ES2644586A1 - Material semiconductor micro- y nano- estructurado, procedimiento de obtención y uso como patrón de calibración - Google Patents

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ES2644586A1 ES201630556A ES201630556A ES2644586A1 ES 2644586 A1 ES2644586 A1 ES 2644586A1 ES 201630556 A ES201630556 A ES 201630556A ES 201630556 A ES201630556 A ES 201630556A ES 2644586 A1 ES2644586 A1 ES 2644586A1
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Tiberio Ezquerra Sanz
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Abstract

Material semiconductor micro- y nano- estructurado, procedimiento de obtención y uso como patrón de calibración. La presente invención se refiere a un material semiconductor micro- y nano- estructurado que sirve como patrón de calibración, particularmente como patrón de calibración espacial y conductor en medidas con microscopios de fuerza atómica conductivo. Además la presente invención se refiere al procedimiento de fabricación de dicho material mediante la técnica de estructuración superficial periódica inducida por láser y el uso de una máscara. Por tanto, la presente invención se podría encuadrar en el sector de las técnicas de análisis y caracterización de muestras.

Description

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Material semiconductor micro- y nano- estructurado, procedimiento de obtencion y uso como patron de calibracion
DESCRIPCION
La presente invention se refiere a un material semiconductor micro- y nano- estructurado que sirve como patron de calibracion, particularmente como patron de calibracion espacial y conductor en medidas con microscopios de fuerza atomica conductivo. Ademas, la presente invencion se refiere al procedimiento de fabrication de dicho material mediante la tecnica de estructuracion superficial periodica inducida por laser y el uso de una mascara. Por tanto, la presente invencion se podrla encuadrar en el sector de las tecnicas de analisis y caracterizacion de muestras.
ESTADO DE LA TECNICA
La microscopla de fuerzas atomicas (AFM del ingles “Atomic Force Microscopy’) se ha convertido en los ultimos anos en una herramienta muy potente a la hora de visualizar la materia a la escala nanometrica e incluso sub-nanometrica [Schonherr H, Vancso G. “Scanning force microscopy of polymers”. Heidelberg: Springer; 2010]. Mas recientemente la tecnologla AFM ha ido mas alla de la simple visualization [“Assessment and Formation Mechanism of Laser-Induced Periodic Surface Structures on Polymer Spin-Coated Films in Real and Reciprocal Space" Rebollar E, Perez S, Hernandez JJ, Martln-Fabiani I, Rueda DR, Ezquerra TA, Castillejo M, Langmuir, 27(9), 5596-5606 (2011)] y ha evolucionado para convertirse en una verdadera disciplina que utiliza la flsica y qulmica de las palancas (“cantilevers” ) del AFM para la evaluation a escala nanoscopica de una gran cantidad de magnitudes flsicas de entre las que cabe destacar las propiedades mecanicas (Modulo elastico, deformation, adherencia) [“Quantitative Mapping of Mechanical Properties in Polylactic Acid/Natural Rubber/Organoclay Bionanocomposites as Revealed by Nanoindentation with Atomic Force Microscopy" D.E. Martlnez-Tong, A.S. Najar, M. Soccio, A. Nogales, N. Bitinis, M.A. Lopez-Manchado,T.A. Ezquerra, Composites Science and Technology 104 (2014) 34], las propiedades piezoelectricas [“Improving information density in ferroelectric polymer films by using nanoimprinted gratings" Martlnez-Tong DE, Soccio M, Garcla-Gutierrez MC, Nogales A, Rueda DR, Alayo N, Perez-Murano F, Ezquerra TA, Applied Physics Letters 102(19),191601 (2013)], la conductividad electrica [“Elucidating the nanoscale origins of organic electronic
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function by conductive atomic force Microscopy’’ J.M. Mativetsky, Y.L. Loob, P. Samoric, J. Mater. Chem. C, 2014, 2, 3118] y las propiedades termicas [“Diameter- dependent melting behaviour in electrospun polymer fibres", W. Wang, A. H. Barber, Nanotechnology 21 (2010) 225701] entre otras.
Uno de los problemas que se presenta habitualmente al usar la tecnica AFM es la del calibrado. Si bien, para la calibration espacial, existen distintos tipos de muestras patron, que son suministrados generalmente por los fabricantes de equipos AFM, no ocurre lo mismo para la calibracion de las otras modalidades de medida a las que se puede acceder con el AFM. En particular cuando se emplea el AFM para la medida de corrientes electricas, se denomina el microscopio de fuerza atomica conductivo (c- AFM) es bastante frecuente que no se disponga de muestras patron que permitan saber si el sistema esta funcionando perfectamente.
