INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA
MECANICA Y ELECTRICA
“
SINTESIS Y CARACTERIZACION DE NANOCRISTALES DE
SILICIO PARA APLICACIONES EN CELDAS SOLARES
”
TESIS
PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA
PRESENTA
ANGEL SALINAS CALLEJAS
ASESOR: DR. ESTEBAN MOTA PINEDA
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA
y
ELECTRICA
• 1
UNIDAD PROFESIONAL" ADOLFO LOPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
QUE PARA \oBTENER EL TITULO DE TESIS Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL POR LA OPCION DE TITULACION
C. ANGEL SALINAS CALLEJAS
DEBERA(N),DESARROLLAR
"SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE NANOCRISTALES DE SILICIO PARA APLICACIONES EN CELDAS SOLARES"
ESTUDIAR LA OBSORBANCIA DE NANOCRISTALES DE SILICIO EN EL ESPECTRO VISIBLE Y DEL CERCANO INFRARROJO.
ｾ SINTETIZAR NANOCRISTALES DE SILICIO EMBEBIDOS EN Si02 EMPLEANDO UN EQUIPO DE
EROSIÓN CATÓDICA A RADIOFRECUENCIA. /o
ｾ CARACTERIZACIÓN POR MICROSCOPIA DE FUERZA ATÓMICA, ESPECTROSCOPIA UV-Vis y
FOTOLUMINISCENCIA. .
ｾ ANÁLISIS DE RESULTADOS.
MÉXICO D.F., 5 DE AGOSTO DE 2011.
AGRADECIMIENTOS
Por esta tesis, pero sobre todo, por estos años que compartimos:
A mis padres, por su entereza, motivación y apoyo a lo largo de este camino.
A mis hermanos y familia, por sus palabras de aliento y superación.
A mis amigos, los que han pasado y los que se han quedado.
Al Dr. Esteban Mota Pineda por haber aceptado dirigir esta tesis, por sus
OBJETIVO GENERAL
Realizar crecimientos, muestras de nanocristales de silicio y oxido de silicio combinados, para explorar la posibilidad de aumentar la eficiencia en celdas solares, la cual es una constante cuando se fabrican de manera comercial.
OBJETIVOS PARTICULARES
Utilizar obleas de silicio para la creación de celdas solares.
Sintetizar nanocristales luminiscentes de Si inmersos en una matriz de SiO2 mediante erosión catódica.
Mostrar que la rugosidad de una película de SiO2 puede ser aprovechada para la producción de nanoestructuras.
JUSTIFICACION
En años recientes, la síntesis de semiconductores nanoestructurados ha mostrado potenciales aplicaciones en casi todos los campos de la ciencia, desde aplicaciones médicas nuevas hasta soluciones a problemas ambientales. En el campo de la opto-electrónica, los nanocristales de silicio presentan la posibilidad de superar las limitaciones relacionadas a la emisión de luz y la respuesta a problemas energéticos que aquejan al ser humano o que en un futuro, al verse agotados los recursos naturales como el petróleo, se convierta en la solución para la satisfacción de necesidades.
En este trabajo se propone un enfoque novedoso para la síntesis de nanoestructuras, el cual toma ventaja de la rugosidad superficial de los materiales crecidos mediante erosión catódica, formando capas o films los cuales se emplearon para la fabricación de paneles solares.
El propósito de este trabajo es mostrar que la rugosidad de la superficie de una película de SiO2 puede ser aprovechada para la producción de nanoestructuras de Silicio.
ÍNDICE GENERAL.
CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN 7
1.1 Antecedentes 7
1.2 Nanociencia 8
1.3 Celdas solares y nanocristales 9
1.4 Opto-electrónica y nanocristales de Silicio 13
CAPITULO 2. NUCLEACIÓN DE CRISTALES 15
2.1 Introducción 15
2.2 Coeficiente de absorción y de acomodación sobre el substrato 17
2.3 Teoría atomística de nucleación 19
2.4 Crecimiento de cristales 21
CAPITULO 3. TECNICAS EXPERIMENTALES 23
3.1 Erosión catódica 23
3.1.1 Erosión catódica reactiva 23
3.2 Espectroscopia infrarrojo 25
3.3 Espectroscopia Raman 26
3.4 Microscopia de fuerza atómica 26
3.5 Espectroscopia UV – Visible 27
CAPITULO 4. CRECIMIENTO DE MUESTRAS 28
4.1 Descripción del proceso de crecimiento 28
4.2 Limpieza de sustratos 28
4.3 Procedimiento de crecimiento 29
CAPITULO 5. RESULTADOS Y DISCUSION 32
5.1 Síntesis de SiO2 32
5.2 Síntesis de Nanocristales de Silicio 35
CAPITULO 6. CONCLUSIONES 41
REFERENCIAS 43
CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES
El silicio tiene una estructura tipo diamante y una banda prohibida de 1.12 eV. El Silicio poroso (π-Si) fue sintetizado por primera vez hace más de 50 años en los laboratorios Bell. La síntesis se realiza atacando una oblea de silicio con ácido fluorhídrico. El ácido por cuenta propia corroe el cristal de forma muy lenta (a una tasa de sólo nanómetros por hora), pero pasando una corriente eléctrica entre el electrolito y la oblea se logra acelerar considerablemente el proceso. El resultado es una serie de poros de algunos nanómetros de ancho y varios micrómetros de profundidad que se extienden en forma perpendicular a la superficie.
En 1989 el científico Leight Canham concibió la idea de fabricar hilos cuánticos de silicio haciendo mucho más lento el ataque electroquímico, observando por primera vez fotoluminiscencia (PL) a temperatura ambiente en el rango visible en muestras de Silicio poroso. En 1991 Lehmann y Gosele observaron un corrimiento en el borde de absorción del Silicio poroso hasta valores tan altos como 1.76 eV, que también atribuyeron a la formación de hilos cuánticos. Estos experimentos, detonaron el interés por las propiedades físicas y químicas del Silicio poroso. Con el tiempo, fuertes señales de fotoluminiscencia se han observado en Silicio poroso en longitudes de onda que van del infrarrojo cercano hasta el azul.
A pesar de los importantes trabajos en Silicio poroso, aun son necesarias amplias mejoras en la eficiencia, la disipación de energía y un aumento de la intensidad para hacer posibles aplicaciones en pantallas e interconexiones ópticas.
Algunos cálculos han mostrado que la PL en nanocristales puede ser debida a excitones atrapados en la superficie pasivada por óxido de silicio, mientras que la absorción óptica es una característica de los efectos de confinamiento. Para nanocristales pasivados con oxígeno, un estado electrónico de superficie estabilizado se postula para formar un enlace covalente Si=O y tres diferentes mecanismos de recombinación se invocan en función del tamaño de cristal. Para los tamaños más grandes, la recombinación se produce vía excitones libres, puesto que la banda prohibida no es lo suficientemente grande como para estabilizar el estado de superficie. Para tamaños intermedios la recombinación implica un electrón atrapado localizado en el átomo de silicio del enlace Si=O y un hueco libre. Finalmente para los tamaños más pequeños, la recombinación es a través de electrones atrapados en el enlace Si=O.
Los nanocristales de silicio embebidos en una matriz forman un atractivo sistema para la fabricación de dispositivo en comparación con el π-Si, debido además a la estabilidad de la superficie y la rigidez del material. Un novedoso efecto de confinamiento cuántico puede entonces ser generado mediante la búsqueda de estados electrónicos resonantes. Algunas barreras adecuadas para nanocristales de silicio son el SiO2, CaF2 (fluoruro de calcio) y el Al2O3 (oxido de aluminio). El SiO2 tiene la ventaja adicional de ser un excelente pasivador del silicio.
