Materiales IB basados en puntos cuánticos (QD-IB)

Los portadores de un semiconductor pueden presentar efectos de confinamiento cuántico al ser forzados a permanecer localizados en pequeñas regiones del cristal mediante el uso de barreras de potencial. En general los portadores de un semiconductor pueden estar sometidos a barreras de potencial en una, dos o tres dimensiones espaciales (ver figura 2.2), dichos sistemas de confinamiento se conocen como barrera cuántica, QW (del inglés “Quantum Well”), línea o cable cuántico (del inglés “Quantum Wire”) y punto cuántico, QD (del inglés “Quantum Dot”) respectivamente [Bim99].

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El uso de puntos cuánticos como una de las posibilidades de implementación de materiales de banda intermedia fue propuesto por el Instituto de Energía Solar [Mar99, Mar00] con el propósito de desarrollar las IBSCs.

Un punto cuántico, como se comentó, se haya confinado en las tres direcciones espaciales, de esta manera, su densidad de estados presenta alta localización (fig. 2.2). En primera aproximación, se puede entender el sistema como una pequeña esfera (material punto o “dot material”) rodeada en su totalidad por otro semiconductor de “gap” mayor actuando como barrera de potencial (en inglés, “barrier material”). Los portadores confinados en esta pequeña esfera ocuparán un conjunto de niveles energéticos discretos que vendrán definidos por la naturaleza de los materiales involucrados y la geometría del sistema [Bim99, Sug99]. De esta manera, un punto cuántico es capaz de permitir uno o varios niveles en el interior del ancho de banda prohibido del material barrera o anfitrión. En principio, una superred tridimensional y ordenada de QDs podría generar una banda intermedia [Mar03] en todo el volumen mediante el solapamiento de las funciones de onda asociadas con los portadores confinados en cada punto (fig. 2.3). Para asegurar que la IB formada se halle semi-llena de electrones, debe introducirse un dopaje del orden de una impureza donora por punto.

27 El uso de puntos cuánticos frente a otras estructuras de baja dimensionalidad como los QWs, se consideró atendiendo a que solo para QDs se obtiene una densidad de estados nula entre los niveles introducidos por estos y la VB y/o CB [Mar03].

A consecuencia de esta densidad de estados nula, se previene la relajación de portadores desde la CB a los estados generados por los QDs, fenómeno conocido como “phonon-

bottleneck effect” [Sug99]. Este efecto podría garantizar la presencia de un nivel de Fermi

asociado a los portadores confinados en los QDs, una de las necesidades del modelo teórico. Otra de las razones por las que la aproximación mediante QDs se seleccionó frente a QWs se basa en reglas de selección de simetría que atribuyen como prohibidas (bajo iluminación perpendicular a la dirección de crecimiento) transiciones de la IB a la CB [Mar01,Har00, Shi97, Bim99, Loe93].

La implementación práctica de estas nano-estructuras cuánticas se puede realizar mediante técnicas de crecimiento convencionales como la Epitaxia por Haces Moleculares (MBE, del inglés “Molecular Beam Epitaxy”) o mediante Deposición Química de Metalorgánicos en Fase Vapor (MOCVD, del inglés “Metalorganic

Chemical Vapor Deposition”). En particular, las muestras que serán discutidas en esta

Tesis se realizaron mediante el denominado modo de crecimiento Stranski-Krastanow, SK [Bim99, Sug99], donde los QDs aparecen espontáneamente como consecuencia de las tensiones generadas por las diferentes constantes de red del material punto y barrera. En la implementación práctica de la IB mediante el método SK aparecen las primeras desviaciones frente al caso ideal presentado con anterioridad. En el modo de crecimiento SK los QDs reposan sobre una capa húmeda o “wetting layer”, WL, promotora de su crecimiento (Fig. 2.4). La presencia de la capa húmeda (que no es otra cosa que un QW) conlleva que la separación energética entre la IB y la CB se reduzca. Esto favorece la relajación de portadores desde la CB a la banda generada por los QDs, proceso que se aleja del comportamiento ideal esperado. Otros modos de crecimiento de QDs como el denominado Volmer-Weber [Bim99] donde los puntos son crecidos sin el soporte de la WL podrían ser considerados. Otra condición de no idealidad, frente al modelo teórico, consecuencia del modo de crecimiento SK es que los QDs tienen una geometría [Bim99] quasi-piramidal (condicionando sus niveles energéticos asociados) y que el ordenamiento de los puntos no es controlable (fig. 2.4 izq.) ocurriendo de forma espontánea [Shc99]. Un

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perfecto ordenamiento podría implementarse mediante técnicas de “nano-patterning” [Bim99, Hei03].

Pese a las desviaciones respecto del modelo ideal descritas anteriormente, es notorio mencionar que estos materiales IB han servido para demostrar algunos de los principios previstos por el modelo teórico. Como se comentó brevemente en la introducción realizada en el Capítulo I de esta Tesis, el análisis de estos materiales QD-IB embebidos en estructuras de célula solar (QD-IBSC, del inglés “Quantum Dot

Intermediate Band Solar Cells”) han probado la coexistencia de tres niveles de Fermi

[Luq04, Luq05, Luq06b] definiendo las poblaciones de portadores de la VB, IB y CB respectivamente. Recientemente, se probó la extracción selectiva de foto-corriente desde la banda intermedia mediante medidas de eficiencia cuántica [Mar06a]. Este último resultado presenta un hito si atendemos a que mediante la absorción de dos fotones de baja energía se produce un par electrón-hueco en el ancho de banda prohibido fundamental del material anfitrión

Fig. 2.4: Imágenes AFM (izq.) y TEM (der.) mostrando geometría y organización de QDs crecidos en el modo SK para una capa y superred respectivamente. En la imagen TEM se pueden apreciar las WLs sobre las que reposan los QDs. Las fotografías son cortesía de la

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