Por tanto, es necesario desarrollar nuevos patrones de calibracion para las distintas modalidades de medidas que se pueden realizar mediante AFM.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
La presente invention se refiere a una lamina de un material semiconductor depositada sobre un sustrato conductor que comprende una superficie micro- y nano- estructurada caracterlstica donde las estructuras micrometricas sirven para llevar a cabo el calibrado espacial grueso del escala micrometrica en medidas con microscopios de fuerza atomica y donde las estructuras nanometricas sirven para llevar a cabo el calibrado espacial fino del escala nanometrica.
Dicha lamina de un material semiconductor micro- y nano- estructurada esta ademas caracterizada por tener estructuras micrometricas y nanometricas bien definidas que presentan conductividad electrica, por lo que dicha lamina puede utilizarse tambien como patron de calibracion conductor en medidas con microscopios de fuerza atomica conductivo.
La presente invencion, es, por tanto, una lamina de un material semiconductor con una superficie micro- y nano- estructurada que sirve como patron de calibracion espacial y conductor en medidas de microscopios de fuerza atomica, particularmente en microscopios de fuerza atomica conductivo.
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La presente invention ademas se refiere al procedimiento de fabrication de dicha lamina de un material semiconductor. El procedimiento se basa en la estructuracion de la superficie de un material semiconductor determinado mediante la tecnica de estructuracion superficial periodica inducida por laser, del ingles “laser induced periodic surface structuring" LIPSS, y el uso de una mascara.
La tecnica LIPSS consiste en la irradiation repetitiva de un material con un haz laser linealmente polarizado de manera que da lugar a la formation de estructuras periodicas lineales en la superficie del material, paralelas a la polarization del laser y con tamanos del orden de la longitud de onda de irradiacion. Esta tecnica permite el nanoestructurado de materiales con un montaje experimental sencillo pudiendo modificarse areas de un tamano de hasta centlmetros cuadrados en una escala temporal corta (de minutos) y mediante el empleo de densidades de energla bajas (por debajo de unas pocas decenas de mJ/cm2) produciendose la modification superficial sin ablation o eyeccion de material. Una limitation de la tecnica sin embargo es que requiere el uso de un material que absorba a la longitud de onda de irradiacion y que dicho material tenga poca rugosidad en la escala nanometrica para que el mecanismo de interferencia y retroalimentacion responsable de la formacion de las LIPSS sea efectivo. Este mecanismo de retroalimentacion esta relacionado con el empleo de cientos o miles de pulsos laser dependiendo del material, de manera que se produzcan ciclos de calentamiento y enfriamiento del material que dan lugar al reordenamiento del mismo. Ejemplos de estos materiales son pollmeros, metales, dielectricos, semiconductores, etc...
La presente invencion se refiere a la micro- y nano- estructuracion simultanea de la superficie de un material semiconductor mediante irradiacion a traves de una mascara de un determinado tamano y forma, utilizando las condiciones de irradiacion que conducen a la formacion de estructuras superficiales periodicas inducidas por laser (estructuras LIPSS), es decir, mediante el empleo de densidades de energla bajas de los pulsos laser, por debajo de unas pocas decenas de mJ/cm2.
La mascara situada a una determinada distancia de la superficie del material semiconductor produce varias zonas distintivas en el material semiconductor. Por un lado, la forma y el tamano de la mascara definen la forma y el tamano de una celda. Por otro, induce la formacion de un patron de difraccion de Fresnel en el interior de dicha celda con maximos y mlnimos de intensidad y separation determinada, de
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manera que las variaciones locales de la intensidad laser producidas por dicho efecto dan lugar al microestructurado del material semiconductor.
La difraccion de Fresnel es un efecto de campo cercano producido cuando la fuente de ondas incidente o el punto de observation desde el cual se las observa, o ambas, estan a una distancia finita de la apertura o del obstaculo que produce la difraccion, en este caso la mascara. En particular, para una onda electromagnetica atravesando una pantalla, se tiene difraccion de Fresnel cuando el cociente a2/LA es mayor que la unidad, siendo a el tamano de la apertura, L la distancia de la apertura a la pantalla y A la longitud de onda electromagnetica. En la presente invention, la pantalla es la superficie del material semiconductor. Debido al fenomeno de difraccion se obtienen unos maximos y unos mlnimos de intensidad (patron de difraccion) por lo que la energla local que alcanza la pantalla no es igual en todos los puntos. Los maximos y mlnimos de intensidad (patron de difraccion) pueden calcularse a partir de la geometrla de la apertura, la distancia de la apertura a la pantalla y la longitud de onda electromagnetica.
