Resistencia de películas de cobre recubiertas por tioles aromáticos

Abstract

La resistencia eléctrica de las superficies de cobre de espesor cercano al camino libre medio electrónico (~39 nm) no es constante en el tiempo, debido a procesos de oxidación que disminuyen el espesor efectivo de la película metálica en una proporción importante [1]. Esto es un problema que limita las posibles aplicaciones de este material en cualquier dispositivo nanométrico. Existe evidencia de que los tioles protegen los metales de ligandos adventicios y, en el caso del cobre, también actúan como una barrera contra la oxidación. Por otro lado, abren la posibilidad de funcionalizar las superficies metálicas añadiendo a la molécula un grupo terminal con propiedades específicas. Se ha encontrado evidencia de que algunos tioles aromáticos se ensamblan más compactamente que los alcanotioles y por lo mismo se espera que formen barreras más efectivas. En este trabajo se presenta la evolución temporal de la resistencia eléctrica del sistema tiol aromático-Cu, en condiciones de laboratorio, para 2 moléculas de tamaño parecido pero diferente polaridad. A través de varios experimentos se comparó la efectividad de la monocapa formada en proteger de la oxidación. La resistencia de películas delgadas metálicas (~50 nm de espesor inicial) se midió con la técnica de 4-contactos y amplificadores sintonizados para mediciones de bajo ruido como una forma complementaria de caracterizar el crecimiento de óxido de cobre. Es bien sabido que la resistencia y la resistividad tienen ambas una fuerte dependencia en el espesor de la película [2] así que el efecto del crecimiento de óxido debe ser cuantificable y se comprobó que lo es. Además, las muestras preparadas son distinguibles por su evolución tanto mediante caracterización eléctrica como topográfica (por medio de STM y AFM) y elemental (a través de ARXPS). También resultan distinguibles por su estado inicial mediante caracterización elemental. La evolución de la resistencia y del porcentaje de óxido presente durante 30 días sugiere que en el cobre sin recubrir el óxido crece más rápido que en las otras dos muestras. La muestra recubierta por bifenil-4-tiol presenta ventaja frente a la muestra sin recubrir en la etapa inicial, pero finalmente la molécula se degrada. La muestra recubierta por ácido 4-mercaptobenzoico muestra el comportamiento más estable desde el punto de vista de la evolución de la caracterización elemental (la monocapa se degrada menos) y de la caracterización eléctrica (el valor de su resistencia sufre una variación porcentual menor). Sin embargo, en los primeros días de exposición al ambiente sufre profundas transformaciones en su topografía, que se reflejan en la evolución del tamaño de grano y la rugosidad. Se corroboró mediante el programa Gaussian que la molécula que conduce a los mejores resultados es aquella cuyo momento dipolar indica que la nube electrónica se ha desplazado hacia el átomo de azufre. [1] I. Platzman, R. Brener, H. Haick and R. Tannenbaum. Oxidation of Polycrystalline Copper Thin Films at Ambient Conditions. The Journal of Physical Chemistry C, 112(4):1101 1108, 2008. [2] W. Zhang, S.H. Brongersma, Z. Li, D. Li, O. Richard and K. Maex. Analysis of the size effect in electroplated fine copper wires and a realistic assessment to model copper resistivity. Journal of Applied Physics, 101(6):063703, (2007).