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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 MEXICO D.F. 2012.
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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
MEXICO D.F. 2012.
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 CALLEJASDEBERA(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.
~ SINTETIZAR NANOCRISTALES DE SILICIO EMBEBIDOS EN Si02 EMPLEANDO UN EQUIPO DE EROSIÓN CATÓDICA A RADIOFRECUENCIA. /o
~ CARACTERIZACIÓN POR MICROSCOPIA DE FUERZA ATÓMICA, ESPECTROSCOPIA UV-Vis y FOTOLUMINISCENCIA. .
~ ANÁLISIS DE RESULTADOS.
MÉXICO D.F., 5 DE AGOSTO DE 2011.
ASESOR
2
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
consejos, paciencia y amistad.
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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.
Estudiar el efecto de la presión parcial de oxigeno en las propiedades de
estructuras SiO2/Si.
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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.
Si se continua experimentando con los nanocristales de silicio, mejorando los
procedimientos de creación, se podrán reducir los costos de fabricación y
adquisición y sobre todo el resultado final, una celda solar eficiente, a bajo costo y
de fácil acceso a todas las personas, dejando así de explotar los recursos
naturales.
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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
4.4 Equipos utilizados 31
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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
GLOSARIO 45
7
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.
Una alternativa al π-Si para producir nano-estructuras de silicio es intentar
crecerlas directamente de una fase gaseosa o indirectamente por re-cristalización
dentro de una matriz.
8
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
tal platica Feynman expuso los beneficios que nos supondría el ser capaces de
manipular la materia con precisión de nanómetros (una millonésima parte de un
milímetro). Mencionó la posibilidad de almacenar los 24 tomos de la Enciclopedia
Británica en la cabeza de un alfiler, de crear micromáquinas capaces de viajar a
través del cuerpo humano, de manipular átomo por átomo la síntesis de nuevos
materiales y algunas otras ideas difíciles de concebir.
9
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).
Este precio no es competitivo al compararse con fuentes de energía fósil, pero el
incremento del uso de energía solar podría ser dramático si se perfecciona una
nueva generación de dispositivos construidos con el empleo de nanopartículas.
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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.
Las llamadas celdas de segunda generación tienden a reducir los costos
sustituyendo el silicio por películas delgadas de semiconductores tales como el
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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.
Otra opción para exceder el límite convencional de 31% es convertir el exceso de
energía del fotón (es decir la diferencia entre la energía del fotón y el ancho de
banda prohibida) en energía útil. Una forma de hacer esto es crear múltiples pares
electrón-hueco por cada fotón entrante. El Dr. Víctor Klimov et. al., han mostrado
que la multiplicación de portadores es posible con el empleo de celdas solares de
12
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.
Las celdas solares sensibles en esta región del espectro (termovoltaicos) pueden
incluso capturar radiación proveniente de la combustión de materiales. Una celda
solar de silicio de un cm2 expuesta a luz solar directa puede generar cerca de
13
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.
La opto-electrónica es la tentativa de combinar la tecnología de fibra óptica y la
microelectrónica en un solo chip. El remplazo de interconexiones eléctricas con
ópticas sugiere la posibilidad de operación a alta rapidez (velocidad de la luz)
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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.
La posibilidad de obtener un emisor de luz basado en silicio surgió en 1990 con la
observación de luminiscencia en silicio poroso. Hoy en día este material
permanece tan solo como una esperanza limitada en la creación de dispositivos
debido a que la porosidad lo hace frágil y con una superficie altamente reactiva.
La teoría más ampliamente aceptada del origen de la luminiscencia en este
material se relaciona con procesos de recombinación radiactiva en
nanoestructuras. Por tal razón, la investigación de materiales emisores de luz
basados en silicio se centra en la actualidad en nanocristales el cual es el camino
más prometedor para alcanzar altas eficiencias de luminiscencia.
15
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.
