arena sobre la superficie, y lo que sale es metal limpio. El "sputtering" se puede imaginar de una manera muy similar, sólo que mucho más pequeña, a escala atómica. La superficie se irradia con iones, es decir, con átomos cargados, lo que permite eliminar impurezas microscópicas, por ejemplo.

Si se trata de superficies perfectas en las que todos los átomos de la superficie están dispuestos exactamente en un plano liso, los modelos teóricos establecidos pueden predecir los efectos del bombardeo de iones con bastante facilidad. Pero en la práctica, esto es muy poco frecuente. En el caso de las superficies complicadas y ásperas, es difícil determinar la cantidad de material que se eliminará durante el bombardeo. Un modelo computacional desarrollado por investigadores de la Universidad Técnica de Viena permite ahora caracterizar la rugosidad de la superficie de forma sencilla y, por tanto, describir correctamente el proceso de sputtering incluso para muestras más complicadas.

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Eliminación o depósito de capas finas

"El bombardeo de superficies mediante iones es una técnica muy popular y versátil", afirma el profesor Friedrich Aumayr, del Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Viena. "Por un lado, puede utilizarse para eliminar material con gran precisión, por ejemplo en la tecnología de semiconductores, para crear superficies perfectamente limpias. Por otro lado, sin embargo, también puede utilizarse para evaporar selectivamente cualquier material, que luego se deposita en otra superficie, por ejemplo para producir lentes de gafas superreflectantes o revestimientos de material duro en herramientas especiales." Para utilizar la cantidad correcta de material en este proceso, hay que entender el proceso de sputtering con mucho detalle.

Lo mismo ocurre con la investigación de la fusión nuclear: En la búsqueda de materiales extremadamente resistentes para la pared interior de un futuro reactor de fusión, hay que poder calcular la cantidad de material que se elimina de la cámara del reactor por el bombardeo constante con iones de alta energía. Esta fue también la motivación original de este estudio, financiado por el programa europeo de investigación sobre la fusión EUROfusion www.euro-fusion.org, opens an external URL in a new window y en el que también participaron colegas de la Universidad de Uppsala, el Centro Helmholtz de Dresde y el Instituto Max Planck de Física del Plasma de Greifswald. Los efectos investigados son también importantes en Astrofísica, donde las superficies de las rocas, por ejemplo en la Luna o en el planeta Mercurio, son bombardeadas por las partículas cargadas del viento solar y, por tanto, erosionadas y modificadas por procesos de sputtering.

Lo importante es el ángulo de impacto

"La cantidad de material eliminado de la superficie de la muestra por el bombardeo de iones depende de dos cosas principales, además de la energía del proyectil: El ángulo con el que los iones golpean la superficie y la rugosidad de la misma", explica Christian Cupak, primer autor del estudio actual. "Buscábamos una forma de caracterizar la rugosidad de la superficie de manera que se pueda inferir exactamente cuánto material se elimina durante el sputtering".

La rugosidad de la superficie cambia el ángulo de impacto local de las partículas, y también hay efectos de sombra: Algunas zonas de la superficie no reciben ningún impacto de los iones. Además, el material eliminado puede volver a depositarse en ciertos lugares, como los escombros en un terreno montañoso. Esto reduce aún más la eficacia del sputtering.

En Viena se examinaron muestras de superficies rugosas muy diferentes. Utilizando modernos métodos de microscopía de alta resolución, se analizó primero la rugosidad de las muestras, luego se bombardearon con iones y se compararon los resultados experimentales con los cálculos del modelo. "Al final, conseguimos determinar un único parámetro que describe el proceso de sputtering de forma muy fiable", afirma Christian Cupak. "Es una medida de la inclinación media de la superficie". La altura de cada una de las elevaciones de la superficie rugosa no juega un papel importante. Una rugosidad a escala nanométrica tiene efectos bastante similares a una rugosidad del orden de los milímetros, siempre que la distribución angular de las piezas individuales de la superficie sea la misma en ambos casos. "La cuestión no es la altura de la montaña media de la superficie, sino simplemente su inclinación", explica Christian Cupak. "Hemos podido demostrar que nuestro parámetro describe el resultado final del proceso de sputtering mucho mejor que otros parámetros de rugosidad que se han utilizado hasta ahora".

El equipo de investigación de la TU Wien utilizará ahora el nuevo método de caracterización de superficies tanto en la investigación de la fusión como en los estudios astrofísicos. En las aplicaciones industriales, el nuevo método de modelización podría proporcionar una mayor fiabilidad y precisión.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Publicación original

C. Cupak, P. S. Szabo, H. Biber, R. Stadlmayr, C. Grave, M. Fellinger, J. Brötzner, R. A. Wilhelm, W. Möller, A. Mutzke, M. V. Moro, and F. Aumayr, Sputter yields of rough surfaces; "Importance of the mean surface inclination angle from nano- to microscopic rough regimes"; Applied Surface Science 570 (2021) 151204

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