Procedimiento para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos.

El objeto principal de la presente invención es reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos a los valores más bajos posibles, en el umbral de la corrugación atómica, sin reducir sus calidades cristalinas con el fin de que preserven sus propiedades funcionales. Para ello, se define un procedimiento donde un flujo pulsado de material a ser depositado se dirige hacia la superficie sólida cuya rugosidad se pretende disminuir, a la vez que se modula periódicamente la temperatura de la superficie a una frecuencia similar que aquella usada para el flujo pulsado

Procedimiento para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos.

Objeto de la invención

El objeto principal de la presente invención es reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos a los valores más bajos posibles, en el umbral de la corrugación atómica, sin reducir sus calidades cristalinas con el fin de que preserven sus propiedades funcionales.

Antecedentes de la invención

Es conocido que algunas propiedades de ciertos materiales sólidos dependen fuertemente de las características de su superficie. Por ejemplo, el funcionamiento de muchos catalizadores sólidos requiere la existencia de pequeñas imperfecciones cristalinas en su estructura superficial, de manera que átomos de las especies reactivas encuentren un lugar donde la reacción ocurre con mayor eficiencia. Otros ejemplos de procesos con alto interés tecnológico que se desencadenan preferentemente en las imperfecciones de las superficies donde tienen lugar son las reacciones de oxidación, hidruración e hidratación, y cambios de fase abruptos tales como precipitaciones, condensaciones y ebulliciones. La rugosidad de la superficie también afecta entre otros a: (i) propiedades mecánicas estructurales como la adherencia, fricción o el acople mecánico; (i) propiedades funcionales (ópticas, eléctricas, magnéticas...); (iii) procesos biológicos como la proliferación y la fijación celular.

En general, estos procesos quedan tanto más inhibidos cuanto menor es la rugosidad superficial de los cuerpos sólidos involucrados. O dicho de otro modo, un cuerpo sólido cuyas superficies fuesen idealmente lisas (o sea, su estructura cristalina terminaría en una superficie formada por un plano atómico perfecto) sería prácticamente inerte. Este tipo de comportamientos es deseable en multitud de aplicaciones, y por este motivo se desarrollan desde hace tiempo técnicas para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos.

Las técnicas físicas de preparación de láminas delgadas consisten en depositar capas finas de un material sobre un substrato del mismo material (homocrecimiento) o de un material diferente (heterocrecimiento). El depósito se hace a partir de un flujo de material que se dirige hacia la superficie del substrato, estando dicha superficie en condiciones controladas de presión, temperatura, limpieza, estructura cristalina, etc. Las técnicas físicas que se utilizan actualmente hacen viable este control mediante el uso de instalaciones de vacío. Dentro de este conjunto de técnicas existe un grupo denominado "técnicas de flujo pulsado" en las que la intensidad del flujo de material es modulada temporalmente de manera cíclica. El flujo pulsado se puede conseguir fundamentalmente de las siguientes formas:

- utilizando una fuente pulsada de evaporación a partir del calor latente suministrado por ejemplo con la radiación de un láser pulsado o mediante el bombardeo con una corriente de electrones modulada periódicamente;

- utilizando una fuente continua de evaporación cuyo flujo resultante de material vaporizado se modula temporalmente mediante un sistema mecánico acoplado de obturadores cíclicos;

- utilizando una combinación de los sistemas descritos anteriormente con el objetivo de obtener un mayor control de los parámetros que describen la modulación temporal del flujo, los cuales son: ancho temporal del pulso de flujo, amplitud y frecuencia de la modulación.

Con las técnicas tradicionales de flujo continuo, y en particular con aquellas más cercanas a las condiciones de equilibrio termodinámico, como por ejemplo la técnica de epitaxia por haces moleculares (MBE, o Molecular Beam Epitaxy), se han conseguido láminas con bajas rugosidades superficiales pero todavía superiores a una monocapa atómica (una monocapa = 1 MC, es el ancho de una fila atómica que viene a ser entre 0.2 y 0.25 nm). Utilizando las técnicas de flujo pulsado, y en particular mediante la técnica de depósito por láser pulsado (PLD, o Pulsed Láser Deposition), se ha conseguido disminuir la rugosidad de las láminas hasta el umbral de 1 MC. Una rugosidad de 1 MC significa que la superficie tiene imperfecciones de pm un átomo, o sea está formada por átomos pertenecientes a tres planos atómicos sucesivos. Este límite tiene su origen en la naturaleza aleatoria del proceso de crecimiento y constituye el umbral que determina el comportamiento químico de una superficie, a saber: rugosidades menores que 1MC son características de láminas inertes y/o con reactividad limitada, y rugosidades mayores corresponden a superficies reactivas químicamente.

Por tanto, la rugosidad superficial conseguida mediante estas técnicas resulta aún insuficiente para algunas aplicaciones en las cuales es necesario reducir los efectos de reacciones masivas superficiales (como por ejemplo la oxidación), existiendo por consiguiente la necesidad de implementar nuevos procedimientos y/o mejoras de las técnicas actuales de preparación con el objetivo de reducir las rugosidades de superficies sólidas no amorfas con el objetivo de preservar sus propiedades funcionales.

Descripción de la invención

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se describe un procedimiento para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos, donde un flujo pulsado de material se dirige hacia la superficie del cuerpo sólido (substrato) cuya rugosidad se pretende disminuir, a la vez que se modula periódicamente su temperatura superficial a una frecuencia similar que aquella usada para el flujo pulsado.