Esto pasa cuando los átomos (o moléculas) depositados están más fuertemente
ligados entre ellos que al substrato. Este modo de crecimiento es característico de
sistemas metálicos creciendo sobre superficies semiconductoras como silicio,
germanio, galio, arsénico, incluyendo metales alcalinos, grafito entre otros.
16
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”.
Existen muchas razones por las que este modo puede ocurrir, y cualquier factor
que afecte la energía de enlace puede ser la causa. Por ejemplo puede ser que el
parámetro de red (o la simetría u orientación molecular) de la capa intermedia no
pueda continuar inalterada después de varias monocapas.
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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.
Cuando un flujo de átomos de la fase gaseosa llega a la superficie del sustrato
eventualmente se forman algunas islas. Estas islas continúan creciendo hasta que
ellas se unen y forman una película continua. Hay dos rutas por las cuales un
átomo puede alcanzar una isla y causar su crecimiento. Estas son por directa
adición desde la fase gaseosa o por migración del átomo a través de la superficie.
Si la primera opción fuera dominante, podría esperarse que el crecimiento de las
islas fuera más rápido en altura que en área. Sin embargo, para que esto ocurra,
una tasa de depósito muy alta combinada con una energía de difusión grande y
una temperatura de sustrato baja es necesaria. En una superficie suave, es
precisamente la dificultad de alcanzar estas condiciones lo que hace posible que
exista el crecimiento completo de una monocapa superficial y las islas en general
no se formen.
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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:
si
ei
TT
TT
(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.
Es importante diferenciar entre el coeficiente de acomodación mencionado
anteriormente y el coeficiente de pegado o condensación. Este último es definido
como la proporción entre el número de átomos adheridos al sustrato y el número
de átomos que arriban a este. El coeficiente de pegado puede ser determinado
estimando el aumento de material en el sustrato. Comúnmente el coeficiente de
condensación es menor que la unidad y en casos donde la energía de absorción
de los átomos en el sustrato es baja y/o la temperatura del sustrato es alta, el
coeficiente puede ser una fracción muy pequeña.
19
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.
En esta configuración ningún cambio en la energía ocurrirá cuando el átomo se
separe de su posición particular. Como puede ser visto un átomo en esta posición
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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.
El origen de la energía de formación superficial puede ser descrito como un
desbalance de fuerzas entre los enlaces. Con esta imagen es fácil imaginar el
porqué los átomos de la superficie se moverán hacia las hendiduras de la
superficie desde las posiciones que ellos ocupan en el cristal original. El
movimiento será tal que se minimice la energía potencial sobre la superficie. Este
fenómeno es referido como relajación superficial.
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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.
Es claro que cuando una cara cristalina es paralela a más de una línea de átomos,
el número de enlaces químicos paralelos a la superficie cristalina es mayor. Para
una cara F, el número de enlaces no saturados es mínimo, de tal manera que
también lo es la energía libre de la cara. Cuando la cara cristalina es paralela
solamente a una línea de átomos, todos los enlaces químicos paralelos al escalón
se encuentran insaturados.
22
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.
Entonces a presiones suficientemente pequeñas para prevenir nucleación 2D, la
proporción de crecimiento en dirección normal a la cara particular será grande
para las caras K, pequeña para las superficies S y cero para las caras F. Se sigue
que las caras K deben de desaparecer primero en los crecimientos seguidas por
las caras S.
23
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
La erosión catódica reactiva se produce cuando al plasma se le añade
intencionalmente un gas no inerte para reaccionar con el material erosionado.
Algunos ejemplos son el oxígeno inyectado a la erosión de aluminio para formar
óxido de aluminio o el nitrógeno añadido a la erosión de titanio para formar nitruro
de titanio. La erosión catódica reactiva incluye la erosión de blancos compuestos
en los que se pierden preferencialmente uno de los componentes y esta pérdida
tiene que ser compensada por la adición al gas de las especies perdidas.
24
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.
Esquema simplificado de un sistema de erosión catódica reactiva.
25
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.