En la presente invencion, la mascara utilizada en el procedimiento de fabrication es de tamano micrometrico, por lo que, tanto el tamano de la celda que se produce en la superficie de un material semiconductor como el patron de difraccion de Fresnel que se produce en el interior de dicha celda son del orden micrometrico.
La forma de la mascara de la presente invencion es variable, desde un pollgono hasta un clrculo, obteniendose distintos patrones de difraccion sobre la superficie de los materiales semiconductores. En la referencia “Fresnel diffraction and fractal patterns from polygonal apertures" J. G. Huang, J. M. Christian, and G. S. McDonald J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 23, No. 11 se pueden observar los distintos patrones de Fresnel que se pueden obtener en funcion de la apertura poligonal o mascara poligonal que se utilice.
La lamina de un material semiconductor micro- y nano- estructurada de la presente invencion esta ademas caracterizada por tener estructuras micrometricas y nanometricas bien definidas que presentan conductividad electrica; se trata de los valles o mlnimos de intensidad que presentan conductividad electrica y por tanto pueden utilizarse como patron de calibracion conductor en medidas con microscopios de c-AFM, tanto para la calibration gruesa como para la calibration fina.
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Por ultimo, la presente invention se refiere al uso del material de la invention como patron de calibration en medidas de AFM y c-AFM.
Por tanto, en un primer aspecto, la presente invencion se refiere a un material (a partir de aqul "el material de la invencion”) caracterizado por que es un material semiconductor con una rugosidad de entre 0,1 nm y 10 nm capaz de absorber luz de entre 30 nm y 1100 nm, y por que comprende una superficie con al menos una celda, donde dicha celda comprende una magnitud representativa de tamano micrometrico, y, en el interior de dicha celda, se localiza una primera zona y una segunda zona,
• donde dicha segunda zona esta inscrita en la primera zona,
• donde dicha primera zona tiene un periodo de oscilacion decreciente, una amplitud decreciente y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion del orden micrometrico, de entre 0,5 pm y 5 pm,
• donde la segunda zona tiene un periodo de oscilacion constante y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion del orden nanometrico, de entre 20 nm y 1000 nm,
• y donde los valles del periodo de oscilacion de dicha primera zona y de dicha segunda zona presentan conductividad electrica de entre 2 pA y 1 pA cuando se aplica una diferencia de potencial -10 V y 10 V.
El material de la invencion es un material semiconductor que presenta poca rugosidad, de entre 0,1 nm y 10 nm para que el mecanismo de interferencia y retroalimentacion responsable de la formation de las LIPSS sea efectivo. Se selecciona de entre un pollmero, un fullereno, un derivado de fullereno o una combinacion de los mismos.
En la presente invencion se entiende por "derivado de fullereno” como aquel compuesto que conserva las excepcionales propiedades flsicas y qulmicas de los fullerenos precursores.
En una realization preferida, el material de la invencion es poli(3-hexiltiofeno), tambien conocido como P3HT.
En otra realizacion preferida, el material de la invencion es fenil-C71-acido butlrico
metil ester, tambien conocido como PC71BM.
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El material de la invention es ademas capaz de absorber la luz de cualquier longitud de onda de entre 30 nm y 1100 nm procedente de una fuente laser, por lo que se puede usar cualquier fuente laser que opere en el rango de dichas longitudes de onda correspondientes al comienzo de los Rayos X y cuyo llmite es el IR cercano.
Preferiblemente, el material de la invencion es un material semiconductor capaz de absorber las longitudes de onda a las que opera un laser de Nd:YAG: 1064 nm, 532 nm, 355 nm, 266 nm y 213 nm.
En el interior de la celda del material de la presente invencion se pueden distinguir una primera zona y una segunda zona,
o donde dicha segunda zona esta inscrita en la primera zona, o donde dicha primera zona tiene un periodo de oscilacion decreciente, una amplitud decreciente y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion del orden micrometrico, de entre 0,5 pm y 5 pm, o donde la segunda zona tiene un periodo de oscilacion constante y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion es del orden nanometrico, de entre 20 nm y 1000 nm, o y donde los valles del periodo de oscilacion de dicha primera zona y de dicha segunda zona presentan conductividad electrica de entre 2 pA y 1 pA cuando se aplica una diferencia de potencial -10 V y 10 V.
