Magíster en Ciencias, Mención Física / Este trabajo analiza la morfología y los mecanismos de crecimiento en películas delgadas de oro sobre mica moscovita. Para lograr esto, se prepararon películas delgadas de oro de 1.5 a 40 nm de espesor nominal, mediante el método de deposición físico en fase vapor. Las condiciones de las evaporaciones fueron: presión de 10^-4 Pa; temperatura de evaporación entre los 110 y 790 K. La información topográfica de las películas delgadas se obtuvo mediante microscopia de fuerza atómica (AFM) para las muestras no conductoras y microscpía de efecto túnel (STM) para las muestras elétricamente continuas. Las películas evaporadas a temperatura ambiente, logran recubrir completamente el sus- trato cuando el espesor evaporado es de 8 nm o superior. Para las muestras con espesores inferiores a 8 nm, las mediciones topográficas se realizaron mediante AFM, el diámetro pro- medio de grano es constante para los distintos espesores evaporados, el exponente de Avrami es 1.06. Para las muestras con espesores mayores a 8 nm las mediciones topográficas se rea- lizaron mediante STM, en esta serie el diámetro promedio de grano aumenta con el espesor, el índice de Hurst es 1 para las distintas muestras y el exponente dinámico de crecimiento es 2.55. Se evaporaron muestras a temperaturas distintas a la ambiente, de espesores de 1.5 y 3.0 nm. Estas fueron caracterizadas mediante AFM e indican que la altura de los granos que forma el oro sobre la mica es mayor mientras menor es la temperatura del sustrato durante la evaporación. Las muestras fabricadas a temperatura sobre los 300 K muestran cambios de colores y topográficos a través del tiempo. Los resultados muestran que los depósitos fabricados a temperatura ambiente poseen nucleación instantánea y que están dominados por la barrera de Schwoebels-Ehrlich. Los depósitos fabricados a temperatura sobre los 300 K muestran que no hay una relación directa entre el tiempo en que la mica es sometida a un tratamiento térmico y la morfología que tendrá el depósito de oro, esto puede atribuirse a los procesos de hidroxilación que suceden en la mica o a la desorción de potasio superficial.

Se presentan dos trabajos independientes desarrollados en paralelo, el primero corresponde al cuerpo de la memoria, dirigido por el profesor Raúl Muñoz A. El segundo se expone en el apéndice A, dirigido por la profesora Judit Lisoni R. En el trabajo principal se presenta una comparación rigurosa entre datos de resistividad eléctrica y predicciones teóricas que incluyen el modelo de Palasantzas y el modelo mSXW-fractal, que predicen la resistividad generada por la dispersión electrón-superficie en películas delgadas de oro, sin usar parámetros ajustables, cuando la rugosidad superficial obedece una ley de escalamiento fractal. Encontramos que ambas teorías conducen a una descripción aproximada de la dependencia en temperatura de la resistividad. Sin embargo la descripción del transporte de carga basada en el escalamiento fractal parece sobre-simplificada y el aumento de resistividad proveniente de la dispersión electrón-superficie no se condice con otros resultados experimentales. Si las muestras están constituidas por granos tales que el diámetro promedio D es mayor a l0(300), el camino libre medio electrónico en el cristal de oro a 300 K, entonces el aumento en la resistividad predicho es menor al 5%. Esto parece inconsistente con resultados publicados de efectos magnetomórficos en este tipo de muestras, que demuestran que la dispersión electrón-superficie es el mecanismo dominante a 4 K. Por el contrario si las muestras están constituidas por granos cuyo D es menor a l0(300), entonces el mecanismo de dispersión electrónica dominante no es la colisión electrón-superficie sino la colisión electrón-borde de grano, que no está incluida en ninguna de las dos teorías. En el apéndice A se presenta un estudio de la cinética de oxidación a temperatura ambiente (TA) de películas delgadas de níquel de 5 nm y 10 nm de espesor. El proceso de oxidación fue monitoreado en el tiempo usando dos metodologías: (a) in-situ por medio de mediciones eléctricas y (b) ex-situ utilizando los espectros obtenidos de fotoelectrones inducidos por rayos X resueltos en ángulo (AR-XPS). Se generaron métodos para calcular la ganancia de oxígeno en función del tiempo. Se determinó que la ganancia en peso wg crece con el tiempo siguiendo una ley de potencias: wgt, siendo =0.17±0.05. Este valor difiere notoriamente del valor del bulto que presenta un comportamiento logarítmico a TA ó de =0.5 para temperaturas mayores que 400 ºC. Desde el punto de vista de composición, XPS mostró que a tiempos muy cortos de exposición al aire, i.e. < 1h, el estado de oxidación predominante es Ni2+ (Ni(OH)2 y NiO). A tiempos largos de exposición, i.e. >> 1 h, van apareciendo compuestos con estado de oxidación Ni3+ y el NiO desaparece. Gracias a este trabajo pudimos implementar exitosamente dos metodologías experimentales (mediciones de resistencia combinadas con resultados de XPS) que ayudan a determinar la cinética de oxidación de materiales en forma indirecta. Estas dos técnicas no se habían implementado hasta ahora en nuestro laboratorio y los reportes en la literatura son escasos.

