35 plasmas producidos

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PLASMAS producidos por un láserpara la formación de películas delgadas

Por Luis Escobar Alarcón([email protected]),

Enrique Camps Carvajal ([email protected]),

Saúl Romero Hernández, Departamento de Física

IntroducciónIntroducciónIntroducciónIntroducciónIntroducción

Estamos acostumbrados a clasificar la ma-

teria que nos rodea en tres estados: sólido,

líquido y gaseoso. En los sólidos los áto-

mos que los constituyen se encuentran en

posiciones bien definidas formando estruc-

turas rígidas y con cierto orden. En los lí-

quidos parte de la rigidez se pierde y los

átomos o moléculas que constituyen al lí-

quido son libres de moverse de manera li-

mitada lo cual confiere a los líquidos su

propiedad de fluir. En los gases las molécu-

las o los átomos pueden moverse libremen-

te, pero dentro de los átomos los electro-

nes se mantienen girando en sus orbitas.

Adicionalmente a estos tres estados, existe

un cuarto estado en que la materia puede

presentarse: cuando en un gas los electro-

nes se separan de los átomos y consiguen

ser libres y moverse de manera indepen-

diente. Al perder parte de sus electrones,

los átomos o las moléculas adquieren car-

ga eléctrica positiva y son llamados iones.

Este estado de la materia es conocido como

plasma. Entonces, el plasma es un gas for-

mado por partículas cargadas positiva o ne-

gativamente, que se encuentra en una con-

dición tal que la carga total es igual a cero,

por lo que se dice que es eléctricamente

neutro. Vale la pena mencionar que en las

condiciones terrestres el estado de plasma

es poco frecuente, pero en el universo gran

parte de la materia se encuentra en estado

de plasma. Todos hemos visto de una u otra

manera plasmas, en los relámpagos, en las

auroras boreales. En algún momento, todos

(o casi todos) hemos tenido el placer de pro-

ducir un cortocircuito y en este caso la chis-

pa que salta entre dos conductores está

formada por plasma. Los anuncios lumino-

sos que atraen nuestra atención en las

noches deben su brillo a los plasmas confi-

nados dentro de tubos de vidrio, como el

caso de las lámparas de Neón. Pero, ¿cómo

se obtiene un plasma? Cualquier sustancia

al ser calentada hasta una temperatura su-

ficientemente alta pasará al estado de plas-

ma; entonces todo lo que se necesita hacer

para obtener un plasma es elevar la tempe-

ratura de alguna sustancia.

Actualmente hay gran interés en el estudio

de los plasmas debido, entre otras cosas, a

las aplicaciones que éstos tienen tanto en

el ámbito de la energía, como en el de la

ciencia de materiales. Dichas aplicaciones

han promovido el estudio detallado de los

El ININ hoy

5Contacto NuclearContacto NuclearContacto NuclearContacto NuclearContacto Nuclear

procesos físicos y químicos que ocurren en

el plasma. En el estudio de las característi-

cas del plasma o diagnóstico del plasma,

como es conocido entre los especialistas

del área, resulta indispensable tener un

control estricto sobre el proceso de forma-

ción de materiales, cuando los plasmas son

utilizados para el tratamiento o formación

de materiales. Además, el diagnóstico re-

presenta una fuente importante de datos

para la comprensión de los procesos físicos

involucrados en la generación de nuevos

materiales.

Algunos años después de la puesta en

marcha del primer láser de rubí, se estuvo

en posibilidad de tener láseres de alta po-

tencia y pulsos cortos (duraciones del or-

den de 10-9 segundos), lo que permitió al-

canzar densidades de potencia de hasta

1012 W/cm2, suficientes para elevar la tem-

peratura de un material en varios miles de

grados centígrados de manera local, de tal

manera que se podía producir un plasma.

Experimentalmente lo que se hace es inci-

dir radiación láser de alta potencia y pulsos

cortos sobre un blanco sólido, donde pri-

meramente éste se funde, luego se vapori-

za y finalmente el gas se ioniza para pro-

ducir una mezcla de iones y electrones, re-

sultando un plasma que puede estar par-

cial o completamente ionizado. En la figura

1 se muestra un plasma producido en

nuestro laboratorio por la interacción de

radiación láser de 1064 nm de longitud de

onda y una energía por pulso de aproxima-

damente 200 mJ, con un blanco de carbo-

no.