La primera zona se corresponde con un patron de difraccion de Fresnel caracterizado por tener un periodo de oscilacion decreciente, una amplitud decreciente y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion del orden nanometrico, por ejemplo, los dos puntos equivalentes son valle-valle o cresta-cresta.
El patron de difraccion de Fresnel que se puede distinguir en la superficie del material semiconductor se produce por el uso de una mascara. Puesto que la mascara utilizada en el procedimiento de fabrication es de tamano micrometrico, tanto el tamano de la celda que se produce en la superficie del material semiconductor como el patron de difraccion de Fresnel que se produce en el interior de dicha celda son del orden micrometrico. La magnitud representativa de dicha celda se corresponde con una dimension representativa de la mascara, por ejemplo, con un lado de un pollgono o el diametro de un clrculo. Esta magnitud representativa de la celda es el origen de la difraccion de Fresnel.
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La segunda zona se corresponde con el patron LIPSS. Dicha segunda zona esta inscrita en la primera zona.
En una realization preferida, el material de la invention es capaz de absorber luz de 266 nm y donde la segunda zona de la celda tiene un periodo de oscilacion constante y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion de 190 nm y 210 nm.
En otra realizacion preferida, el material de la invencion el material semiconductor es capaz de absorber luz de 532 nm y donde la segunda zona tiene un periodo de oscilacion constante y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion de 410 nm y 470 nm.
En otra realizacion preferida, el material semiconductor es capaz de absorber luz de 213 nm y donde la segunda zona de la celda tiene un periodo de oscilacion constante y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion de 150 nm y 190 nm.
Ademas, el material de la invencion esta caracterizado por que comprende una superficie con al menos una celda. El tamano de la superficie del material de la invencion debe ser tal que se pueda colocar en la zona de visualization de una muestra por microscopia de fuerza atomica, particularmente por microscopia de fuerza atomica conductiva, por tanto, un tamano de alrededor de 1 cm2.
La celda mencionada con anterioridad comprende una magnitud representativa de tamano micrometrico.
Por "magnitud representativa” se entiende, en la presente invencion, aquella dimension de tamano micrometrico que sirve para llevar a cabo la calibration gruesa espacial en microscopios de fuerza atomica, es decir, la calibracion micrometrica. Dicha magnitud representativa se corresponde con la magnitud representativa segun la forma y el tamano de la mascara utilizada durante el procedimiento de obtencion del material. La forma de la mascara varla desde cualquier pollgono hasta incluso un circulo; en el primer caso un lado del pollgono caracterizarla la magnitud significativa de la celda y, en el segundo caso, serla el diametro del circulo la magnitud representativa.
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En una realization preferida, la celda es un clrculo y la magnitud representativa es el diametro de dicho clrculo que varla de entre 50 pm y 500 pm.
En otra realization preferida, la celda comprende una primera magnitud representativa y una segunda magnitud representativa, donde la primera magnitud representativa y la segunda magnitud son ortogonales entre si, y donde la primera magnitud representativa y la segunda magnitud representativa son de tamano micrometrico.
Mas preferiblemente, la celda es un cuadrado y los lados o la primera y la segunda magnitud representativa de dicho cuadrado miden entre 50 pm y 500 pm.
Mas preferiblemente, donde la celda es un rectangulo y un primer lado o primera magnitud representativa mide entre 40 pm y 100 pm y el segundo lado o segunda magnitud representativa mide entre 100 pm y 500 pm.
En el interior de la celda del material de la presente invencion se pueden distinguir una primera zona con un periodo de oscilacion decreciente (zona de difraccion de Fresnel) y una segunda zona con un periodo de oscilacion constante y donde los valles del periodo de oscilacion de dicha primera zona y de dicha segunda zona presentan conductividad electrica.
Las medidas de la corriente electrica en un microscopio de fuerza atomica conductivo (c-AFM) se llevan a cabo aplicando una diferencia de potencial entre el substrato y la punta, normalmente una diferencia de potencial de entre -10 V y 10 V.
En el material de la presente invention, los valles de la primera zona y de la segunda zona presentan conductividad electrica de entre 2 pA y 1 pA cuando se aplica una diferencia de potencial -10 V y 10 V, cantidad suficiente para que el material de la presente invencion pueda ser utilizado como patron de calibracion espacial y conductor de un microscopio de fuerza atomica conductivo c-AFM.