1.2 NANOCIENCIA
El origen de la nanociencia se remonta al 29 de diciembre de 1959, fecha en que Richard Feynman impartió una conferencia ante la Sociedad Americana de Física
titulada “There is plenty of room at the bottom” (Hay mucho sitio en el fondo). En
En la actualidad, el desarrollo alcanzado por la ciencia de materiales permite hacer tangibles algunas de las premisas mencionadas. Ejemplo de ello son los dispositivos de almacenamiento de información capaces de contener gran cantidad de datos en pequeñas películas magnéticas; los materiales reforzados con nanopartículas influyen ya de forma importante en la Industria Automotriz y Aeronáutica; la fabricación de pozos, alambres y puntos cuánticos, así como los dispositivos producidos a partir de estos objetos, están revolucionando la Electrónica y las Comunicaciones; la obtención sistemas de liberación controlada de medicamentos da lugar a nuevas concepciones en las ciencias de la vida y la confección de membranas selectivas para eliminar contaminantes permitirá realizar una contribución favorable al cuidado del medio ambiente.
1.3 CELDAS SOLARES Y NANOCRISTALES
La demanda de energía alrededor del mundo es actualmente del orden de 13 TW. Factores tales como el crecimiento de la población y la expansión económica hacen prever que este consumo se incrementará hasta 45 TW hacia el año 2050. En una hora el Sol libera la misma cantidad de energía que se consume en la tierra durante un año y en 36 horas libera tanta energía como la estimada en las reservas internacionales de petróleo. Cuando se combina esto con el hecho de que la energía solar es esencialmente inagotable, disponible a cada ser alrededor del mundo y que no genera ningún agente contaminante, parece difícil imaginar el porqué no se hace uso de ella. La razón principal es el costo. La evolución de las celdas solares ha reducido el costo de la electricidad fotovoltaica tan solo en 20% durante los últimos 30 años. La electricidad fotovoltaica tiene un costo de
0.30 dólares por kilowatt - hora (kW-h).
Las celdas solares comerciales han permanecido esencialmente sin cambios desde que fueron inventadas en los años cincuenta. El esquema básico de una celda fotovoltaica consiste en una mitad de una oblea de silicio dopada tipo p (para crear un exceso de huecos) mientras que la otra parte es dopada tipo n (para contener un exceso de electrones). En esta configuración se forma un potencial electrostático que mantiene a los portadores de carga separados por la unión de las dos regiones. Cuando un fotón con suficiente energía impacta en la celda, los electrones son excitados desde la banda de valencia hasta la banda de conducción creando pares electrón-hueco. Los pares así formados son separados por el campo eléctrico de la unión p-n (de manera que los huecos pasan a la región tipo p y los electrones a la región tipo n) produciéndose una corriente.
La calidad de una celda solar se mide por su eficiencia (la razón entre la energía eléctrica generada y la energía de la luz incidente en la celda).
En 1961 William Shockley (quien compartió el Premio Nobel de Física en 1956 por la invención del transistor) y Hans Queisser calcularon que el tipo de celda solar más simple puede alcanzar una eficiencia máxima de 31%. El termino simple refiere a una celda que consiste de una sola unión p-n, que genera solamente un par electrón-hueco por fotón entrante, que es expuesta a luz solar no concentrada y que pierde en forma de calor cualquier energía del fotón que exceda el ancho de banda prohibida.
La mayoría de fotovoltaicos disponibles en el mercado actual son llamados celdas de primera generación, las cuales son fabricadas empleando cristales simples de silicio. Son las más eficientes (que es menos eficiente que las obtenidas en el laboratorio) pero con costos de producción altos, debido a los procesos de purificación y cristalización necesarios en la síntesis de obleas de silicio.
seleniuro de cobre-indio y el teluro de cadmio. Pero mientras son más económicas sufren de defectos estructurales que las hacen menos eficientes.
Estas limitaciones han motivado que la investigación de fotovoltaicos se centre en la búsqueda de una nueva generación de celdas que tengan alta eficiencia y sean tan económicas como los dispositivos de película delgada.
La opción más simple para aumentar la eficiencia consiste en concentrar la luz solar sobre la celda usando espejos o lentes. Este efecto por sí mismo no aumenta la eficiencia de la celda, pero debido a que el voltaje de salida crece con la corriente y esta con el número de pares electrón-hueco, la potencia total del sistema se incrementa de manera exponencial. Una óptica relativamente económica puede concentrar la luz en un área mucho más pequeña, disminuyendo el área de la celda necesaria y por consiguiente el costo. Ya que la celda por sí misma constituye una fracción baja de los costos del sistema, tiene sentido usar una celdas más costosa pero de mayor efectividad.
Si los aspectos restantes del modulo fotovoltaico se mantienen sin cambios, enfocar la luz del sol puede aumentar la eficiencia de un módulo fotovoltaico hasta 41%. Otra opción sugerida para incrementar la eficiencia de las celdas es apilar múltiples uniones p-n con diferentes anchos de banda prohibida. Este arreglo permite al dispositivo generar corriente empleando un rango más amplio del espectro solar. Usadas ya para alimentar las naves espaciales (donde el costo no es problema), las celdas de múltiple ensamble (multiunión) tienen un límite teórico de eficiencia de 43% si se construyen con dos uniones, del 49% si tienen tres y 66% con un número infinito de uniones.
nanopartículas en lugar del semiconductor en bulto. En particular, se ha mostrado la generación de hasta siete pares electrón-hueco por cada fotón entrante iluminando cristales simples de seleniuro de plomo de 5nm. Este proceso podría conducir a celdas solares con una eficiencia de 40%.
Los nanocristales pueden ser empleados también para hacer celdas “transportadoras de calor” en las que la energía extra del fotón no se pierda térmicamente, sino que incremente la energía de los electrones y por consiguiente aumente el voltaje de salida. Se ha mostrado que es posible manipular el material de manera que la intensidad de interacción entre puntos y la matriz en que están embebidos reduzca la cantidad de calor que se pierde debido a la vibración atómica. Con esta tecnología las celdas podrían alcanzar una eficiencia de 30%.
Una ventaja adicional en el empleo de nanocristales es la posibilidad de sintonizar la energía de banda prohibida del material. Esto significa que la longitud de onda de la radiación absorbida por la celda puede ser ajustada. Cuanto más pequeño es el tamaño de una nanopartícula mayor es su banda prohibida (los fotones más enérgicos pueden ser empleados) y el voltaje de salida es mayor.
Por otra parte, una banda prohibida menor (nanopartículas más grandes) resultara en la captura de más fotones (incluidos aquellos ubicados en la parte infrarroja del espectro) resultando en una más alta corriente (con un voltaje menor). Por tanto el empleo de nanopartículas permite la conversión de energía solar con el voltaje más alto posible recogiendo a demás la proporción máxima de luz incidente. En este sentido, las celdas fotovoltaicas de captura en el infrarrojo han atraído mucho la atención debido a que la mitad de la intensidad de la luz del sol (aproximadamente 1000 W/m2) se encuentra en el infrarrojo.
