Capítulo 1: Introducción
3.5. Contexto científico-técnico de esta tesis: ejemplos de aplicaciones
En las secciones anteriores se han descrito brevemente los fundamentos del crecimiento de películas delgadas nanoestructuradas porosas mediante pulverización catódica y cómo, mediante la modificación adecuada de las condiciones de crecimiento, se pueden obtener recubrimientos con propiedades definidas a medida. Esta posibilidad es de gran importancia porque permite fabricar películas delgadas con propiedades específicas ajustadas a aplicaciones concretas. Una de las áreas en las que más se ha aplicado este principio es la de los materiales para aplicaciones ópticas.10,47 Las películas
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formadas por nanocolumnas inclinadas presentan una anisotropía microestructural que se traduce en un comportamiento óptico anisotrópico, por lo que, dependiendo del tipo de material pueden ser birrefringentes (dieléctricos transparentes) o dicroicas (metales).48,49 Por otro lado, debido a la formación de poros en la película, el índice de
refracción, al igual que la densidad, puede controlarse mediante el ajuste de la porosidad de la película.50 Este comportamiento, de gran importancia en aplicaciones
ópticas y opto-fluídicas, se puede explicar mediante la teoría de medio efectivo (EMT del inglés Effective Medium Theory) recurriendo a modelos tales como el de Bruggeman o el de Maxwell-Garnet.51,52 En estos modelos, el índice de refracción efectivo (neff) de
un recubrimiento depende de la contribución de los índices de refracción del material depositado (nL) y del material que se encuentra rellenando los poros (nP) (aire, vapores,
líquidos, etc.). Así, el incremento de la porosidad en un recubrimiento aumentará la contribución del índice de refracción del material que rellena el poro. Si el índice de refracción de este material (nP) es menor que el del material depositado (nL), se produce
una disminución de neff. Por ejemplo, una película porosa de óxido de titanio (TiO2) con
un 30% de porosidad posee un índice de refracción de neff=1,85 en contraste con el
índice del mismo material, pero formando una película densa, el cual es neff=2,3.53
Teniendo en cuenta la versatilidad de la pulverización catódica para el control de las propiedades de una película delgada, en esta tesis hemos aplicado los principios básicos del crecimiento a dos ejemplos de aplicaciones ópticas donde los aspectos morfológicos son claves. Estos ejemplos, que son objeto de estudio en los Capítulos 8 y 11 de esta tesis, consisten en la utilización de estructuras fotónicas para aplicaciones ópticas pasivas (filtros ópticos o espejos de Bragg) y activas (sensores ópticos de fluidos) respectivamente. Para el caso de los espejos de Bragg se han utilizado apilamientos de materiales dieléctricos transparentes en el visible y que presentan un alto contraste de índices de refracción en este rango, como son el SiO2 y TiO2. Por otro lado, la fabricaión
de sensores ópticos se ha llevado mediante el apilamiento de SiO2 y SiOx. Estos
materiales presentan un alto contraste de índices de refracción y son transparentes en el infrarrojo cercano, lo que permite el análisis de fluidos en esta región espectral.
Debido a su importancia en esta tesis, a continuación, se describen someramente los fundamentos de los cristales fotónicos en forma de reflectores o resonadores ópticos. Un cristal fotónico es una nanoestructura formada por el apilamiento de uno o varios materiales que presentan una periodicidad del índice de refracción en al menos una de las tres direcciones del espacio, pudiéndose encontrar cristales fotónicos unidimensionales (1D), bidimensionales (2D) o tridimensionales (3D).54,55 En la Figura
11a se muestra un esquema de una estructura fotónica unidimensional formada por dos materiales de índices de refracción distintos nH y nL (con nH>nL) y transparentes en la
zona visible del espectro (como el TiO2 y el SiO2 respectivamente). Debido a la
distribución espacial periódica de los índices de refracción en la estructura y los fenómenos de interferencia óptica que produce esta distribución espacial, se genera un intervalo de longitudes de onda prohibidas para las cuales la luz se ve reflejada por la estructura. Este tipo de estructura fotónica se denomina «reflector de Bragg»,
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caracterizado por la aparición de bandas de alta reflexión —o baja transmisión— localizadas (Figura 11b). Tanto la anchura (Δλ) como la posición del centro del mínimo de la banda (λ0) están definidos por el espesor de las películas y el contraste entre los
índices de refracción de estas. La relación entre estos parámetros se describe mediante la expresión:56 ∆𝜆 𝜆 = 4 𝜋𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 𝑛 − 𝑛 𝑛 + 𝑛 (1)
En la Figura 11b se muestran los espectros de reflexión y transmisión simulados correspondientes a una estructura fotónica formada por el apilamiento de 6 pares de capas de TiO2 (nH=2,30) y SiO2 (nL=1,44) densas con espesores de 90 nm para los que
Δλ=220 nm y λ0 = 700 nm.