Otro aspecto de la invention se refiere al procedimiento de fabrication del material de la invention (a partir de aqul el procedimiento de la invention) que comprende las siguientes etapas:
a) preparar una lamina de un material semiconductor con una rugosidad de entre 0,1 nm y 10 nm y de espesor de entre 100 nm y 200 nm, capaz de absorber luz de entre 30 nm y 1100 nm sobre un sustrato conductor por tecnicas de deposition,
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b) colocar una mascara paralelamente a la superficie de la lamina del material semiconductor obtenida en la etapa (a) a una distancia de entre 100 pm y 500 pm,
c) irradiar la lamina de material semiconductor cubierta con una mascara de la etapa (b) de forma perpendicular a la superficie de la lamina del material semiconductor con un laser pulsado, d) despegar la mascara de la lamina del material semiconductor micro- y nano- estructurada obtenida en la etapa (c).
La etapa a) se refiere a la preparation de una lamina de material semiconductor con poca rugosidad de entre 0,1 nm y 10 nm y un espesor de entre 100 nm y 200 nm que es capaz de absorber luz de entre 30 nm y 1100 nm sobre un sustrato conductor. Ejemplos de sustratos conductores son silicio conductor, grafito pirolltico oxido de indio y estano tambien conocido como ITO, metales tales como el oro o el platino y substratos recubiertos con una capa metalica de oro o platino.
La etapa (a) se puede llevar a cabo mediante cualquier tecnica convencional de deposition de pollmeros. Preferiblemente la etapa (a) se lleva a cabo mediante la tecnica de deposicion por centrifugation (en ingles “spin-coating’) o mediante la tecnica de deposicion y evaporation.
La tecnica de "spin coating” consiste en depositar un cierto volumen de una disolucion del material en el centro del substrato, y este se hace girar de manera que el material difunde por efecto de la fuerza centrlfuga recubriendo todo el substrato. El disolvente utilizado es volatil y se evapora durante la rotation.
La tecnica de deposicion y evaporacion consiste en depositar un cierto volumen de una disolucion de material sobre un substrato y esperar hasta la completa evaporacion del disolvente.
En la etapa (b) del procedimiento de la invention se coloca una mascara paralelamente a la superficie de la lamina de material semiconductor obtenida en la etapa (a) a una distancia de entre 100 pm y 500 pm.
En la presente invencion se entiende por "mascara” como aquel material que comprende una apertura de tamano y forma determinada a traves de la cual pasa la luz procedente de un laser. La mascara de la presente invencion esta hecha de un material que no absorbe la longitud de onda del laser de irradiation o que no se
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descompone o se deteriora a la fluencia que opera el laser de irradiacion durante el procedimiento de obtencion del material de la invention, es decir, que tenga un umbral de modification y/o ablation superior a la fluencia empleada en el procedimiento de la invencion para que se mantenga intacto.
En la presente invencion se entiende por "fluencia” a la energla por unidad de superficie (J/cm2) que se ajusta en los equipos de luz pulsada intensa o laser.
Preferiblemente, en la etapa (b) del procedimiento de la invencion, la distancia entre la mascara y la superficie es de entre 100 pm y 120 pm cuando la mascara tiene un espesor de entre 15 y 20 pm.
La etapa (c) del procedimiento se refiere a la irradiacion de la lamina de material semiconductor cubierta con una mascara de la etapa (b) de forma perpendicular a la superficie de la lamina de material semiconductor con un laser pulsado, preferiblemente los pulsos del laser son del orden de los nanosegundos, de entre 4 ns y 15 ns, aunque dicha duration del pulso no es limitante pudiendose utilizar laseres de femtosegundos con pulsos laser de entre 30 fs y 500 fs
La etapa (c) del procedimiento de la invencion se lleva a cabo irradiando de forma perpendicular a la superficie de la lamina de material semiconductor para que la difraccion de Fresnel se traduzca efectivamente en la primera zona de la celda del material de la invencion.
En una realization preferida, la etapa (c) del procedimiento de la invencion se lleva a cabo con un laser pulsado, con pulsos del laser de entre 4 ns y 15 ns, que opera a una longitud de onda de 266 nm y a una fluencia de entre 12 mJcm-2 y 15 mJcm-2. El numero de pulsos utilizado esta entre 2000 y 6000.
Para esta realizacion preferente, se puede utilizar una mascara por ejemplo, de cobre, metal que aunque absorbe la luz de 266 nm no se deteriora a las fluencias de operation durante el procedimiento de la invencion, que son de entre 12 mJcm-2 y 15 mJcm-2.
En otra realizacion preferida, la etapa (c) del procedimiento de la invencion se lleva a
cabo con un laser pulsado, con pulsos del laser de entre 4 ns y 15 ns, que opera a
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una longitud de onda de 532 nm y una fluencia de entre 25 mJcm-2 y 35 mJcm-2. El numero de pulsos utilizado esta entre 2000 y 12000.
