Descripción del equipo implementado para el crecimiento en película

híbridos metal-orgánicos con estructura perovskita

por evaporación física

La Figura 3-1 muestra un esquema del equipo diseñado e implementado para el crecimiento de películas delgadas de perovskita. Este incluye las siguientes unidades:

Figura 3-1: Esquema del equipo implementado para el crecimiento de películas delgadas de

perovskita por evaporación física.

a. Sistema de vacío, constituido por una bomba mecánica y una bomba turbo molecular, las que permiten alcanzar un vacío del orden de 510-5 mbar.

b. Sistema de evaporación de las sales precursoras que incluye tres crisoles, tipo celda Knudsen, colocados sobre una base cerámica que actúa como aislante térmico. Los crisoles son calentados usando un elemento calefactor tipo termocoax envuelto en espiral en cada crisol por el cual se hace pasar una corriente generada por una fuente de poder Gwintex, PSP405, 0 - 30 V, 0 - 5 A.

c. Porta-sustrato rotante calentado por radiación proveniente de una resistencia de grafito por la cual se hace fluir una corriente; la temperatura del sustrato es controlada electrónicamente con un regulador PID comercial.

d. Sistema de sensores constituidos por termocuplas tipo K y sensores de cuarzo usados para medir y controlar la temperatura de los crisoles y la tasa de deposición de los precursores.

e. Sistema electrónico con facilidades para realizar un control automático del proceso; este incluye funciones de adquisición, medida, procesamiento, control y visualización de datos, las que son ejecutadas desde el computador mediante un instrumento virtual (VI) desarrollado en LabVIEW. El hardware implementado es un módulo NI USB-6341 que se encarga de la comunicación con la PC a través del puerto USB, adquirir la señal de voltaje de dos termocuplas tipo K utilizadas como sensores de temperatura en cada una de las fuentes de evaporación de los precursores, y la señal de voltaje proporcionadas por los monitores de espesor que contienen un cristal de cuarzo como sensor.

La temperatura y la tasa de deposición se controlan mediante cuatro algoritmos PID-PWM implementados en el VI, dos algoritmos se usan para controlar la temperatura de los crisoles usados para evaporar los precursores (BX2 y AX), y los

otros dos algoritmos se usan para controlar la tasa de deposición del precursor. Hay un quinto algoritmo empleado para controlar la temperatura de un crisol adicional que puede contener otra sal precursora y formar compuestos de doble catión o doble anión.

Mediante la termocupla tipo K, se obtiene una señal proporcional a la temperatura del crisol, la señal es recibida y procesada en el VI donde sirve como entrada al algoritmo PID, el VI incluye una función llamada "autotunning" que permite obtener automáticamente los parámetros de control ( , y ) de cada algoritmo PID, la señal de control generada por el algoritmo PID antes de abandonar el instrumento virtual se transforma mediante el sistema PWM para activar o desactivar los relés, permitiendo o no el paso de la corriente, y así modificar la potencia suministrada por la fuente al actuador (resistencia de calefacción). Dos relés de estado sólido controlan la corriente suministrada por la fuente de alimentación Gwintex a la resistencia de calentamiento de cada crisol. El proceso se va repitiendo mediante la retroalimentación de los parámetros de control (ver Figura 3-2). Debido a que la fuente de poder DC dificulta la manipulación del voltaje a través del algoritmo PID, se requiere del algoritmo PWM que controla la potencia suministrada a los crisoles variando la frecuencia de un sistema encendido/apagado.

Figura 3-2: Esquema del sistema de control en lazo cerrado.

La interfaz de usuario se diseñó con ayuda del software LabVIEW que permite crear un panel con instrumentación virtual que facilita el monitoreo, la adquisición y el procesamiento de los datos, así como control de equipos y procesos.

En la Figura 3-3 se muestra la primera ventana del panel frontal del VI desarrollado, gracias a un indicador gráfico se puede visualizar en tiempo real las variables del sistema como son: temperatura de los crisoles, temperatura del sustrato, tasa de deposición, además muestra los parámetros que ajustan el algoritmo PID-PWM para controlar la temperatura, haciendo que alcance y se mantenga en el valor de referencia (setpoint) predeterminado por el usuario.

Además, en la pestaña se puede monitorear el estado del sistema de control ya que se muestra un gráfico de la variable de control generada por el algoritmo PID- PWM como una función del tiempo.

Figura 3-3: Primera ventana del interfaz de usuario del VI que controla el crecimiento de películas

delgadas por evaporación. Se muestra la rampa de temperatura al que está sometido el crisol que contiene yoduro de plomo.

La primera ventana corresponde al control de temperatura del precursor inorgánico BX2, que en todos los casos es yoduro de plomo (PbI2). La segunda

ventana posee las mismas características que la primera y corresponde al control de temperatura del precursor orgánico AX, que puede ser: yoduro de metilamonio, bromuro de metilamonio o yoduro de formamidinio. Teniendo en cuenta la evaporación secuencial, el VI permite detener el proceso de control en un crisol e iniciar el proceso para el otro.

Dado que la tasa de deposición muestra un comportamiento dependiente del valor de temperatura del crisol, no es posible controlar la temperatura a un valor fijo y la tasa simultáneamente, lo que implica crear una tercera ventana que muestre la información correspondiente al control de la tasa de deposición (Ver Figura 3-4). Dado que en evaporación secuencial, el mismo control se aplica sobre el precursor inorgánico y posteriormente sobre el orgánico, fue necesario implementar una sola ventana para el control por tasa de deposición. En co- evaporación no se puede controlar el proceso mediante la tasa de deposición, dado que la ubicación de los sensores de cuarzo dentro de la cámara, pero principalmente la forma en que evapora el componente orgánico, no permite diferenciar la tasa de deposición de cada precursor, en este caso, el control se hace sobre la temperatura de cada crisol.

Figura 3-4: Tercera pestaña del interfaz de usuario donde se muestra el control para la tasa de

evaporación. En evaporación secuencial, el mismo control aplica tanto para el precursor orgánico como inorgánico.

Finalmente, se incluye una última pestaña llamada “Gráficas del proceso” (ver Figura 3-5), que muestra los gráficos en tiempo real de las temperaturas de evaporación tanto del precursor orgánico BX2 como del inorgánico AX, y la tasa de

evaporación. Las gráficas se visualizan durante en todo el proceso independientemente de la rutina que se esté ejecutando.

Figura 3-5: Ventana del interfaz de usuario, donde se visualizan las gráficas del proceso.

El sistema usa las señales de temperatura de los crisoles y del sustrato que son generadas por termocuplas tipo K y que son registradas a través de un módulo FP-TC-120 conectado por el puerto serial RS-232 al módulo FP-1000 de National Instruments y las señales de tasa de deposición y espesores generadas por un monitor de espesores y que son registradas por una tarjeta de adquisición PCI Express/digital NI PCIe-6341.

Las señales son procesadas por un instrumento virtual (VI), desarrollado en LabView, en el que se incluye algoritmos de control PID y PWM.

Una vez implementado el sistema y puesto en funcionamiento, se determinó que la mejor forma obtener una tasa de deposición estable es siguiendo un procedimiento en dos etapas: Inicialmente se genera una rampa de temperatura controlada a través de un algoritmo PID y luego en una segunda etapa, cuando la temperatura de los crisoles se acercan a la temperatura de evaporación de los precursores se hace un control de la tasa de deposición usando la señal de voltaje proveniente del monitor de espesores como referencia, la cual se genera usando un cristal de cuarzo como sensor.