0.01W. Por otra parte, un termovoltaico de igual tamaño puede generar teóricamente 1W. Una ventaja adicional en el empleo de nanopartículas es que los módulos fotovoltaicos pueden ser moldeados (en contraste con las celdas tradicionales rígidas). Entonces las nanopartículas pueden combinarse con polímeros orgánicos, tintes o películas porosas y de esta manera ser transformadas en celdas flexibles.
1.4 OPTO-ELECTRÓNICA Y NANOCRISTALES DE SILICIO
El silicio es el semiconductor dominante de la industria electrónica. A pesar del frecuente anuncio de que “la era del GaAs ha llegado” esto nunca ha sucedido y el continuo desarrollo en silicio sigue empujando las fronteras de micro-miniaturización, complejidad y velocidad. Hoy en día es posible crecer y procesar monocristales de 300 mm de diámetro e incluso obleas de mayor dimensión están bajo desarrollo. El ancho de banda prohibida del silicio (1.12 eV) es ideal para operar a temperatura ambiente y su oxido nativo (SiO2) permite la flexibilidad de procesamiento que da lugar a mas de 108 transistores por centímetro cuadrado. Tal nivel de integración (en el rango de nanómetros) ha permitido que un sistema electrónico completo sea impreso en un solo chip. Sin embargo, el hecho de que cada transistor tenga que transferir información en escalas de longitudes muy largas comparadas a su escala nanométrica comienza a provocar algunos inconvenientes. Longitudes de interconexión tan grandes como 15 km en un solo chip son comunes en la actualidad y se espera que en 10 años esta longitud sea del orden de 100 km. Este grado de interconexión causa pérdidas significativas por propagación y sobrecalentamiento (además del obvio retraso en el procesamiento). Superar este problema es la principal motivación y oportunidad de la opto-electrónica basada en silicio.
además de inmunidad al cruce de señales. Pese a estas importantes ventajas el desarrollo opto – electrónico en silicio ha experimentado un lento progreso en el que el obstáculo principal es la falta de una fuente de luz eficiente basada en silicio. La emisión de luz en semiconductores ocurre cuando un electrón y un hueco se recombinan produciendo un fotón.
CAPITULO 2. NUCLEACIÓN DE CRISTALES
2.1 INTRODUCCIÓN
La síntesis de materiales es relevante desde diversos puntos de vista. Es importante en aplicaciones industriales como cubiertas ópticas, protección contra la corrosión o tecnología electrónica. Por otro lado, es importante desde el punto de vista científico por sí misma, pues permite explorar las propiedades físicas de sistemas confinados, los procesos de nucleación y crecimiento que envuelven la absorción de átomos o moléculas, la formación de enlaces químicos y otros procesos en la superficie. El propósito de este capítulo es describir los mecanismos físicos envueltos en la nucleación y crecimiento de materiales.
Generalmente es aceptado que existen tres modos de crecimiento.
En el modo de islas (o método de Volmer-Weber), pequeños cúmulos de material nuclean directamente en la superficie del substrato y entonces crecen en islas a partir de la fase condensada.
El crecimiento por capas (o modo Frank-van der Merwe) despliega las características opuestas. Debido a que los átomos están más fuertemente ligados al substrato que entre ellos mismos, los primeros átomos en condensarse forman una monocapa completa en la superficie. Este modo de crecimiento es observado en el caso de sistemas metal-metal y en el crecimiento de materiales semiconductores sobre semiconductores.
El modo de crecimiento de capas más islas (o método de Stranski-Krastanov) es un interesante caso intermedio. Después de formarse unas primeras pocas monocapas, el crecimiento subsecuente no es favorable por lo que islas son formadas encima de esta “capa intermedia”.
2.2 COEFICIENTES DE ABSORCIÓN Y ACOMODACIÓN SOBRE EL SUBSTRATO
Si un sustrato es expuesto a una fase gaseosa supersaturada en una cámara de volumen fijo, puede mostrarse experimentalmente que la presión del gas cae mientras que el peso del sustrato se incrementa. Esto se debe a que un proceso de nucleación ocurre sobre el sustrato. La absorción se debe a una fuerza atractiva entre el sólido y el gas, la cual puede ser descrita definiendo una energía de absorción. Las fuerzas presentes en esta absorción no son diferentes en tipo de aquellas envueltas en cualquier otra interacción entre átomos y moléculas. En general podemos hablar de dos tipos de absorción: física y química. La absorción física refiere al caso donde no existe transferencia de electrones entre el gas y el substrato, de manera que las fuerzas atractivas son electrostáticas. Por otra parte, la absorción química refiere al caso donde existe trasferencia de electrones entre el gas y el sustrato, es decir existe una combinación química. En general, la energía de absorción física suelen ser más pequeñas que la química.
En la mayoría de los casos prácticos la energía de difusión en la superficie, Ed, es
pequeña y el crecimiento del núcleo es dominado por la energía de difusión superficial. Cuando el flujo de átomos de la fase gaseosa arriba al sustrato, estos pueden re-evaporarse inmediatamente o intercambiar energía con la superficie hasta alcanzar el equilibrio. Para un átomo con una energía térmica mayor que el sustrato, podemos definir un coeficiente de acomodación, α, dado por:
s i e i T T T T
(ec. 3.7)donde Ti es la temperatura de los átomos incidentes, Te es la temperatura de los
átomos que se re-evaporan del sustrato y Ts es la temperatura del sustrato.
Puede observarse claramente que cuando Te = Ts, el coeficiente de acomodación
es igual a la unidad. Entonces el coeficiente α surge como un parámetro que mide la proporción de los átomos que arriban que alcanzan el equilibrio térmico con el substrato. Este proceso de equilibrio sucede cuando un átomo que arriba pierde demasiada energía al golpear el substrato de manera que ya no puede re-evaporarse. El átomo se encuentra entonces ligado al sustrato, pero en un nivel vibracional muy alto; en este caso la distancia promedio átomo-substrato puede ser más grande que la distancia de equilibrio. El átomo entonces hace transiciones a niveles energéticos inferiores disipando su energía en colisiones con irregularidades de la superficie.
Si asumimos que el coeficiente de acomodación es la unidad todos los átomos que arriba se acomodaran sobre el sustrato. Esto no significa, sin embargo, que ellos permanezcan allí indefinidamente, pues aun tienen una probabilidad finita, relacionada con la temperatura del sustrato, de adquirir suficiente energía para superar las fuerzas atractivas y dejar el sustrato. Si la condensación no ocurre, todos los átomos eventualmente se re-evaporaran.
2.3 TEORÍA ATOMISTICA DE NUCLEACIÓN
Para describir el proceso de nucleación sobre el sustrato consideraremos la fase cubica (100) de un cristal de Kossel, conteniendo un escalón monoatómico (figura 2.3). Un escalón puede ser definido como el límite entre una región de la superficie y otra región adyacente a la primera cuya altura difiere por un espacio interplanar. Los átomos pueden ocupar los siguientes sitios en esta superficie:
i) embebido en la cara del cristal (sitio 1), ii) localizado sobre el escalón (sitio 2),
iii) localizado en una esquina (sitio 3), iv) absorbido en un escalón (sitio 4)
o v) localizado sobre la superficie del cristal (sitio 5). Dependiendo de la posición que el átomo ocupe, estará enlazado de manera diferente al cristal. Un átomo localizado sobre la superficie (sitio 5) se encuentra ligado solamente por un enlace al cristal y tiene cinco enlaces sueltos.