Es importante señalar que la interacción

entre radiación láser y superficies sólidas

ha recibido mucha atención en los últimos

años, no sólo por el interés de realizar la

fusión termonuclear, sino también por el

hecho de que los plasmas formados me-

diante esta interacción encuentran diversas

aplicaciones en otras áreas de la ciencia y

tecnología. Se pueden citar, por ejemplo, la

producción de fuentes de iones para inves-

tigaciones espectroscópicas, de interés

astrofísico, o para la tecnología de

aceleradores, en el estudio de la formación

de nuevos elementos superpesados, o bien

para la formación de materiales en forma

de película delgada, que es la aplicación en

que se centrará el presente artículo.

Una película delgada puede definirse de

manera general como aquella estructura

material que tiene una de sus dimensio-

nes muy pequeña en comparación con las

otras dos. En la práctica se consideran pelí-

culas delgadas aquellos materiales que tie-

nen espesores desde unos cuantos

nanómetros hasta algunos miles de

nanómetros, aunque esto no es muy espe-

cifico. Se suele también utilizar en la prácti-

ca el nombre de capa delgada, como sinó-

Figura 1. Plasma producido por ablación láser a partir de unblanco de carbono para formar películas delgadas depara formar películas delgadas depara formar películas delgadas depara formar películas delgadas depara formar películas delgadas de

carbono amorfo tipo diamante.carbono amorfo tipo diamante.carbono amorfo tipo diamante.carbono amorfo tipo diamante.carbono amorfo tipo diamante.


nimo de película delgada, o simplemente

capa o película. Es importante señalar que

en general, las propiedades de los materia-

les en forma de película delgada pueden

ser significativamente diferentes de sus

atributos en bulto, resultando algunas de

sus propiedades con órdenes de magnitud

mejores en película delgada.

Los materiales en forma de película delga-

da han sido objeto de intensa investiga-

ción en los últimos años, debido a la am-

plia variedad de aplicaciones que tienen

en diversos campos de la ciencia y la tec-

nología. A continuación se enlistan algu-

nas de éstas:

1. En el campo de la óptica se utili-

zan como recubrimientos

antirreflejantes o protectores de

espejos, divisores de haz, filtros, etc.

En forma de estructura multicapa

se utilizan en la fabricación de es-

pejos altamente reflectores para

longitudes de onda específicas en

resonadores láser.

2. En el área de la electrónica su im-

pacto más importante ha sido en

la miniaturización de los circuitos

integrados, lo que de hecho ha re-

volucionado esta tecnología. Se uti-

lizan también como capas aislantes,

en la fabricación de micro-

condensadores y micro-baterías,

entre otros.

3. En el área metal-mecánica se usan

como recubrimientos ultra-duros

en herramientas de corte. Sus pro-

piedades tribológicas (ver p. 13) se

aprovechan para obtener

recubrimientos sin fricción y resis-

tentes al desgaste; también son

ampliamente usadas como

recubrimientos anticorrosivos.

4. El campo de la optoelectrónica uti-

liza las películas delgadas en diver-

sos dispositivos electroópticos, como

guías de onda, como medios de re-

gistro de información, etc.

5. Entre sus usos generales encontra-

mos que se utilizan como sensores

de gas, de humedad, de humo,

como soportes catalíticos, en celdas

solares y como recubrimientos

biocompatibles, por mencionar al-

gunos ejemplos.

A pesar de haber métodos bien estableci-

dos para la producción de películas delga-

das de alta calidad, existe considerable in-

terés en métodos alternos que puedan ser

menos caros, más confiables, eficientes y

capaces de producir películas delgadas con

propiedades nuevas o mejoradas. La abla-

ción láser es una técnica que ha dado res-

puesta a algunas de las necesidades cita-

das y se ha convertido en los últimos años

en una alternativa para la obtención de pe-

lículas delgadas, teniendo algunas venta-

jas respecto a otras técnicas. Es convenien-

te mencionar también que cualquiera que

sea la ruta de síntesis utilizada para obte-

ner la película delgada, sus propiedades

pueden variarse mediante una selección

apropiada de los parámetros de depósito

involucrados, así como de tratamientos post-

depósito adecuados, lo que permite crear

materiales con propiedades especificas para

aplicaciones concretas.


