Desarrollo de dispositivos mediante litografía de rayos x de alta energía aplicada en films nanoestructurados.

LIONELLO, DIEGO F.; STEINBERG, PAULA Y.; ZALDUENDO, M. MERCEDES; AMENITSCH, HEINZ ; MARMIROLI, BENEDETTA; ANGELOMÉ, PAULA C.; FUERTES, M. CECILIA

Otro; Nanomercosur 2017; 2017

Gracias a la experiencia acumulada durante las últimas dos décadas, el campo de los films delgados de óxidos mesoporosos está en condiciones de avanzar hacia la integración de estos materiales en dispositivos con diferentes aplicaciones: catalizadores, sensores, adsorbentes, componentes electrónicos, sistemas de micro y nanofluídica, etc. [1] . En este sentido, la técnica de Litografía basada en Rayos X (RX) de alta energía (Deep X-Ray Litography, DXRL) resulta una alternativa interesante ya que permite, en un único paso, consolidar la estructura del óxido, eliminar el molde que da lugar a los poros (Brij58, CTAB o Pluronic F127) y generar patrones con alta relación de aspecto en escala macroscópica [2].En este trabajo se prepararon films delgados de SiO2 y TiO2 con diversos tamaños y arreglos de poros [3, 4], y se los irradió mediante la técnica de DXRL utilizando distintas dosis (1 a 64 kJcm-3) en el sincrotrón Elettra, Trieste, Italia. Se estudiaron sistemas monocapa y multicapa y se generaron nanopartículas (NP) incluidas en los films a partir de iones Au (III) y Ag (I) (Figura 3 derecha). En todos los casos, la irradiación se realizó tanto en forma directa como utilizando máscaras, para dar lugar a estructuras periódicas como las que se muestran en la siguiente figura:Los materiales obtenidos fueron caracterizados mediante espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR), microscopía, difracción de RX rasante (GISAXS) y a bajo ángulo, reflectometría de RX y nanoindentación (NI). Pudo comprobarse que los moldes fueron degradados y que los óxidos presentaron un alto grado de orden de los poros en todas las condiciones estudiadas (Figura 2). Además, se observó una clara dependencia entre las propiedades del material (frente a la disolución, formación de NP, mecánicas, etc.) y la dosis de RX recibida, para cada tipo de óxido.Figura 2. Espectros FTIR medidos en las muestras SiO2-CTAB. En el recuadro rojo se muestran bandas correspondientes al surfactante y en el azul las bandas del óxido de silicio.Se estudiaron las características estructurales (espesor, contracción, ordenamiento de los poros y, cristalinidad y características de las NP incluidas) de películas mesoporosas tratadas con diferentes dosis de RX, con el fin de comprender las posibilidades de la técnica. Los sistemas obtenidos mostraron distintos ordenamientos porosos, según los moldes utilizados, con simetrías cúbica Im3m (Figura 3 izquierda inset) y cúbica Pm3n. Al aumentar la dosis de irradiación, los films se contrajeron uniaxialmente en la dirección perpendicular al sustrato. Las contracciones alcanzadas fueron menores que en muestras tratadas térmicamente. Por el momento, ninguna de las muestras presentó cristalinidad apreciable. Fue posible obtener sistemas con NP incluidas en su estructura (Figura 3 derecha). Figura 3. Imagen de microscopía de transmisión del sistema TiO2-Brij58 irradiado a 64 kJ cm-3. (izquierda) y su respectivo GISAXS (inset) y sistema SiO2-Brij58 + Ag irradiado a 16 kJ cm-3 (derecha). Para evaluar la estabilidad mecánica de los films se realizaron ensayos de NI; [5] los valores de módulo elástico (E) medidos para SiO2 varían entre 2 y 14 GPa (dosis entre 1 y 64 kJ cm-3). Los valores de E obtenidos para altas exposiciones son comparables a los de las muestras calcinadas a 350°C. En el caso de TiO2, solamente para dosis entre 32 y 64 kJ cm-3 se observa la consolidación del film y los valores de E varían entre 3 y 10 GPa. Estos valores son menores a los medidos para muestras calcinadas (E ≈ 30-50 GPa).Los resultados presentados en este trabajo muestran la versatilidad de la técnica y serán utilizados para evaluar y optimizar la difusión de moléculas sonda en medios porosos, para estudiar fenómenos de transporte eléctrico en geometrías conocidas y para la construcción de dispositivos para sensado óptico y espectroscópico.