Por el contrario, un átomo embebido (sitio 1) tiene 5 de sus enlaces saturados y uno insaturado. Una consecuencia de esta idea es que un cambio en la configuración del átomo conlleva a un cabio en el número de enlaces sueltos o en otras palabras a un cambio en la energía libre. La única excepción es el átomo anclado a la posición 3, el cual tiene un igual número de enlaces saturados e insaturados.
se encuentra mitad ligado a una línea de átomos, mitad ligado a un plano de átomos y mitad ligado a un átomo individual. Esta es la razón por la que esta posición es llamada posición de cristal medio. Por repetidas uniones o separaciones de átomos hacia o desde esta posición, el cristal completo puede ser construido totalmente o desintegrado en átomos individuales.
Figura 2.3
Representación de los sitios que puede ocupar un átomo en una superficie cristalina. 1.- Embebido en la cara del cristal, 2.- localizado sobre el escalón, 3.- localizado en una esquina, 4.- absorbido en un escalón y 5.- localizado sobre la
superficie del cristal.
2.4 CRECIMIENTO DE CRISTALES
Podemos decir que un átomo o molécula llegan a ser parte del cristal cuando su potencial químico es igual al potencial químico del cristal. En el cero absoluto esto es igual al trabajo necesario para separar un bloque de la posición de cristal medio tomado con signo negativo. En otras palabras, solo cuando un átomo se encuentra atado a una posición de cristal medio o mas fuerte (Posiciones 1 y 2 en la figura 2.5) se le considera parte del cristal. En cualquier otra posición se encuentra ligado a la superficie mas débilmente que los átomos en posición de cristal medio, con lo cual su presión de vapor de equilibrio y por tanto su potencial químico va a diferir de aquel del cristal en bulto. En este sentido la absorción de átomos en la superficie del cristal o a lo largo de los escalones no puede ser considerada como crecimiento cristalino. Todo esto es válido cuando el sustrato está en contacto con una fase ambiental supersaturada, es decir cuando el potencial químico de este último es más grande que el del cristal.
Las superficies cristalinas pueden ser clasificadas de acuerdo a su capacidad de crecer en paquetes cerrados, paquetes no cerrados o superficies escalonadas. Los tres grupos de superficies son: superficies planas (F), escalonadas (S) y de cristal medio (K) dependiendo si ellas son paralelas a al menos dos líneas densas de átomos, una línea de átomos o si no son paralelas a la mayoría de líneas densas de átomos, respectivamente. Un ejemplo de cara F es la (100) del cristal de Kossel. Ejemplos típicos de las caras S y K son la (110) y la (111) del cristal de Kossel.
Entonces el número de enlaces no saturados alcanza su más alto valor cuando la cara cristalina interseca todas las líneas de átomos y entonces tal cara ofrece más sitios de crecimiento que las caras S y F.
Figura 2.4 Representación esquemática de las superficies F (planas), S (escalonadas) y de cristal medio (K) en un cristal de Kossel.
Puesto que las caras K ofrecen sitios de nucleación más fuertes y de mayor densidad crecerán más rápido. Las caras S también ofrecen sitios de cristal medio pero en menor cantidad que las caras K. Finalmente, las caras F de cristales perfectos no ofrecen sitios de nucleación.
CAPITULO 3. TECNICAS Y DETALLES EXPERIMENTALES
3.1 EROSIÓN CATÓDICA
El proceso de erosión catódica (Sputtering) consiste en la extracción de átomos de un material debido al intercambio de momento con iones que lo bombardean. Es una técnica ampliamente utilizada en síntesis de semiconductores, fotovoltaicos. Su popularidad radica en la versatilidad y flexibilidad que posee para ajustar las condiciones experimentales a crecimientos particulares. Materiales de alto punto de fusión como cerámicos o metales refractarios que son difíciles de crecer por técnicas de evaporación son fácilmente depositados al emplear erosión catódica.
La erosión catódica puede realizarse en atmósferas gaseosas con presiones del orden de mTorr. Esto permite la incorporación (intencional) de gases reactivos en la atmosfera de crecimiento (erosión catódica reactiva) para estudiar los efectos sobre la estequiometria, la estructura y otras propiedades de la película depositada. Una desventaja de esta técnica es la baja utilización del blanco. Por ejemplo, la alta tasa de depósito alcanzada por los sistemas con magnetrones se ve reducida por el factor de que la región donde el plasma se concentra tiene un área limitada de la superficie total del blanco. En un sistema convencional con magnetrón se espera erosionar solamente 25-30% del material total del blanco.
3.1.1 EROSIÓN CATÓDICA REACTIVA
Por ejemplo, la pérdida de nitrógeno durante el erosionado de un blanco de Si3N4 tiene que ser compensada por la suma de N2 al plasma.
Aunque alguna reacción puede ocurrir entre las especies del material erosionado y el gas reactivo al interior del plasma, esto sólo es posible a altas presiones. A presiones normales (3-30 mTorr) la reacción química ocurre cerca de las superficies del blanco o el sustrato. A bajas presiones parciales del gas reactivo y altas tasas de erosión todas las interacciones químicas entre el flujo erosionado y el gas reactivo ocurren en el sustrato. La formación del compuesto es más lenta en el sustrato que la proporción de material erosionado del blanco. A esto se le llama el “modo metálico”. A presiones parciales superiores ocurre una transición del modo metálico al modo no-metálico; en el punto dónde la tasa de formación del compuesto en el blanco excede la tasa de erosión.
3.2. ESPECTROSCOPIA INFRARROJO.
El análisis de espectros relaciona la cantidad de energía que un material puede reflejar, refractar, absorber, difractar o dispersar. La cantidad que mide el detector es la intensidad del haz no absorbido al pasar por la muestra y la cantidad que se estudia es la razón entre la intensidad medida por el detector respecto la intensidad incidente. Esta cantidad se denomina transmitancia.
La espectroscopia infrarrojo mide la absorción de luz de ciertas longitudes de onda por un material y relaciona esta energía con los niveles energéticos implicados en transiciones cuánticas. La finalidad es determinar los grupos funcionales que contiene el material.
3.3 ESPECTROSCOPIA RAMAN
La espectroscopia Raman es el análisis de la luz dispersada por una muestra en colisiones inelásticas. Al irradiar un material con luz monocromática, el haz dispersado tiene componentes con un corrimiento de frecuencia característico, este efecto se debe a la creación o aniquilación de excitaciones elementales en la muestra (fonones).
Se basa en la examinación de la luz dispersada por un material al incidir sobre este un haz de luz, registrando cómo sus enlaces covalentes vibrantes de forma única dispersan la luz incidente a frecuencias diferentes. El uso de la espectroscopia Raman se debe a su habilidad para identificar materiales, para estudiar su composición química, perfección cristalina, cantidad de dopantes y campos eléctricos en las superficies así como intercapas.
La ventaja clave de la espectroscopia Raman es su capacidad de penetrar diversos contenedores de vidrio y plástico así que no es necesario manejar la sustancia directamente.
3.4 MICROSCOPIA DE FUERZA ATOMICA
Su funcionamiento se basa en la detección de las minúsculas fuerzas atómicas o moleculares de interacción entre una punta y la superficie del material a estudiar. Se trata de una aguja minúscula (apenas 5 nanómetros) que va recorriendo a cierta distancia la superficie de un material y midiendo la fuerza de los átomos del material.
3.5 ESPECTROSCOPIA UV – VISIBLE.
La región del espectro electromagnético que corresponde a las transiciones que involucran a electrones de la capa de valencia se extiende por longitudes de onda de 100 a 1000nm (regiones ultravioleta-visible e infrarroja cercana). No toda esta zona es de igual utilidad para la explicación de estructuras orgánicas.