Doctor en Ciencias de la Ingeniería, Mención Ciencia de los Materiales / Se efectúa una comparación entre la resistividad medida sobre películas delgadas de oro depositado sobre mica, con predicciones basadas en las teorías clásicas de efectos de tamaño: Teorías de Drude, Sondheimer y Calecki; así como predicciones basadas en teorías cuánticas de dispersión electrón-superficie: Teorías de Tesanovic-Jaric-Maekawa, Trivedi-Ashcroft y modificada de Sheng-Xing-Wang. A partir de imágenes topográficas de la superficie capturadas en un microscopio de efecto túnel, se determina la amplitud de rugosidad rms δ y la longitud de correlación lateral ξ, correspondiente a una representación gaussiana de la función promedio de autocorrelación de alturas que describe la rugosidad de cada muestra en la escala de longitud determinada por la longitud de onda de Fermi. Usando las duplas medidas de (δ, ξ) como información de entrada, se presenta una comparación rigurosa entre los datos de resistividad y las predicciones del modelo de Calecki y de las teorías cuánticas sin parámetros ajustables. La resistividad se midió en películas de oro de diferentes espesores evaporadas sobre sustratos de mica, a temperaturas en el rango entre 4K a 300 K. Los datos de resistividad cubren el rango 0.1 < x(T) < 6.8 para 4K < T < 300 K, siendo x(T) el cuociente entre el espesor de la película y el camino libre medio electrónico en el bulto, a una temperatura T. Se identifican experimentalmente la dispersión electrón-superficie y la dispersión electrón-fonón como los mecanismos de dispersión electrónicos microscópicos que dan lugar a la resistividad macroscópica. Las diferentes teorías son todas capaces de estimar la resistividad de las películas delgadas con una precisión mejor que 10%; sin embargo, el camino libre medio y la resistividad correspondientes al bulto, resultan depender del espesor de la película y del modelo teórico utilizado para describir la dispersión electrón-superficie. Sorprendentemente, sólo la teoría de Sondheimer y su versión cuántica, la teoría modificada de Sheng, Xing y Wang, predicen un incremento de resistividad inducido por efectos de tamaño que parecen consistentes con fenómenos galvanomagnéticos publicados -medidos a bajas temperaturas- también producidos por dispersión electrón-superficie.

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En este trabajo se exponen las primeras medidas de magnetorresistencia en películas de oro depositadas sobre mica en la configuración de MacDonald. En esta configuración el campo eléctrico es ortogonal al campo magnético y ambos campos están contenidos en el plano de la película. La señal de magnetorresistencia puede ser atribuida inequívocamente al scattering electrón-superficie rugosa. Las medidas fueron realizadas en un conjunto de cuatro películas delgadas de oro de distinto espesor. Las condiciones de fabricación de las películas permiten observar claramente el efecto del scattering electrón-superficie rugosa en distintos coeficientes de transporte. La medición de magnetorresistencia se efectuó utilizando el método de cuatro contactos a bajas temperaturas T (4 K ≤ T ≤ 50 K) bajo un campo magnético intenso B (1.5 T ≤ B ≤ 9 T), utilizando amplificadores sintonizados. Se observó una clara dependencia de la magnetorresistencia con el espesor de las películas. El cambio porcentual de resistividad debido a la acción del campo magnético a una temperatura de 4 K y a un campo magnético de 9 T son de 7% para la película más delgada (72 nm) y 21% para la películas más gruesa (266 nm). Se realizó una comparación entre teoría y experimento, donde la predicción teórica, basada en la ecuación de transporte de Boltzmann, no reproduce el comportamiento de la magnetorresistencia MacDonald. La predicción conduce a una magnetorresistencia negativa, mientras que el valor medido es positivo. La magnetorresistencia observada crece al aumentar el espesor de la muestra, contrariamente a lo predicho por la teoría.

En esta tesis se estudia el fenómeno que es conocido en la literatura como “efectos de tamaño y geometría en fenómenos de transporte”. En específico se estudia de qué manera la superficie rugosa, que limita la estructura metálica, afecta a las propiedades de transporte de carga cuando una o más de las dimensiones que caracterizan la estructura metálica se tornan comparables o inferiores al camino libre medio l de los portadores de carga en el grueso. Se analiza la teoría de transporte de Calecki, que proporciona una solución numérica para los coeficientes de transporte eléctrico como son la resistividad, la tangente de Hall y la magnetorresistencia transversal. La teoría de Calecki considera el efecto de scattering electrón-superficie rugosa desde primeros principios, usando el formalismo de la ecuación semiclásica de transporte de Boltzmann. El resultado es que la teoría proporciona una descripción adecuada de la resistividad en función de la temperatura, una descripción aceptable de la tangente de Hall en función del campo magnético a 4 K, pero predice una magnetorresistencia transversal a 4 K que es varios órdenes de magnitud menor que lo observado.