Los equipos comerciales analizan frecuencias entre 400 y 4000 cm-1. Desde un
punto de vista funcional el espectro infrarrojo se divide en tres zonas: IR lejano de
10-200 cm-1, donde se produce absorción relacionada con cambios rotacionales,
el IR medio de 200-4000 cm-1, donde tienen lugar las vibraciones fundamentales y
el IR cercano que va de 4000-14300 cm-1. Los espectrómetros de IR
convencionales se componen de una fuente de luz infrarroja, componentes ópticos
(espejos, lentes, divisores de haz, etc.) construidos con materiales adecuados no
absorbentes en el IR (típicamente sales como KBr o NaCl) y un fotodetector
sensible al IR. La fuente de luz IR es un filamento térmico cuyo el espectro de
emisión es el correspondiente a un cuerpo negro con la temperatura del filamento.
Los espectrómetros infrarrojos más modernos son del tipo FTIR (Fourier
Transform Infrared). La ventaja fundamental de la técnica FTIR frente al IR
convencional es la rapidez en la adquisición del espectro, debido a que se evita
variar la longitud de onda para medir cada longitud de onda. En FTIR se adquieren
simultáneamente todas las componentes de frecuencia del espectro, lo que
permite acumular un gran número de espectros en poco tiempo, con la
consiguiente mejora en la relación señal-ruido. Esto es especialmente importante
en las regiones del espectro infrarrojo en que la fuente tiene una emisión débil o el
detector es poco sensible.
26
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.
Elabora mapas topográficos en tres dimensiones, la superficie es barrida en el
plano de la superficie por la punta. El movimiento de barrido lo realiza un escáner
piezo-eléctrico, y la interacción punta/muestra se monitoriza reflejando un láser en
la parte trasera de la palanca.
27
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.
La región Visible, de 400 hasta cerca de 800nm, es la única del espectro
electromagnético detectable por el ojo humano.
28
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.
Las obleas de Silicio se limpiaron con el procedimiento estándar para MOS
(conocido como piraña). La piraña se realiza mediante la combinación de un
ataque químico y un procedimiento térmico. El propósito de este método es
remover residuos orgánicos, oxido y metales iónicos pesados. La limpieza de
sustratos consiste de tres pasos: i) remoción de óxidos, sumergiendo los sustratos
en una solución acuosa al 10% de ácido fluorhídrico (HF) durante 2 minutos; ii)
eliminación de substancias orgánicas, sumergiendo los sustratos cuatro minutos
en una solución 1:4 de peróxido de hidrógeno (H2O2) y ácido sulfúrico (H2SO4) a
una temperatura de 100 °C; y iii) limpieza final, sumergiendo los sustratos
29
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.
Para iniciar el crecimiento se permite la entrada gradual de Ar a la cámara hasta
alcanzar una presión de 15mTorr. Entonces el plasma es encendido aplicando
gradualmente una potencia de radiofrecuencia al blanco de silicio. El blanco es
erosionado durante 5 minutos (con el obturador cerrado) para eliminar
contaminantes de la superficie del blanco. Una vez encendido el plasma se ajusta
30
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.
En este trabajo sintetizamos heteroestructuras SiO2/Si/SiO2. Para sintetizar las
capas de SiO2 se emplearon los siguientes valores de OPP: 25, 33, 50, 66 y 75%.
La potencia empleada fue de 100 W durante todo el crecimiento. Cada capa de
SiO2 se creció durante 25 minutos, mientras que la intercapa de Si se depositó
durante 10 minutos.
31
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)
Las micrografías TEM se tomaron en un equipo marca JEOL modelo 2010.
32
CAPITULO 5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
5.1 SINTESIS DE SiO2
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.
(a) OPP 25%; (b) OPP 33%; (c) OPP 50%; (d) OPP 66%; (e) OPP 75%.
33
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.
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.
Figura 5.1.2. Espectro de infrarrojo representativo de las muestras de SiO2.
34
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.
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.
