2. Fabricación de Dispositivos Optoelectrónicos a partir de Semiconductores

Orgánicos.

3. Resumen.

Actualmente, el principal componente de los dispositivos optoelectrónicos es el

silicio, que se caracteriza por ser un semiconductor inorgánico en el que la

conductividad eléctrica se incrementa por medio de dos caminos: aumentar la

temperatura o introducirle dopantes. Si bien el silicio es uno de los materiales más

abundantes de la corteza terrestre, ya que se encuentra presente en la arena de

mar (como SiO2), frecuentemente está enlazado químicamente con otros elementos,

haciendo que su extracción y aislamiento sean procesos costosos, que requieren de

alta tecnología. El objetivo del presente Proyecto es reemplazar al silicio como

componente de dispositivos optoelectrónicos, por semiconductores orgánicos del

tipo de las Ftalocianinas Metálicas, que otorguen no solo una eficiencia similar a la

obtenida en dispositivos que emplean al silicio, sino también que provean

propiedades adicionales a la semiconductividad, con el fin de otorgar a los

dispositivos fabricados, no solo una eficiencia adecuada, sino aplicaciones más

variadas que aprovechen propiedades ópticas o fotocrómicas, como las que deben

tener los OFETs (organic field-effect transistor). Se diseñaron y fabricaron dos

diferentes tipos de dispositivos NPN, utilizando Ftalocianina Metálica de Cobalto

(CoFt). Los dispositivos fueron fabricados mediante la técnica de evaporación al alto

vacío sobre diferentes tipos de sustratos, posteriormente se recocieron para arreglar

la estructura interna de los mismos y finalmente, se caracterizaron por medio de las

Espectroscopias FT-IR, UV-vis y Microscopía Electrónica de Barrido (MEB).

Adicionalmente se obtuvieron los GAP (tamaño de la brecha energética) utilizando

el modelo de Tauc y el programa Origin, esto con el fin de determinar si el GAP

obtenido es similar al del silicio. El resultado para el dispositivo de CoFt en términos

del gap indirecto fue 2.43 eV, mientras que para el gap directo fue de 2.50 eV. Al

comparar estos resultados con el del silicio cuyo valor de GAP es en promedio 1.7

eV, se observa que los valores obtenidos son superiores, sin embargo, se

consideran dentro del rango funcional para semiconductores orgánicos (2.0 - 3.6

eV), lo que los hace fuertes candidatos para su uso en dispositivos optoelectrónicos,

debido además a la facilidad de fabricación con respecto a los del silicio.

4. Introducción.

4.1 Marco Teórico

4.1.1. Semiconductores

Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior

a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El

semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la

naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el

selenio. El silicio, es el elemento más abundante en la naturaleza, después del

oxígeno, otros semiconductores son el germanio y el selenio

Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones,

denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la

que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos

vecinos, formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente, algunos electrones

de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente

y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a

estos electrones, que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial

eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo.

El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los siguientes

fenómenos:

● Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el

polo positivo de la pila.

● Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo

negativo de la pila. Los huecos son la ausencia de un electrón en la banda de

valencia y se forman cuando la banda pierde un electrón. Una banda de

valencia completa es característica de los semiconductores y de los aislantes.

● Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado,

siendo constante en todo momento el número de electrones dentro del cristal

de silicio.

● Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el

conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente

eléctrica.

Según Carl R. Nave, (2010), la adición de un pequeño porcentaje de átomos

extraños en la red cristalina regular de silicio o germanio, produce cambios en sus

propiedades eléctricas, dando lugar a los semiconductores de tipo n y tipo p. Un

semiconductor dopado con impurezas pentavalentes se dice que es de tipo N,

mientras que un semiconductor dopado con impurezas trivalentes se dice que es de

tipo P (semiconductor dopado = impurezas añadidas voluntariamente para

incrementar su conductividad eléctrica).

Aunque como se mencionó anteriormente, el semiconductor más utilizado es el

silicio, seguido de otros semiconductores inorgánicos como el germanio, selenio o

arsenuro de galio, existe actualmente el desarrollo tecnológico de los denominados

“semiconductores orgánicos”, que pudieran llegar a competir con los inorgánicos por

sus adecuadas propiedades eléctricas, pero con un costo de fabricación inferior al

de los inorgánicos, además de la reducción considerable de residuos

contaminantes, que se generan actualmente durante la manufactura de los mismos.