La región por debajo de 200nm, conocida como Ultravioleta lejano, presenta características que hacen complicada su utilización:
1. –En esta zona absorben las moléculas componentes del aire, lo que hace imprescindible trabajar con equipos evacuados (de aquí el nombre alternativo de la región: Ultravioleta de vacío).
2. - Los materiales usuales para la construcción de componentes ópticos (celdas, lentes, elementos dispersivos), el cuarzo y el vidrio, absorben fuertemente en esta zona.
La región entre 200 y 400nm, llamada Ultravioleta cercana, es de gran utilidad en la determinación estructural de insaturación conjugada, aromaticidad o de ciertos grupos insaturados con pares electrónicos libres (carbonilo, nitro, etc.), sin presentar los serios inconvenientes del Ultravioleta de vacío. Se requieren materiales ópticos de cuarzo si se quiere acceder a la zona de longitudes de onda inferiores a 350nm, mientras que el vidrio es utilizable en el resto de la región Ultravioleta cercana y toda la región visible.
CAPITULO 4. CRECIMIENTO DE MUESTRAS
4.1 DESCRIPCÍON DEL PROCESO DE CRECIMIENTO
Las muestras estudiadas fueron sintetizadas empleando la técnica de erosión catódica reactiva a radiofrecuencia con magnetrones. El blanco erosionado consistió en una pastilla comercial de dos pulgadas de Si policristalino con una pureza de 99.999%. Las muestras se prepararon bajo un flujo continuo en la atmosfera de crecimiento, manteniendo la presión constante al interior de la cámara con auxilio de una bomba turbomolecular. Los gases empleados fueron Ar (99.99%) para la formación del plasma y O2 (99.99%) como gas reactivo. Los sustratos empleados fueron vidrio portaobjetos comercial y monocristales de silicio La temperatura de los sustratos fue de 400 °C. La distancia blanco- sustrato fue de aproximadamente 5 cm. La presión base alcanzada por el sistema fue del orden de 10-6 Torr. La presión en la cámara durante el crecimiento de las muestras fue de 15mTorr.
4.2 LIMPIEZA DE SUSTRATOS
Antes de realizar la síntesis, se realizó una limpieza sistemática de los sustratos a ser empleados con el fin de eliminar contaminantes orgánicos u óxidos nativos de la superficie.
nuevamente en una solución acuosa al 10% de ácido fluorhídrico (HF) durante 2 minutos. El secado de los sustratos se realizó con flujo de argón a presión. Debe mencionarse que el último paso en la limpieza se realizó justo antes de introducir el sustrato en la cámara de crecimiento para evitar al máximo la contaminación del medio ambiente.
La limpieza de sustratos de vidrio comprendió los siguientes pasos: i) limpieza con detergente extran, esponja y agua destilada; ii) limpieza con agua destilada en vibración ultrasónica, 5 min (2 veces); iii) limpieza con etileno en vibración ultrasónica, 10 min (2 veces); iv) limpieza con acetona en vibración ultrasónica, 10 min (2 veces); y v) limpieza con isopropanol en vibración ultrasónica, 10 min (2 veces). El secado de sustratos se realizó en el horno eléctrico.
4.3 PROCEDIMIENTO DE CRECIMIENTO
El procedimiento de crecimiento de las heteroestructuras es detallado a continuación: Sustratos limpios de silicio y vidrio de una pulgada cuadrada se introducen en la cámara de crecimiento, centrándolos frente al cañón a una distancia aproximada de 5 centímetros. Se posiciona el obturador entre los cañones y el porta-sustratos. Una vez cerrada la cámara se procede a hacer el vacio con el empleo de una bomba mecánica seguida de una bomba turbomolecular (el vacio base en el equipo es del orden de 10-6 Torr). Una vez alcanzado el vació base, la temperatura del porta-sustratos se lleva a 400 °C. Una vez alcanzados los 400 °C, las condiciones del equipo se mantienen fijas durante 60 minutos para permitir que el sistema alcance el equilibrio térmico.
la proporción O2/Ar requerida, manteniendo la presión total del sistema constante (15mTorr). Una vez que la presión en el sistema se estabiliza, se quita el obturador y se contabiliza el tiempo de crecimiento de la película.
Para crecer la intercapa de Silicio se sigue el siguiente procedimiento. Se coloca el obturador cuando el crecimiento de la primera capa ha finalizado. Se apaga la fuente de radiofrecuencia. Se cierran las llaves de los gases. Se lleva el sistema cerca de la presión base. Se permite entonces la entrada gradual de Ar a la cámara hasta alcanzar nuevamente 15mTorr. Entonces el plasma es encendido nuevamente. Una vez que la presión en la cámara se estabiliza se abre el obturador y se mide el tiempo de crecimiento.
Para crecer la segunda capa de óxido, se repite el procedimiento empleado para crecer la primera capa. Una vez terminado el crecimiento, la cámara se mantiene con la presión base hasta que la temperatura ambiente es alcanzada.
4.4 EQUIPOS UTILIZADOS.
A continuación se presenta la lista de los equipos utilizados para adquirir los diversos datos presentados en este trabajo.
La espectroscopia UV-Vis se realizo en un equipo Perkin Elmer modelo Lambda 25. En este equipo el rango de longitud de onda va de 190 a 1100nm. El ancho de banda espectral es de 0.5nm. Utiliza como monocromador una red de difracción holográfica cóncava. Las fuentes de luz utilizadas son una lámpara de deuterio y una lámpara halógena de tungsteno de baja emisión de ozono, pre alineadas y con cambio automático.
La espectroscopia de infrarrojo se realizo en un equipo comercial tipo FTIR Marca Nicolet modelo 750. En este equipo el intervalo de barrido va de 400 a 4000 cm-1. El ancho de banda espectral es de 1.929 cm-1.
Para realizar la espectroscopia Raman se utilizo un equipo micro-Raman Horiba Jobin Yvon, LabRAM de alta resolución con un láser de excitación de 632.8nm. El ancho de banda espectral es de 1 cm-1.
Para obtener las micrografías en el microscopio electrónico de barrido se utilizo un SEM marca JEOL modelo JSM-6300.
Para obtener las imágenes de AFM el microscopio utilizado fue un Autoprobe CP Research en modo de contacto. La punta utilizada en el barrido fue de silicio con 10nm de radio de curvatura y velocidad de barrido de 1Hz. La fuerza de contacto fue de 13 nanoNewtons.
Los difractógramas de rayos X se obtuvieron en un equipo marca Siemens modelo D-5000. La fuente de radiación en este equipo es de Cu kα (λ=0.15418nm)
CAPITULO 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
5.1 SINTESIS DE SiO2
[image:33.612.179.435.363.623.2]La figura 5.1 presenta el conjunto de imágenes de microscopia de fuerza atómica (AFM) de las películas de SiO2 sintetizadas para actuar como centro de nucleación de nanocristales (NCs). Estas micrografías muestran que la textura rugosa de la superficie disminuye con el incremento de la presión parcial de oxigeno (OPP) en el sistema. Como se mostrara en las páginas siguientes, estos cambios de topografía influyen fuertemente en las propiedades de películas de materiales semiconductores depositados sobre el óxido y la textura superficial puede emplearse efectivamente como molde para la producción de NCs de Silicio.
Figura 5.1. AFM de muestras de SiO2.