Figura 5.1.3. Comparación entre espectros, un espectro Raman representativo de
las muestras de SiO2 y uno de silicio policristalino.
35
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).
Nano-aglomerados similares son visibles en las imágenes de AFM restantes, pero
el empleo de tiempos de depósito mayores promueve la elongación de las islas de
Si. Todos los nano-aglomerados están localizados en la depresiones o sobre los
bordes de las columnas de SiO2, nunca en las regiones planas de la película;
siendo entonces un resultado directo de la topografía. Como puede esperarse el
modo de crecimiento en nano-aglomerados cambia a un modo de crecimiento de
película continua cuando la cantidad de Si depositado llega a ser demasiado
grande. Nuestros resultados indican que la formación de islotes independientes de
Si en esta topografía particular puede ser llevada a cabo hasta un tiempo de
depósito de 300s.
36
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.
Esta imagen nos permite estimar la tasa de depósito de 1nm /10 segundos para el
silicio. Es oportuno aclarar que la intercapa depositada presenta un espesor
promedio (60nm) mucho mayor que la longitud de onda de De Broglie en el silicio
(~10nm); por esta razón, en esta trabajo descartaremos efectos asociados a QC
unidimensional (poso cuántico) en las propiedades de las muestras.
37
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.
Además de lo anterior, el coeficiente de expansión térmica es aproximadamente
de un orden de magnitud superior en el Si que en el SiO2, permitiendo un estrés
compresivo adicional en la capa de Si durante el crecimiento (llevado a cabo a
400°C) cuando la formación de cúmulos es más probable que ocurra. Estas
características podrían favorecer la coalescencia de átomos en los NCs Si y
explicar porque ellas no son observadas en las regiones planas de la muestra.
38
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.
La figura 5.2.2 (b) muestra un espectro representativo de IR de las muestras.
Bandas de absorción fueron observadas en 450, 800 y 1080 cm−1 para todas las
muestras; estas frecuencias están relacionadas a los modos de balanceo,
39
estiramiento simétrico y estiramiento asimétrico de los átomos de oxigeno en los
grupos Si–O–Si, respectivamente.
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.
La figura 5.2.3 presenta los espectros de absorción UV-Vis de las muestras. La
película de SiO2 muestra una transmitancia nula por debajo de los 300nm debido a
la absorción de las impurezas presentes en el sustrato de vidrio empleado; pero es
transparente en la región de absorción de las muestras sintetizadas. Los bordes
de absorción bien definidos en la muestras corroboran un bajo nivel de oxidación
en la superficie de los NCs.
40
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.
El espectro de emisión de muestras con una intercapa de Si sintetizada durante
900, 1200 y 1800s no muestra un borde de absorción.
Figura 5.2.3. Espectros de transmitancia UV-Vis de las muestras SiO2/Si/SiO2. El
espectro de transmisión de una película pura de SiO2 es incluido como referencia.
41
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.
Cuando la OPP se incrementa, la cristalinidad de la intercapa semiconductora
decrece hasta que llega a ser totalmente amorfa. En este sentido, la matriz de
SiO2 contribuye a la formación de nanopartículas de alta calidad cristalina.
42
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.
Durante el desarrollo y experimentación de la investigación se observó en las
muestras creadas que el borde de absorción 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 los 600s a los 60s, quiere decir que si se altera su espesor se logra
aumentar el rango de absorción aumentando así la eficiencia de las mismas, la
muestra con una intercapa de Si más delgada muestra el borde de absorción
localizado a mayor energía mientras que cuando la capa llega a ser más gruesa el
borde de absorción se desplaza sistemáticamente hacia más bajas energías.
43
REFERENCIAS
1. Una transcripción de la conferencia que Feynman impartió el 29 de diciembre
de 1959 en el instituto de tecnología de California puede encontrarse en el
artículo: R. Feynman. There is plenty of room at the bottom. J.
microelectromechanical systems. 1, 60 (1992).
