Caracterización electrostática de sistemas altamente resistivos mediante microscopía de fuerzas

Abstract

Resumen Los objetivos de la tesis son por un lado, modelizar e interpretar las imágenes de Microscopía de Fuerzas Kelvin (SKPM) de muestras aislantes con presencia de cargas localizadas en su superficie, y estudiar la dependencia del VSKPM con la distancia punta-muestra, así como la resolución lateral obtenida al adquirir imágenes. Por otro lado, estudiar en la mesoescala la evolución temporal y la dependencia espacial del potencial superficial de películas delgadas de Al granular de alta resistividad, cuando se aplican cambios en el potencial de puerta o gate. Así como estudiar en la nanoescala el comportamiento del sistema para obtener la subestructura del potencial superficial. Para las medidas experimentales se ha empleado la Microscopía de Fuerzas (SFM), mientras que para la interpretación de los datos se han llevado a cabo simulaciones numéricas. En primer lugar se ha hecho una aproximación de punta esférica basada en el método de las imágenes para analizar los datos obtenidos en SKPM. En segundo lugar se ha utilizado un modelo de conductividad por hopping basado en una red de condensadores para estudiar la carga y descarga de películas delgadas de metales granulares altamente resistivos. Como resultado, se ha obtenido el tamaño lateral y la carga total de dominios de carga con el modelo propuesto, y las predicciones se han confirmado mediante medidas experimentales. Finalmente, se discuten los efectos de la geometría de la punta, y se determinan los parámetros de medida más adecuados. Se ha mostrado que la técnica SKPM es capaz de monitorizar la carga y descarga de películas de Al granular a escala mesoscópica, y que el comportamiento observado en las medidas de potencial de superficie puede reproducirse con un modelo de conductividad por hopping con parámetros percolativos. Las medidas con SKPM en escala nanométrica han mostrado que el Al granular muestra una subestructura con dominios de potencial de tamaño ≤40nm, que no se correlacionan con la estructura granular de la topografía. Se ha encontrado que los dominios fluctúan, que la dinámica que exhiben es heterogénea, y que se caracteriza por la presencia de varios tiempos o escalas característicos.

Electrostatic characterization of highly resistive systems through Scanning Force Microscopy Summary The objectives of the thesis are, on the one hand, to model and interpret the Kelvin Forces Microscopy (SKPM) images of insulating samples with presence of localized charges on its surface, and to study the dependence of the SKPM potential with the tip-sample distance, as well as the lateral resolution obtained when acquiring images. On the other hand, to study in the mesoscale the temporal evolution and the spatial dependence of the surface potential of Al granular thin films of high resistance, when changes in gate potential are applied. As well as studying at the nanoscale the behaviour of the system to obtain the substructure of surface potential. For the experimental measurements, Scanning Force Microscopy (SFM) has been used, while numerical simulations have been performed for the interpretation of the data. Firstly, a spherical tip approach was used based on the image method to analyze the data obtained in SKPM. Secondly, a conductivity-based hopping model based on a network of capacitors has been used to study the charging and discharging of thin films of highly resistive granular metals. As a result, lateral size and total charge domain has been obtained with the proposed model, and the predictions have been confirmed by experimental measurements. Finally, the effects of the tip geometry are discussed, and the most appropriate measurement parameters are determined. It has been shown that the SKPM technique is capable of monitoring the charging and discharging of granular Al films at mesoscopic scale and that the behaviour observed in the surface potential measurements can be reproduced with a hopping conductivity model with percolative parameters. Measurements with SKPM at the nanoscale have shown that granular Al shows a substructure with potential domains of size ≤40nm, which do not correlate with the granular structure of the topography. It has been found that domains fluctuate, their dynamics is heterogeneous, and it is characterized by the presence of several characteristic times or scales.