Los espectros de IR de las muestras de SiO2 no revelan diferencias significativas entre ellos; una curva representativa es presentada en la figura 5.1.2. Las bandas de absorción en 1080, 812 y 458 cm-1 se encuentran asociadas a los modos normales de estiramiento asimétrico, flexión y balance del átomo de oxigeno en los grupos Si-O-Si respectivamente. Debido a la fuerte electronegatividad del oxigeno, la frecuencia del modo de estiramiento asimétrico es una función decreciente del contenido de oxigeno x en el SiOx.
En el caso de películas de silicio amorfo dopado con oxigeno y de SiO2 estas frecuencias se localizan en 940 y 1080 cm-1 respectivamente.
[image:34.612.189.426.397.624.2]Los resultados obtenidos de la caracterización por espectroscopia de infrarrojo (IR) muestran que las películas de óxido sintetizadas tienen la estequiometria correcta (es decir SiO2) independientemente de la OPP empleada.
La presencia de cúmulos de silicio al interior de las muestras puede ser investigada empleando espectroscopia Raman. Un espectro representativo de las muestras de SiO2 se compara en la figura 5.1.3 con la señal obtenida de una película de silicio amorfo. El intenso pico en 520.5 cm-1 corresponde al modo transversal óptico (TO) de fonones en el Silicio. Sin embargo, esta banda aparece en nuestras muestras debido a la poca absorbancia del SiO2 al laser de excitación; que le permite al haz de prueba alcanzar el substrato de silicio monocristalino empleado.
[image:35.612.186.427.442.650.2]Los espectros Raman de SiO2 depositado sobre vidrio no muestran este pico, indicando la ausencia de cristales de silicio embebidos en el oxido. En el caso del silicio amorfo, el desorden induce cambios en la densidad de estados vibracionales, y el espectro Raman se caracteriza por dos bandas centradas alrededor de 150 y 480 cm-1, que corresponden a los modos normales transversal acústico (TA) y transversal óptico (TO) respectivamente. Puede observarse además en la figura 5.1.3 que el espectro del SiO2 es cualitativamente idéntico con el del substrato; lo cual demuestra la ausencia de silicio amorfo al interior del oxido.
Los resultados obtenidos de la caracterización por difracción de rayos X (DRX) muestran que los óxidos de referencia tienen una estructura cristalográfica amorfa independientemente de la OPP empleada.
5.2 SINTESIS DE NANOCRISTALES DE SILICIO
La figura 5.2 presenta imágenes de microscopia de fuerza atómica 1μm x 1 μm de las muestras SiO2/Si; es decir heterocapas en las que la segunda película de SiO2 no fue sintetizada. La topografía de la película de SiO2 empleada como molde manométrico es mostrada como referencia (figura 5.2(a)). El SiO2 es caracterizado por la presencia de columnas con diámetro alrededor de 350nm. Estas columnas presentan bordes bien definidos que, en sus intersecciones promueven la formación de depresiones superficiales. Una característica relevante del crecimiento es que el depósito de una capa de silicio durante 60s no forma una película continua, si no que promueve la aparición de nano-aglomerados aislados de Si cercanos a los bordes de las columnas de SiO2 (figura 5.2b).
Figura 5.2. Microscopia de fuerza atómica 1μm x 1μm de las muestras SiO2/Si.
Una imagen de microscopia electrónica de transmisión (TEM) en sección transversal de la muestra en que la capa de Si fue depositada durante 600s se presenta en la figura 5.2.1(a). Las micrografía muestra claramente la heteroestructura SiO2/Si/SiO2 de la muestras. Las capas de SiO2 y de Si aparecen como franjas claras y obscuras respectivamente debido al contraste causado por la diferencia de densidades (5×1022 átomos cm-3 para el silicio y 2.2×1022 átomos cm-3 para el SiO2). La figura muestra la presencia de una capa uniforme de Si de 60nm embebida entre dos capas de 130nm de espesor.
El QC se refiere al confinamiento de portadores de carga en cúmulos de silicio embebidos en la matriz de SiO2. El modo de alta resolución (HR) del TEM presentado en la figura 5.2.1 (b) permite apreciar claramente la primera interface SiO2/Si en las muestras; en donde la zona clara corresponde a la capa de SiO2. Observe que a pesar de que la capa depositada de Si es mayoritariamente amorfa, esta contiene NCs de Si nucleando en las depresiones superficiales de la película SiO2; un resultado en acuerdo con las conclusiones obtenidas por AFM.
La transformada rápida de Fourier (FFT) presentada en la figura 5.2.1(c) permiten identificar los planos (2-20), (220) y (400) del silicio cubico, siendo [001] el eje de zona de la imagen. La FFT también muestra débiles spots relacionados con planos (111) del silicio. La figura 5.2.1 (d) muestra un NC Si nucleando sobre NC Si primario que creció en una depresión del SiO2; sugiriendo así que los NC Si podrían actuar como nuevos centros de nucleación para mas NCs.
Es conocido que la región cerca de depresiones superficiales contiene un gradiente de estrés y por tanto en ella se ubican regiones de inestabilidad debido al adelgazamiento de la película depositada. Se cree que un pequeño aumento de estrés compresivo favorece la cristalización debido a la contracción de volumen típicamente observada en la cristalización del silicio. En la estructura presentada en este trabajo, el estrés compresivo esta igualmente presente debido a que las películas sintetizadas por Sputtering generalmente presentan un estrés compresivo intrínseco.
La importancia de este resultado radica en que la nucleación preferencial de NCs Si en depresiones superficiales podría ser usada en la fabricación de grandes arreglos de puntos cuánticos de silicio auto ensamblados.
Figure 5.2.1 Microscopia electrónica de transmisión de la muestra 600s.
La figura 5.2.2(a) muestra una difractograma de rayos-X representativo d las heterocapas. Los patrones de difracción corroboran la presencia de NCs Si embebidos en todas las heterocapas, como es indicado por los picos correspondientes a los planos (111), (220), y (311). La correspondencia entre la orientación cristalina observada por TEM y XRD sugiere que los NCs Si crecen en una orientación preferencial respecto al substrato. El factor de que todos los picos de difracción muestren una misma intensidad sugiere que la cantidad de NCs no se incrementa con el espesor de la intercapa; en acuerdo con la hipótesis de que la nucleación se lleva acabo primordialmente cerca de la superficie de SiO2.
estiramiento simétrico y estiramiento asimétrico de los átomos de oxigeno en los grupos Si–O–Si, respectivamente.
[image:40.612.147.471.216.382.2]Las características del IR indican que la composición de la matriz de oxido corresponden a aquella del SiO2; descartando la presencia de centros absorbentes relacionados a defectos de vacancias de oxigeno en la interface SiO2/Si-NCs.
Figura 5.2.2 Patrón representativo de las muestras.
(a) Difracción de Rayos X. (b) de espectroscopia IR.
La característica más relevante de este trabajo es que el borde de absorción de las heterocapas se desplaza de la región del cercano-infrarrojo hasta la región violeta cuando el tiempo de depósito de la capa de silicio se reduce de 600s a 60s.
Ha sido demostrado que la presencia de enlaces de Oxigeno (O) en la interface SiO2/Si NCs produce la inclusión de bandas de absorción en la región de alta energía del borde.
Claramente la muestra con una intercapa de Si más delgada muestra el borde de absorción localizado a mayor energía; cuando la capa llega a ser más gruesa el borde de absorción se desplaza sistemáticamente hacia más bajas energías.