2. T. Sánchez, V. Velasco, J. M. Martínez. Nanociencia y nanotecnología: la
tecnología fundamental del siglo XXI. Física para todos, RUISF. 19 (2005).
3. L. M. Hernández. Energía fotovoltaica y celdas solares de alta eficiencia.
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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.
Borde de absorción
La energía asociada a cada uno de los bordes corresponde a la energía de enlace, o ionización, de los electrones contenidos en el nivel energético atómico respectivo de cada elemento químico.
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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.
Difractograma
Es el resultado de realizar un experimento de difracción en el que se miden las intensidades de los rayos x difractados por un cristal y los ángulos θ donde aparecen.
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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.
Fotón
Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético), El fotón tiene una masa invariante cero y viaja en el vacío con una velocidad constante c.
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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.
Monocristal
Un monocristal es un material en el que la red cristalina es continua y no está interrumpida por bordes de grano hasta los bordes de la muestra. Los bordes pueden tener efectos importantes en las propiedades físicas de un material.
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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.
Piezoeléctrico
Es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.
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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.
Si3N4
El nitruro de silicio es un compuesto químico del silicio y nitrógeno. Es una sustancia dura, sólida, que se puede obtener en temperaturas altas.
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Silicio poroso Se obtiene por anodizado electroquímico (es una técnica utilizada para modificar la superficie de un material) de una oblea de Si monocristalino (Constituidos por un solo tipo de red cristalina. Son sistemas homogéneos). Lo que le ocurre es que queda lleno de "agujeritos" al ser atacado por un electrolito(es cualquier sustancia que contiene iones libres, los que se comportan como un medio conductor eléctrico), en este caso ácido fluorhídrico. Con un tamaño promedio de los poros de 50nm y dependiendo de las condiciones experimentales, del dopado, de la densidad del material masivo, de la concentración de electrolito, de la densidad de corriente, del voltaje y la temperatura pueden obtenerse distintas escalas y características de la estructura porosa.
Simetría molecular
Equilibrio presente dentro de las moléculas, utilizando este criterio para su clasificación. Se puede de esta forma explicar o predecir las características químicas de las moléculas, como Ph, toxicidad entre otras.
Síntesis
Es el proceso por el cual se obtienen compuestos químicos a partir de sustancias más simples. También la síntesis química permite obtener productos que no existen de forma natural, como el acero, los plásticos o los adhesivos.
Sintetizar
Obtener un compuesto o un producto mediante síntesis.
Sistema químico
Es una porción de cuerpo material con límites específicos y que es objeto de estudios y/o análisis con fines específicos.
Sustrato
Es el compuesto químico que se transforma en un producto en una reacción química. Muestra con la que se realiza la experimentación, en este caso una oblea de silicio.
Superficie pasivada
Se refiere a la formación de una película relativamente inerte, sobre la superficie de un material la cual lo enmascara en contra de la acción de agentes externos.
Terawatt (TW)
Es una unidad de potencia, kilowatt-hora (kW-h) que equivale a 1000watts, megawatt-hora (MW-h), equivalente a 1 000 kW-h, el gigawatt-hora, equivalente a un millón de kilowatt-hora (GW-h), y el terawatt-hora (10
12 W), que son mil millones de kilowatt-hora (TW-h).
Transformada rápida de
Fourier
Toda señal periódica, sin importar cuán complicada parezca, puede ser reconstruida a partir de sinusoides, cuyas frecuencias son múltiplos enteros de una frecuencia fundamental, eligiendo la amplitud y fases adecuadas. Joseph Fourier. La transformada rápida de Fourier es un eficiente algoritmo que permite calcular la transformada discreta de Fourier (Transforma una función matemática en otra, obteniendo una representación en el dominio de la frecuencia, siendo la función original una función en el dominio del tiempo).
Transmitancia
Se define como la fracción de luz incidente, a una longitud de onda especificada, que pasa a través de una muestra. Es la cantidad de energía que atraviesa un cuerpo en determinada cantidad de tiempo.