En otra realization preferida, la etapa (c) del procedimiento de la invention se lleva a cabo con un laser pulsado, con pulsos del laser de entre 4 ns y 15 ns, que opera a una longitud de onda de 213 nm y una fluencia de entre 10 mJcm-2 y 15 mJcm-2. El numero de pulsos utilizado esta entre 2000 y 6000.
La etapa (d) del procedimiento de la invencion trata de despegar la mascara de la lamina de material semiconductor micro- y nano- estructurada de la presente invencion manualmente o con la ayuda de pinzas.
El ultimo aspecto de la invencion se refiere al uso del material de la invencion como patron de calibration de un microscopio. Preferiblemente como patron de calibration de un microscopio de fuerza atomica.
En otra realizacion preferida de la presente invencion se refiere al uso del material de la invencion como patron de calibracion espacial y conductor de un microscopio de fuerza atomica conductivo.
Comunmente para llevar a cabo medidas de conductividad electrica con un microscopio c-AFM se fija la muestra a analizar en un disco metalico con material conductor, por ejemplo una resina epoxi conductora, pintura de plata, adhesivo de cobre, y se introduce dicho disco en la zona de visualization del microscopio. Entonces se selecciona una punta que sea conductora y adecuada para realizar las medidas en modo contacto, por ejemplo una punta comun que este recubierta con PtIr y se selecciona el modo de medida c-AFM en el equipo. Para este tipo de medidas el contacto electrico entre el soporte y la muestra, la muestra y la punta y la punta y el equipo, es crltico, lo que supone un error en la medida si no se pueden controlar.
El uso del material de la invencion como patron de calibracion espacial y conductor del c-AFM proporciona no solo information sobre el correcto funcionamiento del equipo en modo conductor sino tambien informacion espacial. Aplicando una diferencia de potencial en el rango -10 a 10 V, se pueden tomar en tiempo real y de manera simultanea las imagenes de topografla y conductividad, observandose regiones conductoras (valles) separadas por regiones no conductoras (crestas o picos).
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Las ventajas de la presente invention con respecto al material de la invention son por tanto:
- la micro-nano estructura de la presente invencion se caracteriza por presentar una alternancia de regiones conductoras y aislantes lo que permite una calibration espacial y conductora simultanea
- el material de la invencion es un material semiconductor, seleccionado de entre un pollmero semiconductor, un fullereno, un derivado de un fullereno o una combination de los mismos, por lo que la medida de corriente electrica de estos materiales de caracter organico se lleva a cabo a voltajes moderados, comparables con los necesarios en semiconductores inorganicos.
Las ventajas de la presente invencion con respecto al procedimiento de la invencion son:
- en un solo paso se obtienen estructuras en dos escalas de tamano micro- y nanometrico utilizando fluencias moderadas en el rango de decenas de mJ/cm2 en contraposition con otras tecnicas como la litografla
- no son necesarias condiciones ambientales especiales como son las existentes en salas blancas o cajas de guantes necesarias para la aplicacion de tecnicas litograficas.
A lo largo de la description y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras caracterlsticas tecnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y caracterlsticas de la invencion se desprenderan en parte de la descripcion y en parte de la practica de la invencion. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustracion, y no se pretende que sean limitativos de la presente invencion.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
FIG. 1a Vista en planta de la superficie micro- y nano- estructurada del material de la invencion.
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FIG. 1b Vista en planta y vista en alzado del interior de una celda del material de la invencion.
FIG. 2 Fotografia del patron polimerico en el microscopio.
FIG. 3 Imagen a traves de objetivo de microscopio optico en la que se observan varias celdas con un tamano de 90 pm x 90 pm.
FIG. 4 Imagen de topografia de AFM en la que se observan las micro- y nano- estructuras obtenidas por irradiacion laser.
FIG. 5 Imagen de topografia de AFM en la que se observan las micro- y nano- estructuras obtenidas por irradiacion laser.
FIG. 6 Imagenes de AFM de topografia y conductividad en una muestra de P3HT modificada mediante irradiacion a 266 nm.
FIG. 7 Imagenes de AFM de topografia y conductividad en una muestra de P3HT modificada mediante irradiacion a 532 nm.
EJEMPLOS
A continuacion se ilustrara la invencion mediante unos ensayos realizados por los inventores, que ponen de manifiesto la efectividad del producto de la invencion.