Debe ser notado que incluso las muestras con el mayor espesor en la intercapa presentan un borde de absorción a más alta energía que el Si en bulto.
[image:41.612.200.415.337.556.2]El espectro de emisión de muestras con una intercapa de Si sintetizada durante 900, 1200 y 1800s no muestra un borde de absorción.
CAPITULO 6. CONCLUSIONES
La síntesis y caracterización de nanocristales de silicio se convirtió en un desafío, ya que al estar envuelto en el área de comunicaciones y electrónica, se tienen los conocimientos adquiridos a través de los años de desarrollo escolar, pero se necesita de una preparación y profundidad específica en cuanto a técnicas, métodos, conceptos e ideas para poder entender el comportamiento, manipulación y beneficios de los nanocristales de silicio, la transformación de dichos nanocristales en films o capas es uno de los aspectos más importantes en los que se experimentó, esto es el punto clave para manipular la eficiencia de esta forma se puede variar la estructura de las capas para generar una celda solar eficiente, que supere a las celdas comerciales existentes, ese 31% de eficiencia con el que cuentan dichas celdas, logrando de esta forma una contribución tecnológica a la sociedad, una que hará que se dejen de explotar los recursos naturales los cuales decrecen a cada segundo, ya que en esta ocasión se ocupó uno que es esencialmente inagotable, el sol, el cual libera en una hora la misma cantidad de energía que se consume en la tierra durante un año entonces, si se puede utilizar esta energía, si de alguna manera se logra sustituir la forma en la que se genera y a su vez a un bajo costo, esta tecnología podría ser utilizada por las distintas clases sociales, convirtiéndose en un beneficio para la humanidad.
Se ha desarrollado un procedimiento exitoso para la síntesis de nanocristales semiconductores empleando erosión catódica reactiva. La formación de nanocristales se controlada por medio de la textura superficial de la primera capa de SiO2, que a su vez es modificada por ajustar apropiadamente los valores de la presión parcial de oxigeno (OPP) empleada en la síntesis.
Al colocar la muestra sobre un substrato en este caso de vidrio se observa que existe una transmitancia nula por debajo de los 300nm esto es porque dicha muestra absorbe impurezas del vidrio.
REFERENCIAS
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9. L. Tsybeskov, K.D. Hirschman, S.P. Duttagupta, M. Zacharias, P.M. Fauchet, J.P. McCaffrey and D.J. Lockwood. Nanocrystalline-silicon superlattice produced by controlled recrystallization. Appl. Phys. Lett.72, 43 (1998).
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GLOSARIO
Absorbancia O absorbencia, es la cantidad de intensidad de luz que absorbe la muestra.
Absorción Operación química que trata la separación de los componentes que conforman una mezcla gaseosa, ayudándose de un solvente en estado líquido, con el que conseguirá formar una solución. Para la física la absorción es la pérdida de la intensidad de una radiación al atravesar la materia.
Absorción en equilibrio El equilibrio químico es un estado de un sistema reaccionante en el que no se observan cambios a medida que transcurre el tiempo, a pesar de que siguen reaccionando entre si las sustancias presentes.
Arseniuro de Galio GaAs Es un compuesto formado en parte por galio y en parte por arsénico de peso molecular 144.645 g/mol. Dicho compuesto posee propiedades semiconductoras.
Atrapamiento de átomos El estado de congelamiento, o más bien, atrapamiento de un átomo resulta necesario porque el movimiento normal es tan rápido, que no existen herramientas suficientemente exactas para medir sus características. Esto es útil para realizar estudios muy básicos sobre el comportamiento de la materia.
Balance detallado En una reacción química ordinaria la masa permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos es igual a la masa obtenida de los productos.
Banda de conducción Nivel de energía donde la atracción del núcleo del átomo sobre los electrones es más débil. Cuando un átomo es excitado empleando corriente eléctrica, luz, calor, etc., alguno de sus electrones pueden absorber energía, saltar a la banda de conducción permitiendo la presencia de corrientes eléctricas.
Banda prohibida Es el valor mínimo que necesita un fotón para que se pueda producir el efecto fotovoltaico en un material semiconductor. En la banda prohibida no se encuentra ningún electrón, ya que es un espacio de paso de electrones, desde la banda de valencia a la banda de conducción
Banda de valencia Es donde giran los electrones que en unos casos el átomo puede ceder, como ocurre con los metales y en otros casos puede atraer o captar de la banda de valencia de otros átomos cercanos. La banda de valencia es el nivel de energía que determina que un cuerpo se comporte como conductor, aislante o semiconductor.
Caracterización de nanocristales
Conocer el tamaño y velocidad de las partículas que conforman un compuesto o fluido. Se refiere al establecimiento de las características de un material determinado a partir del estudio de sus propiedades físicas, químicas, estructurales. Una vez conocidas las características del material puede establecerse la naturaleza del mismo, así como sus posibles aplicaciones.
Condensación Cambio de estado de la materia que se encuentra en forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización.
Constante de Planck Es la relación entre la cantidad de energía y de frecuencia asociadas a una partícula.
Crecimiento de cristales en
sistemas metálicos En la estructura de los cristales metálicos cada punto del cristal está ocupado por un átomo del mismo metal. Los cristales metálicos por lo regular tienen una estructura cúbica centrada en el cuerpo o en las caras; también pueden ser hexagonales de empaquetamiento compacto, por lo que suelen ser muy densos. Sus propiedades varían de acuerdo a la especie y van desde blandos a duros y de puntos de fusión bajos a altos, pero todos en general son buenos conductores de calor y electricidad.
Cristal Kossel El modelo de cristal ideal sin vibraciones fue introducido en los años 30 por Kossel y Stranski. Existe una posición en un cristal donde se puede continuar con el proceso de crecimiento hasta completar la capa de la cara cristalina, a su vez es necesario que sobre la superficie del cristal se generen nuevos rincones o escalones para que continúe el crecimiento, esto se consigue mediante una nueva nucleación heterogénea sobre la superficie de la cara cristalina para volver a repetirse el proceso de incorporación de átomos o moléculas.
Cuasiparticula Puede considerarse como una única partícula moviéndose a través del sistema, rodeada por una nube de otras partículas que se están apartando de su camino o arrastradas por su movimiento, así que la entidad entera se mueve a través de algo como una partícula libre.
Decaimiento Se caracteriza por la descomposición espontánea de un núcleo, generando núcleos de menor masa, partículas pequeñas y energía.
Detergente Extran Concentrado liquido alcalino (tiene propiedades básicas, es decir con un potencial de hidrogeno pH mayor a 7) utilizado para la limpieza de objetos.
Difracción La difracción se observa cuando se distorsiona una onda por un obstáculo. La difracción producida por una estructura cristalina verifica la ley de Bragg.
Dispersión Fenómeno por el cual un conjunto de partículas que se mueve en una dirección determinada rebota sucesivamente con las partículas del medio por el que se mueve hasta perder una dirección privilegiada de movimiento.
Electrón Es llamada carga elemental o fundamental, se considera a la carga del protón como positiva, mientras que a la del electrón como
negativa.
Electrón, Hueco Es la ausencia de un electrón en la banda de valencia. El hueco de electrón es, junto al electrón, uno de los portadores de carga que contribuyen al paso de corriente eléctrica en los semiconductores. Su carga es positiva.
Energía de un electrón en
un pozo cuántico La energía total del electrón siempre es la suma de su energía cinética y potencial. Si limitamos una región del espacio donde el potencial es nulo, pero fuera de éste se hace infinito, entonces el electrón se halla confinado, metido en un pozo, limitado entre las posiciones x=0 y x=L.