4.1.2 Semiconductores orgánicos

Un semiconductor orgánico es un compuesto orgánico bajo la forma de un cristal o

un polímero, que muestra propiedades similares a las de los semiconductores

inorgánicos. Los semiconductores orgánicos se pueden dividir en dos familias:

polímeros (formados por largas cadenas de monómeros) y oligómeros (formados

por una o pocas moléculas.). Los semiconductores orgánicos son capaces de

ofrecer soluciones a los diferentes problemas con los que nos enfrentamos hoy en

día, a través del uso inteligente de sus propiedades intrínsecas (son económicos,

flexibles, transparentes y ligeros), lo que permite dar lugar a nuevos conceptos y

diseños de dispositivos electrónicos. El mejor ejemplo lo encontramos en los diodos

orgánicos emisores de luz (OLED). Estos, fueron los primeros dispositivos basados

en materiales orgánicos que se produjeron a gran escala y han revolucionado la

industria de las pantallas, al ofrecer un hardware que consume mucha menos

energía y que ofrece una mayor calidad, además de utilizar menos espacio físico.

Hoy en día los podemos encontrar en los teléfonos móviles y en los televisores ultra

planos y de alta resolución, lo que permite soluciones únicas tales como los

televisores curvos y las pantallas transparentes.

El profesor Jason Locklin (2009), del Franklin College of Arts and Science, trabaja

con semiconductores orgánicos para crear una nueva clase de componentes

electrónicos. Locklin menciona en una entrevista que los semiconductores orgánicos

formaran parte en un futuro, como “fuente de alimentación destinada a proveer de

energía eléctrica a los dispositivos electrónicos. Actualmente hay un número

creciente de investigadores a nivel mundial que tratan de desarrollar nuevos

semiconductores orgánicos no solo para aplicaciones en electrónica, sino también

para el aprovechamiento de energías limpias como la solar, en su uso como

componentes de dispositivos fotovoltaicos.

4.1.3 Caracterizaciones de los Semiconductores

La caracterización de los materiales semiconductores dispone de la infraestructura

necesaria para identificar y cuantificar los elementos presentes en una muestra, así

como fases cristalinas, estados de oxidación y estructuras moleculares. La

caracterización es fundamental ya que gracias a ella se puede determinar con sumo

detalle, la composición química del semiconductor, su estructura, morfología y

propiedades, con el fin de establecer posibles aplicaciones y usos de este tipo de

materiales. Cabe mencionar que la caracterización debe realizarse tanto en

semiconductores inorgánicos como en los orgánicos.

Cuando se quita un electrón al átomo, éste se desequilibra, pasando a tener carga

positiva. Esto es lo que se conoce como ionización, ya que lo convertimos en un ion

positivo o catión. Si por el contrario, el átomo no tiene su última capa llena y, por

cualquier circunstancia le llega un electrón nuevo a esta capa, quedará cargado

negativamente (un electrón más que protones tenía). Se convierte en un ion

negativo o anión.

El carbono, el silicio, el germanio y el estaño tienen en su última capa 4 electrones,

se les llama tetravalente, porque pueden ceder 1, 2,3 o 4 electrones. Son materiales

que ocupan una oposición intermedia entre los aislantes y los conductores. Suelen

ser aislantes a cero grados Kelvin, y permiten el paso de corriente a la temperatura

ambiente. Los únicos elementos semiconductores puros son carbono, germanio y

silicio, el resto de los semiconductores son compuestos químicos que deben ser

caracterizados por medio de técnicas diversas como la Espectroscopía Infrarojo

(IR), la Espectroscopía Ultravioleta-Visible (UV-Vis) y la Microscopía Electrónica de

Barrido (MEB) con Espectroscopía de Energía Dispersa (EDS) principalmente.

4.1.4 Espectroscopia IR

Es un tipo de espectrometría de absorción que utiliza la región infrarroja del

espectro electromagnético mostrado en la Figura 1, y es utilizada para identificar un

compuesto o investigar la composición química de una muestra a través de su

enlace químico, siempre y cuando sea del tipo covalente. Se basa en el hecho de

que los enlaces químicos de las sustancias tienen frecuencias de vibración

específicas, que corresponden a los niveles de energía de la molécula. Estas

frecuencias dependen de la forma de la superficie de energía potencial de la

molécula, la geometría molecular, las masas atómicas y, posiblemente, el

acoplamiento vibracional. En la Figura 1 se observa como por ejemplo, los enlaces

C=O, C=N y C=C se encuentran en la región del espectro IR comprendida entre

1800 y 1500 cm-1.