Depósito de películas delgadas porDepósito de películas delgadas porDepósito de películas delgadas porDepósito de películas delgadas porDepósito de películas delgadas por

ablación láserablación láserablación láserablación láserablación láser

El primer experimento de ablación láser para

el depósito de películas delgadas utilizan-

do láseres pulsados de alta potencia, se lle-

vó a cabo hace ya más de 35 años por

Smith y Turner, poco después de la inven-

ción del láser de rubí pulsado. En su artícu-

lo, los autores describen los primeros expe-

rimentos para el depósito de películas del-

gadas de diferentes materiales, e incluso

vislumbran algunas ventajas de la técnica.

Sin embargo, fue sólo a partir de la década

pasada que la técnica de ablación láser re-

cibió un fuerte impulso experimental y am-

plió su uso para la investigación del creci-

miento de películas delgadas. El ímpetu lo

recibió a raíz del descubrimiento de la posi-

bilidad de crecer películas delgadas de bue-

na calidad de superconductores de alta tem-

peratura crítica en una atmósfera de oxí-

geno a baja presión sin necesidad de pro-

cesado posterior. Ese descubrimiento abrió

el campo de investigación en el crecimien-

to de películas delgadas de óxidos cerámicos

utilizando ablación láser. Sin embargo, el pro-

greso subsiguiente buscando el estableci-

miento definitivo de la técnica para la pro-

ducción de películas delgadas de calidad

óptima fue lento, debido por un lado a que

competía con técnicas bien establecidas y

por el otro, a que el conocimiento sobre los

procesos físicos fundamentales involucrados

en esta técnica era insuficiente. Actualmen-

te, a pesar de que se han superado mu-

chos de sus problemas, aún puede consi-

derarse una técnica relativamente novedosa

para el depósito de películas delgadas y, si

se le compara con otras técnicas de depósi-

to como por ejemplo la pulverización

catódica o la epitaxia de haces moleculares,

aún permanece inexplorada en gran parte.

A pesar de lo anterior, la tecnología emer-

gente para el depósito de películas delga-

das utilizando la técnica de ablación láser

Figura 2. Esquema de un arreglo experimental típico, parael depósito de películas delgadas por ablación láser.

LASER DE

Nd:YAG

Camára de vacío

espejo

lente

plasma

substrato

blanco

Haz láser

Película delgada


ha resultado ser una herramienta podero-

sa y versatil para preparar películas delga-

das de materiales difíciles o imposibles de

producir por las técnicas convencionales de

depósito físico en fase vapor.

Un esquema experimental para depositar

películas delgadas por ablación láser se

muestra en la figura 2. El blanco y el

substrato se colocan dentro de una cáma-

ra de alto vacío en un arreglo geométrico

adecuado; eventualmente es posible llenar

la cámara con algún tipo de gas ya sea

reactivo o inerte durante el depósito. El haz

láser se enfoca sobre el blanco mediante

una lente, haciéndolo pasar por una ven-

tana transparente a la longitud de onda

del láser utilizado montada en la cámara.

Así se producirá un plasma que se propa-

ga perpendicular a la superficie del blanco

y que posteriormente se condensa sobre

el substrato para formar la película delga-

da.

Como puede apreciarse, el experimento es

conceptualmente muy simple y es análogo

al experimento que hicimos en la secun-

daria de concentrar la luz del sol utilizando

una lupa para quemar algo, por ejemplo

un trozo de papel o madera e incluso la

mano de un compañero.

Debido a su naturaleza, la técnica de abla-

ción láser posee características intrínsecas

que la distinguen de las demás, en la ob-

tención de películas delgadas. Las princi-

pales ventajas de esta técnica son, entre

otras:

1. Transferencia congruente (conser-

vación de la composición); esto

quiere decir que bajo ciertas con-

diciones experimentales, se puede

conseguir que la película deposita-

da tenga la misma composición

que el blanco.

2. Depósito a partir de un plasma al-

tamente energético; las energías

cinéticas y de excitación interna de

las especies que experimentan

ablación pueden usarse para favo-

recer la formación de la película y

promover reacciones químicas, tan-

to en la fase gaseosa, como en la

superficie de la película en creci-

miento, en forma simultánea o no.