Equilibrio mecánico Es un estado estacionario en el que se cumple que la suma de fuerzas y momentos sobre cada partícula del sistema es cero.
Equilibrio químico Es el estado en el que las actividades químicas o las concentraciones de los reactivos y los productos no tienen ningún cambio neto en el tiempo.
Equilibrio termodinámico Se dice que un sistema se encuentra en estado de equilibrio termodinámico, si es incapaz de experimentar espontáneamente algún cambio de estado. Para ello ha de encontrarse simultáneamente en equilibrio mecánico y equilibrio químico.
Estequiometria Es la ciencia que mide las proporciones cuantitativas entre los reactantes y productos en el transcurso de una reacción química.
Excitones Es una cuasipartícula de los sólidos formada por un electrón y un hueco. Se da únicamente en semiconductores y aislantes. Un fotón alcanza un semiconductor, excitando un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción. El hueco que deja tras de sí el electrón en la banda de valencia, al tener carga opuesta, interacciona con él, de forma que quedan ligados el uno al otro. El sistema que resulta es el excitón.
Fase gaseosa
supersaturada Los átomos de la muestra se ionizan al colisionar con los iones producidos al bombardear con un haz de electrones de elevada energía.
Fonón Son el mecanismo primario por el cual se produce la conducción de calor.
Fotoluminiscencia Emisión de luz que es consecuencia de la absorción previa de una radiación.
Fotovoltaico Material o dispositivo que convierte la energía luminosa en electricidad.
FTIR Fourier Transform
Infrared Espectroscopia infrarroja con Transformada de Fourier es una técnica que es utilizada para obtener un espectro infrarrojo de absorción, emisión o fotoconductividad de un sólido, líquido o gas. El término se origina en el hecho de que la transformada de Fourier es requerida para convertir datos obtenidos en bruto en un espectro.
Heteroestructura Es una estructura que está formada por elementos de distinta clase o naturaleza.
Hilos cuánticos Se refiere al confinamiento de partículas, en este caso hilo cuántico nos indica que el grado de libertad de dichas partículas disminuye a una dimensión.
Ionización Es un proceso a través del cual se producen iones (átomos o moléculas cargadas eléctricamente gracias al exceso o la falta de electrones respecto a un átomo o molécula neutra).
Leigh Canham Es un científico británico que ha sido pionero en aplicaciones con silicio poroso en optoelectrónica.
Ley de Bragg La ley de Bragg permite estudiar las direcciones en las que la los rayos X sobre la superficie de un cristal son difractados, permite predecir los ángulos en los que los rayos X son difractados por un material con estructura atómica periódica (materiales cristalinos).
Donde
n es un número entero,
λ es la longitud de onda de los rayos X,
d es la distancia entre los planos de la red cristalina y,
θ es el ángulo entre los rayos incidentes y los planos de dispersión.
Longitud de onda
de – Broglie Descubrió que todas las partículas que poseían una cantidad de movimiento tenían asociada una determinada longitud de onda. Es la denominada Hipótesis de De Broglie.
Donde:
h es la Constante de Planck,
p es la cantidad de movimiento de la partícula.
Luz Es la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano. Incluye el rango entero de radiación conocido como espectro electromagnético. Velocidad de la luz 300 m/s.
mTorr Militorr es una unidad de presión muy pequeña que se utilizan para las mediciones de alto vacío y es un múltiplo 1/1000 de la unidad de presión torr . 1 mTorr equivale a 0,133322 Pascales. Un pascal se
define como la presión que ejerce una fuerza de 1 newton sobre una superficie de 1 metro cuadrado.
N2 Símbolo del nitrógeno molecular o dinitrogeno (generalmente llamado sólo nitrógeno) es una molécula diatómica formada por dos átomos de nitrógeno.
Nanocristal Estos materiales son de enorme interés tecnológico puesto que muchas de sus propiedades eléctricas y termodinámicas muestran una fuerte dependencia del tamaño y pueden por lo tanto ser controladas por medio de procesos de fabricación cuidadosos.
Nanómetro Es la unidad de longitud que equivale a una milmillonésima parte de un metro. 1 nanómetro = 0,000000001 metros.
Nucleación Es la formación de un núcleo o partícula inicial con las propiedades de un cristal, a partir de la cual éste ya puede crecer. Existen dos modalidades de nucleación. Nucleación homogénea: Cuando la partícula es de la misma composición y estructura del cristal que se va a formar. Nucleación heterogénea: Cuando el núcleo es una sustancia diferente y preexistente que favorece su cristalización. Las partículas extrañas quedan incluidas dentro del nuevo cristal como impurezas o inclusiones.
Nucleación 2D Es posible que los átomos colisionen entre sí reactivamente, y formen núcleos de dos dimensiones que sean capaces de crecer.
Onda Es una propagación de una perturbación de alguna propiedad de un medio que se propaga a través del espacio transportando energía. La longitud de una onda es la distancia a la que se repite la forma de la onda.
Optoelectrónica Es el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. Los componentes optoelectrónicos son aquellos cuyo funcionamiento está relacionado directamente con la luz.
Orientación molecular Es la posición de las moléculas en el sustrato formadas durante el crecimiento de materiales.
Oxido de Silicio Si02 Es un compuesto de silicio y oxígeno, llamado comúnmente sílice. Es uno de los componentes de la arena. Una de las formas en que aparece naturalmente es el cuarzo. Se emplea para producir silicio elemental.
Polímeros orgánicos Los polímeros orgánicos son compuestos formados por la unión de dos o más unidades moleculares carbonadas idénticas que reciben el nombre de monómeros, como el caucho o las proteínas y artificiales como los plásticos.
Potencial Electrostático El trabajo que hace sobre una partícula depende únicamente de la posición inicial y final de la partícula, y no en el camino seguido.
Pozo cuántico Es la denominación en la que se confina, en dos dimensiones, partículas que originalmente tenían libertad para moverse en tres, forzándolas a ocupar una zona acotada.
Presión Parcial de Oxigeno La presión parcial de un gas viene determinada por la concentración del gas y por la presión ambiental; por ejemplo, la concentración de oxígeno en el aire es del 21% y la presión parcial de oxígeno (PO2) en el aire a nivel de la superficie es de 0.21 atm.
Re-cristalización Método empleado para la purificación de sustancias. Se aprovechan las diferentes solubilidades de los compuestos en uno o varios disolventes a diferentes temperaturas.
Re-evaporación Consiste en el pasaje lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso. La re evaporación es una evaporación por segunda vez.
Reflexión Se refiere al fenómeno por el cual un rayo de luz que incide sobre una superficie es reflejado.
Refracción Es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Cuando incide oblicuamente sobre la superficie de separación de dos medios, y en virtud del cual el rayo cambia de dirección y velocidad.
Rugosidad El concepto de rugosidad se refiere a cuan áspero es la superficie de un cuerpo.
Seleniuro de cobre – indio Es un material semiconductor compuesto de Cobre, Indio, y Selenio. Utilizado por su alta eficiencia fotovoltaica para construir paneles solares, y por su menor costo con respecto del silicio.
Semiconductores Es un elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.
Semiconductores de Silicio El silicio es un semiconductor ya que a bajas temperaturas son aislantes. Pero a medida que se eleva la temperatura o bien por la adicción de determinadas impurezas resulta posible su conducción.