Figura 11. a) Esquema de un apilamiento de láminas delgadas de dos materiales con distintos índices de refracción —n1 y n2— formando un reflector de Bragg. b) Espectros de transmitancia y reflectancia de un reflector de Bragg como el representado esquemáticamente en a) en el que se muestran sus parámetros característicos Δλ y λ .
Un reflector o espejo de Bragg tal y como el que se muestra en a Figura 11 se puede modificar introduciendo en el centro de la estructura un defecto óptico formado por una capa de mayor espesor. Esta nueva estructura se denomina resonador óptico o cavidad óptica (Figura 12b).54 La misma se puede considerar formada por dos reflectores
de Bragg separados por una película gruesa del material de menor índice de refracción (Figura 12a). Con esta configuración se consiguen introducir estados fotónicos localizados o «picos resonantes» dentro de la banda prohibida con una alta transmisión (Figura 12b). La posición de este pico resonante depende del espesor de la lámina que divide los reflectores de Bragg, pudiéndose introducir, para espesores mucho mayores que los de las capas individuales, más de una cavidad resonante en el intervalo prohibido.56
19 Figura 12. a) Esquema de un resonador óptico formado por dos reflectores de Bragg separados por una película gruesa del material de menor índice de refracción. b) Espectros de reflectancia y transmitancia correspondientes a la estructura fotónica representada en a) donde se observa la cavidad resonante en el interior de la banda de reflexión.
Los cristales fotónicos se utilizan como elementos pasivos en la fabricación de dispositivos como filtros ópticos, recubrimientos antirreflectantes, reflectores de Bragg, guías de onda, etc.1 En la fabricación de estos dispositivos, la posibilidad de utilizar
películas delgadas ofrece una gran versatilidad en el ajuste de las propiedades ópticas de las estructuras. Por otro lado, la utilización de capas porosas para la construcción de estructuras fotónicas permite utilizar estas arquitecturas como elementos activos, los cuales se definen como aquellos en los que la estructura fotónica responde a las condiciones del medio al interaccionar con ella. Sus principales aplicaciones son las láminas luminiscentes, sensores ópticos y resonadores plasmónicos. En esta tesis se han desarrollado sensores fotónicos de base optofluídica formados por un apilamiento de capas porosas según una configuración de espejo o microcavidad de Bragg y donde los espesores e índices de refracción de las capas apiladas poseen valores definidos. En estas estructuras porosas los poros entre las nanocolumnas de las capas individuales tienen tamaños considerables lo que permite un acceso rápido a líquidos que pueden infiltrarse y llenar por completo el volumen de poros de la estructura. Este proceso constituye la base de la respuesta optofluídica del sensor fotónico al variar el índice de refracción neff de las capas individuales que se integran en la estructura fotónica. La
dependencia de la modificación óptica con las características del líquido que se infiltra en el cristal fotónico es el fundamento del uso de multicapas columnares para el desarrollo de sensores fotónicos. Entre otras aplicaciones, estos sensores se utilizan para el análisis de líquidos infiltrados, para la detección rápida de vapor de agua o la detección colorimétrica de la humedad.1
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