3. Posibilidad de realizar depósitos en

atmósfera reactiva o inerte; debido

a que no se requieren haces de

electrones o filamentos calientes

dentro de la cámara de depósito.

Las especies energéticas en el plas-

ma reaccionan fácilmente con las

moléculas del gas para formar com-

puestos simples (óxidos, nitruros e

hidruros), de tal manera que el de-

pósito reactivo en atmósferas

oxidantes a baja presión, como por

ejemplo O2, O3, NO2, N2O, o vapor de

agua, combinado con la propiedad

de transferencia congruente, permi-

te crecer películas delgadas de alta

calidad de sistemas

multicomponentes difíciles de fabri-

car mediante otras técnicas. Como

ejemplo, es posible citar fe-

rroeléctricos, ferritas biocompatibles,

materiales cerámicos, entre otros.

4. Prácticamente se puede depositar

cualquier material, desde elemen-

tos puros hasta compuestos de ele-

vada complejidad, incluyendo aque-


llos con alta temperatura de eva-

poración.

5. Es un proceso muy limpio debido

a que la fuente de energía utiliza-

da para vaporizar se localiza fuera

de la cámara de evaporación.

6. La técnica ofrece la posibilidad de

controlar el espesor de la película

con buena precisión, lo que per-

mite trabajar en sistemas de baja

dimensionalidad donde se requie-

ren espesores de unas cuantas

monocapas.

7. Puede combinarse con otras téc-

nicas de depósito para obtener

configuraciones híbridas que per-

mitan optimizar los procesos de cre-

cimiento y mejorar las propiedades

de las películas.

Las características anteriores facilitan la ob-

tención de películas con las propiedades

deseadas de composición, estructura, eléc-

tricas, ópticas, etc., sin necesidad de reali-

zar tratamientos posteriores al depósito,

como por ejemplo tratamientos térmicos en

atmósfera controlada.

En la actualidad hay una amplia gama de

materiales depositados por esta técnica, la

lista incluye: superconductores de alta tem-

peratura critica (BiSrCaCuO e YBaCuO), ma-

teriales magnéticos (BaFeO, g-FeO, ZnFeO),

ferroeléctricos (PbZrxTi(1-x), BaTiO3, PbTiO3,

LiNbO3), materiales ópticos (KTiOPO, LiNbO,

LiTaO), semiconductores (GaAs), metales

(Au, Al, Cu, Co, Pt, Ti), polímeros (PMMA, PPS),

recubrimientos de materiales

biocompatibles (Ca10(PO4)6(OH)2, TiO2), car-

bono con estructura tipo diamante, mate-

riales tribologicos (MoS2, WS

2, TiO

2, PbO, TiC)

y materiales nanocristalinos, entre otros.

Plasmas por ablación láser en el ININPlasmas por ablación láser en el ININPlasmas por ablación láser en el ININPlasmas por ablación láser en el ININPlasmas por ablación láser en el ININ

En el laboratorio de plasmas de microondas

y ablación láser del departamento de física,

hemos desarrollado una instalación expe-

rimental para la formación de plasmas por

ablación láser y para el depósito de pelícu-

las delgadas utilizando el plasma así for-

mado. Nuestro trabajo de investigación tie-

ne dos vertientes; por un lado trabajamos

en el diagnóstico de plasmas formados por

esta técnica con el propósito de contribuir

al esclarecimiento de los mecanismos físi-

cos y químicos involucrados en la técnica;

por el otro, tratamos de establecer la forma

en que estos mecanismos afectan las pro-

piedades físicas de los materiales deposi-

tados, de modo que el material pueda ser

optimizado y formado con un buen grado

de reproducibilidad. En nuestro laboratorio

se trabaja en la síntesis de materiales, ta-

les como carbono amorfo tipo diamante,

óxido de aluminio, óxido de titanio, nitruro

de titanio y nitruro de carbono, materiales

con aplicaciones tecnológicas potenciales.

Algunos de los materiales (como el óxido

de aluminio y el nitruro de carbono) permi-

ten realizar investigación en la formación

de películas delgadas de materiales que

pueden ser utilizados para medir radiación

ionizante (rayos X) y radiación no-ionizante

(ultravioleta) con alta resolución espacial.

