Simulación, análisis y extracción cuantitativa de información de imágenes de microscopía electrónica en modo HAADF-STEM

Résumé

La reducción en las dimensiones características de los dispositivos semiconductores, así como la utilización de elementos nanoestructurados para su construcción, están permitiendo no solo una mejora en la potencia de cálculo y capacidad de almacenamiento de los microprocesadores, sino la investigación de nuevos materiales que intervienen en la construcción de dispositivos muy diversos y fiables, como láseres, diodos emisores de luz, células solares, catalizadores de alta eficiencia, transistores, diodos y puertas lógicas construidos con nanohilos semiconductores, cristales fotónicos cuyas propiedades exclusivas permiten que se puedan emplear en dispositivos más rápidos y eficaces para telecomunicaciones fotónicas y computación óptica, etc. Debido a la necesidad de disponer de herramientas para la caracterización y análisis de defectos, mediciones en la rugosidad superficial, caracterización de objetos enterrados, etc. esta miniaturización supone un importante desafío. El presente trabajo de investigación permite una aproximación a este problema desde diversos campos del conocimiento. Por un lado el de la Ingeniería Informática, y por otro el de las Ciencias e Ingeniería de los Materiales. El desarrollo de técnicas de análisis, simulación y reconstrucción aplicadas a las ciencias de los materiales junto con el uso de la computación avanzada y las técnicas de paralelización, pueden facilitar, y en algunos casos incluso sustituir, la realización de experimentos que pueden ser muy costosos en tiempo y esfuerzo, o incluso imposibles por la falta del equipamiento necesario. La presente tesis doctoral pretende contribuir en el desarrollo de técnicas de extracción de información cuantitativa de materiales nanoestructurados en 3D, especialmente en la caracterización de su forma, tamaño y composición. Para ello se ha desarrollado una metodología que incluye el efecto de la incoherencia espacial en la simulación de imágenes de microscopía electrónica, lo que reduce enormemente las diferencias en el contraste respecto a las imágenes experimentales. Se ha realizado un estudio del comportamiento de la sonda a medida que atraviesa el material y cómo se puede utilizar para reducir el efecto de Channeling. Se propone una alternativa, la técnica SCEM, desarrollando un simulador de imágenes de dicha técnica. Aun conociendo las debilidades de la obtención de información cuantitativa en tres dimensiones utilizando series focales de HAADF ¿STEM, se ha utilizado esta técnica para caracterizar la estructura de las dislocaciones de hélice en materiales semiconductores del tipo III ¿ V. Las necesidades surgidas a lo largo de esta tesis han motivado el desarrollo de numerosos paquetes de software complementario, tanto para el modelado y la simulación de nanoestructuras como para el análisis de imágenes de microscopía electrónica. Podríamos citar entre otros: El software Peaks Pairs Analysis® para cálculos de strain mapping. El uso de Comsol Multiphysics® , junto a la herramienta MATLAB para la realización de cálculos FEM exportando la solución de minimización obtenida y realizando un mapeado cristalino. Para ello conociendo el campo de desplazamiento (¿x,¿y,¿z), es posible mapear una estructura cristalina (xi, yi y zi) de átomos de número atómico Zi en el interior del sólido estudiado y obtener las coordenadas atómicas del material relajado (xi+ ¿xi yi+ ¿yi y zi+ ¿zi). El plug-in de DigitalMicrograph qHAADF® para análisis cuantitativo. Las aportaciones desarrolladas en esta tesis permiten ahondar en el conocimiento de la relación existente entre las estructuras, propiedades, procesado y aplicación de materiales semiconductores, garantizando la mejora del control y por tanto, de la funcionalidad de los dispositivos nanocuánticos derivados de los mismos. Las metodologías desarrolladas se basan en la utilización de la computación intensiva para el análisis, modelado y simulación de materiales a escala atómica y supone una alternativa factible respecto a las técnicas existentes. El desarrollo propuesto permite el análisis de las imágenes procedentes de microscopios electrónicos de alta resolución, el modelado del material, la generación de imágenes simuladas a partir del modelo y extracción de información cuantitativa de las imágenes. Así pues, el estudio de caracterización de materiales queda soportado por los estudios de simulación y técnicas de análisis de imágenes que permitirán presentar características adecuadas para proponer la fabricación de dispositivos optimizados. Entre otros dispositivos en cuya fabricación y función se pueden introducir mejoras, cabe mencionar los láseres para telecomunicaciones, láseres para aplicaciones médicas, por ejemplo en cirugía, láseres y diodos emisores de luz en el azul y ultravioleta con aplicaciones en el almacenamiento de información y en iluminación, y células solares basadas en semiconductores auto-ensamblados. Además, la simulación permitirá predecir los cambios en el comportamiento de dichos materiales y la reconstrucción nos servirá para determinar su forma.