Formación de multicapas grafeno/nitruro de boro por técnicas de crecimiento en vacío

Resumen

El objetivo general de este trabajo se centra en el estudio de las propiedades h-BN depositado mediante IBAD y su compatibilización con una tecnología basada en grafeno. El gran interés que generó el descubrimiento del grafeno en 2004 ha dado pie a una serie de necesidades agrupadas en el ámbito de los GRM (Graphene Related Materials). La tecnología IBAD permite depositar h-BN con alta calidad sobre cualquier tipo de sustrato. El control independiente de los flujos de átomos de boro y de iones de nitrógeno lo convierte en una herramienta muy versátil para el estudio de los cambios en las propiedades del h-BN al variar los parámetros de crecimiento. Además, la posibilidad de evaporar distintos materiales en nuestro equipo IBAD abre la puerta a la exploración del depósito de grafeno mediante técnicas PVD. Esta tesis se estructura en siete capítulos. El primero, esta introducción, explica el contexto científico en el que se ubica esta tesis. En ella se expone, en este orden, la necesidad de desarrollar un sustrato aislante adecuado para el grafeno y los problemas que plantean las soluciones ya existentes. A continuación se ofrece un repaso de las principales técnicas de síntesis de h-BN y de grafeno utilizadas hasta la fecha, para terminar hablando de las técnicas de transferencia de materiales 2D. El segundo capítulo repasa la técnica de síntesis utilizada en esta tesis, la tecnología IBAD y las técnicas de caracterización microscópicas, espectroscópicas y eléctricas usadas para caracterizar los materiales resultantes. En la introducción del tercer capítulo se analiza en profundidad uno de los elementos claves de la tecnología IBAD: la fuente de iones. Para ello se explican las distintas fuentes de iones disponibles comercialmente, sus ventajas e inconvenientes, así como las principales técnicas de caracterización de haces de iones descritas hasta la fecha. A continuación se presenta un desarrollo tecnológico clave para la realización de esta tesis: la introducción de un sistema de retardo de iones que permite trabajar con las ventajas de una fuente de iones de alta energía tipo Kaufman por debajo de su límite nominal de trabajo. Para poder implementar el sistema de retardo de iones se ha realizado un trabajo intensivo en la caracterización del comportamiento del cañón de iones con la variación de los diversos parámetros. También se desarrollan los protocolos de automatización de las medidas introducidos para poder caracterizar la fuente de iones de forma extensiva. El cuarto capítulo investiga las propiedades de las capas de h-BN utilizadas para sustrato como grafeno. En primer lugar se estudian la composición y homogeneidad de las capas de BN depositadas mediante IBAD y se da una explicación a las dos orientaciones posibles de los planes basales del BN. A partir de los resultados de microscopía de fuerzas atómicas (AFM) se acotan los posibles modelos de crecimiento para las capas de BN. La espectroscopía de absorción UV-VIS y la elipsometría espectrocópica nos permiten investigar las propiedades ópticas y dieléctricas del material sintetizado. A continuación se analiza el entorno químico durante el proceso de formación de la intercara de BN sobre distintos sustratos y se caracterizan sus propiedades ópticas y eléctricas. El quinto capítulo trata de forma directa el grafeno estudiando tres problemas distintos: en primer lugar se estudia la estabilidad térmica del grafeno CVD transferido sobre SiO2 (disponible comercialmente) para investigar su posible integración en procesos de fabricación de dispositivos. A continuación se presentan los resultados de la síntesis de capas de carbono tipo grafeno depositado mediante evaporación electrónica con aporte de energético de iones de baja energía y de síntesis PVD fuera del régimen molecular de los gases. Finalmente se resumen los resultados de diversas colaboraciones con otros grupos de investigación de grafeno transferido sobre los sustratos de BN preparados mediante lo descrito en los capítulos 3 y 4. El sexto capítulo estudia las propiedades del BN depositado mediante IBAD como capa protectora. En él se estudia de la calidad del capa subyacente de grafeno tras el depósito de una capa de BN utilizando microscopía Raman y microscopía electrónica de barrido. Para tratar de preservar la calidad estructural de la capa de grafeno, se estudia la viabilidad del uso de una capa protectora de boro para absorber el daño producido por el bombardeo iónico necesario para la síntesis de BN así como la síntesis de BN a temperatura ambiente para eliminar el daño inducido por el calentamiento en la capa de grafeno. Por último se valora la utilización de carbono sintetizado mediante sublimación de Si en obleas de SiC como alternativa de mayor calidad al grafeno transferido sobre SiO2. El último capítulo presenta una visión general sobre las conclusiones de esta tesis.