Figura 1. Región IR del Espectro Electromagnético para algunos tipos de enlaces

covalentes

4.1.5 Espectroscopia UV-Vis

De acuerdo con la Universidad de Alicante (2006*) la espectroscopia UV-Vis está

basada en el proceso de absorción de la radiación ultravioleta-visible (radiación con

longitud de onda comprendida entre los 160 y 780 nm del espectro

electromagnético) por una molécula. La absorción de esta radiación causa la

promoción de un electrón a un estado excitado. Los electrones que se excitan al

absorber radiación de esta frecuencia son los electrones de enlace de las

moléculas, por lo que los picos de absorción se pueden correlacionar con los

distintos tipos de enlace presentes en el compuesto. Todas las técnicas de

absorción suponen que cuando una radiación incide sobre una muestra se produce

una absorción parcial de esta radiación, lo que hace que se produzca una transición

entre los niveles energéticos de la sustancia: átomo, molécula o ion pasando al

estado excitado, el resto de radiación es transmitida. Así analizando una u otra

podemos relacionar la cantidad de especie activa presente en la muestra. Debido a

ello, la espectroscopia UV-Vis se utiliza para la identificación de los grupos

funcionales presentes en una molécula. Las bandas que aparecen en un espectro

UV-Vis son anchas debido a la superposición de transiciones vibracionales y

electrónicas.

Figura 2. Espectro electromagnético que comprende la radiación Ultravioleta y la

radiación visible

4.1.6 MEB

La Universidad Politécnica de Valencia (2012) define al microscopio electrónico de

barrido, como un instrumento capaz de ofrecer un variado rango de informaciones

procedentes de la superficie de la muestra. Su funcionamiento se basa en barrer un

haz de electrones sobre un área del tamaño que deseemos (aumentos), mientras en

un monitor se visualiza la información que hayamos seleccionado en función de los

detectores que hayan disponibles (Figura 3). Con este tipo de microscopio se

pueden realizar estudios de los aspectos morfológicos de zonas microscópicas de

los distintos materiales con los que trabajan los investigadores de la comunidad

científica y las empresas privadas, además del procesamiento y análisis de las

imágenes obtenidas. Por medio de la MEB se pueden obtener aumentos superiores

a los 10000x, que permiten analizar a detalle las imágenes obtenidas.

El microscopio electrónico de barrido puede estar equipado con diversos detectores,

entre los que se pueden mencionar: un detector de electrones secundarios para

obtener imágenes de alta resolución SEI (Secundary Electron Image), un detector

de electrones retrodispersados que permite la obtención de imágenes de

composición y topografía de la superficie BEI (Backscattered Electron Image), y un

detector de energía dispersiva EDS (Energy Dispersive Spectrometer) permite

colectar los Rayos X generados por la muestra y realizar diversos análisis e

imágenes de distribución de elementos en superficies pulidas. Por medio del EDS

se puede obtener la composición química, ya que proporciona información sobre los

elementos químicos presentes en una muestra.

En el estudio de materiales la MEB se utiliza para la caracterización microestructural

de materiales. Identificación, análisis de fases cristalinas y transiciones de fases en

diversos materiales tales como metales, cerámicos, materiales compuestos,

semiconductores, polímeros y minerales. Composición de superficies y tamaño de

grano. Valoración del deterioro de materiales, determinación del grado de

cristalinidad y presencia de defectos. Identificación del tipo de degradación: fatiga,

corrosión, fragilización, etc.

Figura 3. Columna del microscopio electrónico de barrido

Además de los métodos de caracterización mencionados, existen otros como son la

Microscopía de Fuerza Atómica (MFA), la Espectrometría de Masas, el Análisis

Elemental y la Resonancia Magnética Nuclear que pueden llegar a utilizarse para

conocer a detalle la composición no solo de semiconductores, sino de una gran

variedad de materiales. En términos de semiconductores tanto inorgánicos como

orgánicos, la caracterización tiene como función conocer a detalle este tipo de

materiales, con el fin de utilizarlos en la fabricación de dispositivos, principalmente

electrónicos.

4.1.6 Dispositivos Electrónicos

Son dispositivos que permiten convertir señales ópticas en señales electrónicas, o

viceversa. Los dispositivos electrónicos pueden ser de varios tipos:

Diodo: según la Universidad de Buenos aires en (2011). Los diodos son dispositivos

semiconductores que permiten hacer fluir la electricidad solo en un sentido. La

flecha del símbolo del diodo muestra la dirección en la cual puede fluir la corriente.

Los diodos son la versión eléctrica de la válvula o tubo de vacío y al principio los

diodos fueron llamados válvulas.