Una peficula de P3HT con un espesor de 150 nm y preparada por deposicion por centrifugacion es irradiada con una longitud de onda de 266 nm en incidencia normal con una fluencia de 13,4 mJ/cm2 y 3600 pulsos a traves de una rejilla con celdillas cuadradas con un tamano de 90 pm de lado y 18 pm de espesor que se coloca en contacto con la muestra de pofimero. Las muestras se caracterizan mediante AFM y mediante c-AFM y se observa que los valles son conductores.
En la FIG. 1 se muestra la vista en planta de la superficie del material de la invencion. La FIG. 1a muestra la vista en planta de dicha superficie donde 1 es la superficie del material semiconductor de la invencion y 2 es una Celda. En la FIG. 1b se muestra la vista en planta y la vista en alzado del interior de la celda del material de la invencion
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donde 2 indica la Celda, 3 la 1a zona, es decir, la zona de difraccion de Fresnel y 4 la 2a zona correspondiente a la zona de estructuracion LIPSS.
En la FIG. 2 se muestra una fotografla del patron polimerico en el soporte conductor siendo introducido en el microscopio.
En la FIG. 3 se observa una imagen a traves de objetivo de microscopio optico en la que se observan varias celdas con un tamano de 90 qm x 90 qm resultado de la irradiacion de la lamina de material semiconductor con una longitud de onda de 532 nm a traves de una rejilla con un tamano de celda de 90 qm x 90 qm.
FIG. 4. Imagen de topografla de AFM en la que se observan las micro- y nano- estructuras obtenidas por irradiacion laser con una longitud de onda de 266 nm a traves de una rejilla con un tamano de celda de 90 qm x 90 qm. Se observan las microestructuras producidas por efecto de la difraccion Fresnel en las zonas cercanas al borde de la celda
FIG. 5. Imagen de topografla de AFM, magnification de la zona del borde de la imagen de la figura anterior. Se observan las micro- y nano- estructuras obtenidas por irradiacion laser. Las llneas verticales corresponden a la estructuracion consecuencia de la difraccion Fresnel con una oscilacion decreciente de 2,5 qm, 1,4 qm, 1 qm, y 0.9 qm segun aumenta la distancia del borde de la celda. Debajo de la imagen se muestra un perfil correspondiente a la llnea marcada sobre la imagen de topografla.
FIG. 6. Imagenes de AFM de topografla y conductividad en una muestra de P3HT modificada mediante irradiacion a 266 nm en la zona central de la celda. Se observa que los valles de las estructuras nanometricas con un periodo de 190 nm presentan conductividad.
Adicionalmente una muestra de P3HT preparada en las mismas condiciones se irradia a 532 nm con 3600 pulsos a una fluencia de 26 mJ/cm2.
FIG. 7. Imagenes de AFM de topografla y conductividad en una muestra de P3HT modificada mediante irradiacion a 532 nm en la zona central de la celda. Se observa que los valles de las estructuras nanometricas con un periodo de 430 nm presentan conductividad.
La muestra se introduce en el microscopio y para la calibration se utiliza una punta conductora, en este caso de silicio recubierta con PtIr. Se selecciona el modo de medidas conductoras en el microscopio. Se aplica una diferencia de potencial de -10 V y se mide el paso de corriente a traves de la muestra. La lamina de material 5 semiconductor micro- y nanoestructurada presenta conductividad en los valles de las estructuras del orden de 300 pA.

Claims (22)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un material caracterizado por que es un material semiconductor con una rugosidad de entre 0,1 nm y 10 nm capaz de absorber luz de entre 30 nm y 1100 nm, y por que comprende una superficie con al menos una celda, donde dicha celda comprende una magnitud representativa de tamano micrometrico, y, en el interior de dicha celda, se localiza una primera zona y una segunda zona,
    • donde dicha segunda zona esta inscrita en la primera zona,
    • donde dicha primera zona tiene un periodo de oscilacion decreciente, una amplitud decreciente y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion del orden micrometrico, de entre 0,5 pm y 5 pm,
    • donde dicha segunda zona tiene un periodo de oscilacion constante y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion del orden nanometrico, de entre 20 nm y 1000 nm,
    • y donde los valles del periodo de oscilacion de dicha primera zona y de dicha segunda zona presentan conductividad electrica de entre 2 pA y 1 pA cuando se aplica una diferencia de potencial de entre -10 V a 10 V.
  2. 2. El material segun la reivindicacion 1, donde el material semiconductor se selecciona de entre un pollmero, un fullereno, un derivado de fullereno o una combination de los mismos.
  3. 3. El material segun cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, donde el material es PC71BM.