Este tipo de estudio ha sido motivado por

un lado, debido a que actualmente las téc-

nicas radioterapéuticas, como por ejemplo

la radioterapia conformal, la radiocirugía

esterotáxica, la sinovectomía por radiación,

entre otras, requieren de una dosimetría

con alta resolución espacial, de manera que

1 01 01 01 01 0 Contacto NuclearContacto NuclearContacto NuclearContacto NuclearContacto Nuclear

Bibl iograf íaBibl iograf íaBibl iograf íaBibl iograf íaBibl iograf ía

[1] Chrisey, D.B., Hubler, G.K. (Eds.), Pulsed Laser Deposi-tion of Thin Films, John Wiley & Sons, New York (1994).

[2] J. C. Miller, R.F. Haglund (Eds.), Laser Ablation: Mecha-nisms and Applications, Springer Verlag, USA (1991)

[3] L. Escobar-Alarcón, Ablación láser de óxidos: Síntesis ycaracterización de películas delgadas, Tesis de Doctorado,UAEM (1999).

[4] L. Escobar-Alarcón, J. E. Villarreal Barajas, E. Camps, S.Muhl, E. Haro-Poniatowski, S. Romero, B. Salinas; MaterialsScience and Engineering B, 90, 81-85 (2001).

se puedan realizar medidas exactas en re-

giones con gradientes de dosis altas; por

otro lado en los últimos años ha sido de

mucho interés el desarrollo de materiales

dosimétricos para usarse en la región

ultravioleta (UV), debido a los efectos que

tiene sobre la salud humana la componen-

te UV de la luz solar, asociada al cáncer de

piel y a la eritema.

La importancia de desarrollar este tipo de

materiales, radica en el hecho de que se

podrían fabricar dosímetros ultra-delgados,

con espesores del orden de decenas a cen-

tenas de nanómetros; estos dosímetros ten-

drían una alta resolución espacial, limitada

solamente por el espesor de la capa delga-

da, lo que permitiría realizar mediciones de

distribución de dosis absorbida con una

mayor exactitud. Otra ventaja importante de

estos dosímetros sería la posibilidad de rea-

lizar mediciones de dosis absorbida en cual-

quier medio en condiciones ideales, lo que

permitiría la estimación de dosis absorbida

en el medio sin necesidad de realizar co-

rrecciones debidas a la perturbación cau-

sada por el dosímetro. Particularmente, las

películas delgadas de carbono amorfo

nitrurado presentan algunas ventajas im-

portantes para usarse como dosímetros,

entre las que cabe destacar las siguientes:

no es tóxico, es inerte químicamente, es

insensible al daño inducido por radiación y

es muy estable, de tal manera que puede

usarse para realizar dosimetría “in vivo”. Su

ventaja más importante radica en el hecho

de que por tener un número atómico igual

a 6, puede considerarse como un material

equivalente a tejido biológico, ya que el

número atómico efectivo del tejido es de

aproximadamente 7.4. Es importante seña-

lar que este material puede sintetizarse a

bajas temperaturas de substrato, pudién-

dose obtener capas delgadas con espeso-

res del orden de 100 nm y morfología su-

perficial suave, lo que las hace promisorias

como dosímetros ultra-delgados.

ConclusionesConclusionesConclusionesConclusionesConclusiones

Las perspectivas que ofrece la técnica de

ablación láser son múltiples. El espectro de

trabajo que comprende el depósito de pelí-

culas delgadas por ablación láser va desde

estudiar los efectos de los parámetros del

láser sobre el proceso de ablación y la pro-

pagación del plasma, hasta la optimización

de las superficies de los substratos para

obtener diferentes modos de crecimiento

de la película delgada.

En particular, uno de los trabajos que he-

mos desarrollado demuestra que es posi-

ble obtener materiales en forma de pelícu-

la delgada con espesores de centenas de

nanómetros, que pueden ser utilizados

como detectores de radiación ionizante (ra-

yos X) y radiación no-ionizante (UV). Esta

propiedad hace a estos materiales atracti-

vos para ser utilizados como dosímetros

ultra-delgados.

35 plasmas producidos

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