Evolution de la rugosité de surface invariante dans le temps lors des dépôts de couches minces sous pression atmosphérique

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 19888 (2016) Citer cet article

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L'évolution de la morphologie des couches minces lors du dépôt sous pression atmosphérique a été étudiée à l'aide des méthodes de Monte Carlo. La rugosité quadratique moyenne invariante dans le temps et la morphologie locale de la rugosité ont toutes deux été observées lors de l'utilisation d'un nouveau paramètre de simulation, modélisant l'effet de la condition expérimentale de haute pression. Ce régime de croissance, dans lequel la rugosité de la surface reste invariante après avoir atteint une valeur critique, n'a été classé par aucune classe d'universalité existante. Un mécanisme de croissance anti-ombre responsable de ce régime se produit lorsque les particules subissent des collisions binaires sous les sommets de la surface. Par conséquent, ce mécanisme est applicable lorsque le libre parcours moyen des espèces déposantes est comparable à l’amplitude des caractéristiques de surface. Cela a été modélisé informatiquement en permettant aux particules de changer de direction à une hauteur spécifiée au-dessus de la surface locale du film. Cette modification de la trajectoire du flux entrant a par conséquent un effet de lissage spectaculaire et les surfaces résultantes semblent en accord avec les observations expérimentales récentes.

L'évolution morphologique des couches de matériaux en croissance suscite un intérêt continu dans la communauté scientifique, tant du point de vue théorique que pratique1,2,3,4,5. L'intérêt se développe en raison de l'effet substantiel de la morphologie de la surface sur les propriétés optiques, électriques et mécaniques d'un film. Naturellement, de nombreuses méthodes ont été développées pour aider à caractériser et prédire les morphologies. Parmi celles-ci, les relations d'échelle impliquant des caractéristiques de surface mesurables, telles que la rugosité quadratique moyenne ω, détiennent un fort pouvoir prédictif sans concerner les propriétés détaillées du matériau en question. Ces relations donnent naissance à des exposants d’échelle, qui ne peuvent posséder qu’un ensemble spécifique de valeurs dépendant de la dimensionnalité et de la symétrie de la dynamique de croissance. De plus, ces exposants permettent de classer des phénomènes de croissance apparemment sans rapport dans la même classe d’universalité. La croissance au sein d’une classe d’universalité est prévisible et admet une fabrication de surface fiable1,2,3,6.

L’exposant de rugosité α et l’exposant de croissance β sont particulièrement intéressants. Ce dernier découle de la relation ω(t) ~ tβ, où ω(t) = 〈[h(r′, t) − 〈h(t)〉]2〉 et h(r, t) est la hauteur de la surface en position r au temps t. Le premier décrit le comportement de rugosité local et peut être défini en considérant d'abord la fonction de corrélation hauteur-hauteur (HHCF),

où 〈···〉 désigne une moyenne statistique. Pour les problèmes de croissance de surface autoaffine, cette fonction se comporte comme

où

Ici, ξ désigne la longueur horizontale maximale à laquelle les hauteurs de surface sont corrélées, donnée par la relation d'échelle ξ ~ tβ/α 2,3. La signification de α n’est pas aussi insaisissable que le paraissent les mathématiques ; α décrit la fréquence de fluctuation locale de la hauteur, avec une valeur proche de l'unité correspondant à une surface oscillatoire lente et une valeur proche de zéro correspondant à une surface oscillatoire rapide6,7. Connaître les conditions expérimentales dans lesquelles ces exposants maintiennent une certaine valeur permet de fabriquer des films aux propriétés morphologiques prévisibles.

Une analyse récente de films organosilicone développés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) amélioré par plasma à pression ambiante montre que les surfaces produites possèdent des caractéristiques d'échelle uniques, contrairement à toutes les classes universelles précédentes8,9. À savoir, les surfaces isotropes présentaient une rugosité de surface indépendante du temps, caractérisée par β ≈ 0 et α constant. Pour une description complète du dépôt, se référer aux références 8,10,11. Un aspect critique de ce travail était l’environnement à haute pression dans lequel les dépôts étaient effectués. Les conditions de haute pression n'ont pas été incluses dans les travaux théoriques antérieurs prédisant la rugosité de surface en fonction de paramètres expérimentaux. Dans la discussion qui suit, les méthodes de Monte Carlo sont utilisées pour explorer un mécanisme de croissance possible pouvant produire la rugosité invariante dans le temps observée lors d'un dépôt à haute pression. Le mécanisme proposé suivant est capable d’expliquer les caractéristiques saillantes lors du dépôt sous pression atmosphérique.