  4. 4. El material segun cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, donde el material semiconductor es P3HT.
  5. 5. El material segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde el material semiconductor es capaz de absorber luz de entre 150 nm y 600 nm y donde la segunda zona de la celda tiene un periodo de oscilacion constante y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion de entre 130 nm y 550 nm.
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  6. 6. El material segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el material semiconductor es capaz de absorber luz de 266 nm y donde la segunda zona de la celda tiene un periodo de oscilacion constante y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion de 190 nm y 210 nm.
  7. 7. El material segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el material semiconductor es capaz de absorber luz de 532 nm y donde la segunda zona tiene un periodo de oscilacion constante y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion de 410 nm y 470 nm.
  8. 8. El material segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el material semiconductor es capaz de absorber luz de 213 nm y donde la segunda zona de la celda tiene un periodo de oscilacion constante y una distancia entre dos puntos equivalentes dentro del periodo de oscilacion de 150 nm y 190 nm.
  9. 9. El material segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que la celda es un clrculo y la primera magnitud representativa es el diametro de dicho clrculo que varla de entre 50 pm y 500 pm.
  10. 10. El material segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que la celda comprende una primera magnitud representativa y una segunda magnitud representativa, donde la primera magnitud representativa y la segunda magnitud son ortogonales entre si, y donde la primera magnitud representativa y la segunda magnitud representativa son de tamano micrometrico,
  11. 11. El material segun la reivindicacion 10, donde la celda es un cuadrado y los lados de dicho cuadrado miden de entre 50 pm y 500 pm.
  12. 12. El material segun la reivindicacion 10, donde la celda es un rectangulo y un primer lado o primera magnitud representativa mide de entre 40 pm y 100 pm y el segundo lado o segunda magnitud representativa mide de entre 100 pm y 500 pm.
  13. 13. Procedimiento de fabrication del material segun se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende las siguientes etapas:
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    a) preparar una lamina de un material semiconductor de rugosidad de entre 0,1 nm y 10 nm y de espesor de entre 100 nm y 200 nm, capaz de absorber luz de entre 30 nm y 1100 nm sobre un sustrato conductor por tecnicas de deposicion,
    b) colocar una mascara paralelamente a la superficie de la lamina obtenida en la etapa (a) a una distancia de entre 100 pm y 500 pm,
    c) irradiar la lamina cubierta con una mascara de la etapa (b) de forma perpendicular a la superficie de la lamina con un laser pulsado,
    d) despegar la mascara de la lamina micro-nano-estructurada obtenida en la etapa (c).
  14. 14. El procedimiento segun la reivindicacion 13, donde el sustrato conductor utilizado en la etapa (a) es silicio conductor, grafito pirolltico oxido de indio y estano, metales tales como el oro o el platino y recubrimientos metalicos de oro o platino.
  15. 15. El procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 13 o 14, donde la etapa (a) se lleva a cabo mediante una tecnica de deposicion seleccionada de entre la tecnica de deposicion por centrifugacion y la tecnica de deposicion y evaporation.
  16. 16. El procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, donde, en la etapa (b), la distancia entre la mascara y la superficie es de entre 100 pm y 120 pm cuando la mascara tiene un espesor de entre 15 y 20 pm.
  17. 17. El procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, donde la etapa (c) del procedimiento se lleva a cabo con un laser pulsado, donde los pulsos del laser son del orden de los nanosegundos, de entre 4 ns y 15 ns,
  18. 18. El procedimiento segun la reivindicacion 17, donde la etapa (c) se lleva a cabo con un laser pulsado que opera a una longitud de onda de 266 nm y a una fluencia de entre 12 mJcm"2 y 15 mJcm"2.
  19. 19. El procedimiento segun la reivindicacion 17, donde la etapa (c) se lleva a cabo con un laser pulsado que opera a una longitud de onda de 532 nm y una fluencia de entre 25 mJcm"2 y 35 mJcm"2.
  20. 20. El procedimiento segun la reivindicacion 17, donde la etapa (c) se lleva a cabo con un laser pulsado que opera a una longitud de onda de 213 nm y una fluencia de entre 10 mJcm"2 y 15 mJcm"2.
  21. 21. Uso del material segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 como patron de calibracion de un microscopio.
    5 22. Uso del material segun la reivindicacion 21, como patron de calibracion espacial
    de un microscopio de fuerza atomica.
  22. 23. Uso segun cualquiera de las reivindicaciones 21 o 22, como patron de calibracion espacial y conductor de un microscopio de fuerza atomica conductivo.
    10
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