Este procedimiento permite disminuir la rugosidad superficial conseguida utilizando las técnicas de flujo pulsado existentes en la actualidad. En particular, se puede llegar hasta rugosidades inferiores a 1 MC, inhibiendo así reacciones ligadas a imperfecciones cristalinas en las superficies de los materiales, que de este modo vienen a ser inertes en muchos escenarios. A continuación se describe breve e intuitivamente los procesos físicos que explican la disminución de la rugosidad obtenida por este nuevo procedimiento.

En general, los átomos se mueven por la estructura cristalina de la superficie del substrato con mayor facilidad cuanto mayor es la temperatura del sistema formado por el átomo más el substrato en equilibrio. Esto es debido a que la probabilidad de saltar la barrera energética que tiene que superar el átomo para moverse aumenta a medida que se incrementa la temperatura. Cuando dos átomos se encuentran sobre la superficie tienden a unirse para formar un núcleo, al cual se le van adhiriendo nuevos átomos dando lugar a núcleos con varios átomos (islas). Durante la llegada del flujo de material (es decir, durante el pulso de flujo), la probabilidad de que se formen islas a partir de los átomos incidentes aumenta a medida que el flujo es más intenso (intensidad dada en átomos incidiendo por unidad de área y tiempo). O sea, cuanto más intenso el flujo (manteniendo constante la cantidad de material depositado), más islas se forman, y estas son más pequeñas. Si después de formarse las islas se detiene la llegada de material al substrato (es decir, durante el tiempo entre pulsos de flujo), las islas continúan creciendo de tamaño a costa de las islas más pequeñas que se disocian perdiendo átomos. Este último proceso es también más probable a medida que la temperatura del sistema es mayor.

Cuando un átomo cae sobre una isla ya formada, tiende a descender para unirse lateralmente a ella si no encuentra sobre la isla otro átomo al cual unirse previamente para formar una nueva isla que estaría apilada sobre la primera. La probabilidad de formar una segunda isla apilada disminuye a medida que la isla que sirve de base es más pequeña y/o que la temperatura del sistema sea mayor, dado que estos dos factores determinan la capacidad del átomo para descender. La rugosidad de una superficie surge como resultado de la nucleación de nuevas islas apiladas sobre otras ya existentes. Altas rugosidades implican tener estructuras superficiales formadas por muchas islas sucesivamente apiladas unas sobre otras.

Por lo tanto y desde un punto de vista atomístico, la vía para disminuir la rugosidad de una superficie consiste en retardar tanto como sea posible el crecimiento de las islas, lo que para una cantidad fija de material depositado implica incrementar la densidad de islas.

A continuación se describen los resultados obtenidos para ritmos de crecimiento...

1. Procedimiento para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos, donde un flujo pulsado de material (2) se dirige hacia un substrato (3), caracterizado porque la temperatura superficial del substrato (3) es modulada periódicamente a la misma frecuencia que aquella usada para el flujo pulsado.

2. Procedimiento para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el ancho temporal efectivo (Δt_T) de la modulación de la temperatura superficial del substrato (3) cumple la siguiente desigualdad:

donde:

v_F es la frecuencia del flujo pulsado; y

Δt_F es el ancho temporal de un pulso de flujo.

3. Procedimiento para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la amplitud de la modulación de la temperatura (ΔT_s = T_max - T_min) superficial del substrato (3) para un ancho temporal efectivo (Δt_T) previamente fijado cumple las siguientes desigualdades:

11 hskip3cm (en Kelvin)

12 hskip1cm (en Kelvin)

donde:

T_ambiente es la temperatura ambiente, normalmente 300 K;

k_B es la constante de Boltzmann, cuyo valor es 1,381•10^-23 J/K (8,617•10^-5 eV/K);

F_pulso es el espesor depositado en cada pulso de flujo; y

varepsilon_difusion es la barrera energética para la difusión superficial del material (2) en cuestión.

4. Procedimiento para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el ancho temporal efectivo (Δt_T) para una amplitud previamente fijada de modulación de la temperatura superficial del substrato (3) se obtiene a partir de la siguiente expresión:

5. Sistema (1) para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos de acuerdo con el procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende los siguientes elementos:

- una fuente de flujo pulsado del material (2) que se desea depositar;

- un substrato (3), donde inciden los pulsos de flujo de material (2);

comprendiendo además un primer medio de calentamiento pulsado del substrato (3), que calienta su superficie cíclicamente a la frecuencia del flujo pulsado de material (2).

6. Sistema (1) para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el primer medio de calentamiento pulsado del substrato (3) comprende un láser IR (9) acoplado a un obturador mecánico cíclico (11).

7. Sistema (1) para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el láser IR (9) es un láser de CO₂.

8. Sistema (1) para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el primer medio de calentamiento pulsado del substrato (3) comprende lámparas IR de descarga.

9. Sistema (1) para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5-8, caracterizado porque además comprende un segundo medio de calentamiento del substrato (3).

10. Sistema (1) para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque el segundo medio de calentamiento del sustrato (3) comprende un elemento calefactor de filamento (6) en contacto con un soporte metálico (7) acoplado en contacto térmico con el substrato (3).

11. Sistema (1) para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5-10, caracterizado porque además comprende un medio de enfriamiento del substrato (3), que acelera el enfriamiento del substrato (3) en el período de la modulación correspondiente a la baja temperatura.

12. Sistema (1) para reducir la rugosidad de superficies no amorfas de cuerpos sólidos de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el medio de enfriamiento del substrato (3) es un criostato (5) unido a un soporte metálico (7) acoplado en contacto térmico con el substrato (3).