Figura 4. (a) Esquema eléctrico de un diodo y (b) Esquema eléctrico de un

fotodiodo

Fotodiodo: según la Universidad de Buenos aires en (2011) Un fotodiodo es un

diodo PN construido de modo tal que la luz pueda alcanzar la juntura PN y generar

portadores debido al efecto fotoeléctrico. De este modo, se producirá́ una corriente

eléctrica proporcional a la intensidad de la luz incidente. El funcionamiento del

fotodiodo radica en la separación de los pares electrón-hueco generados por la

radiación que atraviesa la zona desierta de la juntura PN. El campo eléctrico de

presente en la juntura es el que inhibe una rápida recombinación de los pares

generados que son arrastrados hasta las regiones cuasi-neutrales, generando así́

una corriente eléctrica.

Transistores: Según la Universidad de Buenos aires en (2011). Un transistor es un

componente que tiene, básicamente, dos funciones:

● Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una pequeña señal de

mando.

● Funciona como un elemento amplificador de señales.

● En cantidades pequeñas y discretas, los transistores pueden utilizarse para

crear conmutadores electrónicos simples y circuitos de amplificación de

señales. En cantidades de miles, millones e incluso miles de millones, los

transistores están interconectados e incrustados en pequeños chips para

crear memorias informáticas, microprocesadores y otros circuitos integrados

complejos. Existen dos tipos de transistor básico: la unión bipolar (BJT) y el

efecto de campo de óxido metálico (MOSFET).

Figura 5. (a) Esquema eléctrico de un transistor y (b) Esquema de una celda

fotovoltaica

Celda fotovoltaica o solar: según la Universidad de Buenos Aires (2011) la celda

fotovoltaica se utiliza generalmente como parte constitutiva de un panel solar, o

como un componente central del circuito de recarga de las baterías para equipos

portátiles o que operan en regiones sin acceso a la red eléctrica. Por lo tanto, el

campo de aplicación de las celdas fotovoltaicas es inmenso: desde relojes y

calculadores hasta dispositivos de señalización, comunicación y satélites.

Las celdas fotovoltaicas están hechas de materiales especiales

llamados semiconductores tales como el silicio, que es el material más usado.

Cuando la luz solar choca en la celda una cierta porción de ella es absorbida dentro

del material semiconductor. Esto significa que la energía de la luz absorbida es

transferida al semiconductor. La energía golpea los electrones libres permitiéndoles

fluir libremente.

Todas celdas fotovoltaicas tienen uno o más campos eléctricos que actúan para

forzar a los electrones liberados por la acción de la luz para fluir en una cierta

dirección. Este flujo de electrones es una corriente y poniendo los contactos de

metal en la parte superior e inferior de la celda fotovoltaica podemos dibujar la

corriente para usarla externamente. Esta corriente junto con el voltaje de celda,

define la potencia que puede entregar la celda solar.

4.2. Objetivos.

4.2.1 Objetivo general

Fabricar dispositivos para optoelectrónica NPN (OFETs), utilizando semiconductores

orgánicos como la ftalocianina (Ft) y el tetraciano-quino-dimetano (TCNQ).

4.2.2 Objetivos específicos

● Preparar sustratos de vidrio Corning, Silicio monocristalino y vidrio Corning

con contacto conductor transparente de óxido de indio (ITO).

● Diseñar dispositivos orgánicos para optoelectrónica, por medio del software

3D Builder.

● Depositar semiconductores orgánicos como películas delgadas tomando

como referencia los diseños CAD para los dispositivos orgánicos.

● Cerrar el circuito de cada dispositivo orgánico con el depósito de electrodos

de plata.

● Obtener el GAP del sistema de semiconductores orgánicos para cada

dispositivo fabricado.

4.3. Planteamiento del Problema.

En la actualidad las grandes empresas tecnológicas tienen la tarea de reproducir en

enormes cantidades, los componentes electrónicos usados en diversos dispositivos.

Esta tarea se ha vuelto un gran problema ya que la producción de dichos

dispositivos es muy cara ya que la tecnología para obtener la materia prima, en este

caso el silicio, está disponible sólo en algunos países de primer mundo. El proceso

en el cual se separa el silicio de los demás componentes de la arena (SiO2) es muy

complejo y este proceso se tiene que realizar en un cuarto limpio en el cual no hay

impurezas, por lo que hay pocos lugares en donde existe este tipo de ambiente. En

el caso de México, las empresas de tecnología llegan a nuestro país para conseguir

mano de obra a bajo costo, pero no traen la tecnología necesaria para realizar todo

el proceso. Al desarrollar nuevas tecnologías como la que se propone en este

proyecto, sin la necesidad de usar el silicio como componente principal, impulsa el

crecimiento del país y crea la posibilidad de que empresas extranjeras inviertan en

el mismo.

Es importante señalar, por un lado, que el mayor número de empresas de corte

electrónico en México se encuentra en los estados de Puebla y Guadalajara. Este

sector está integrado por la industria de manufactura eléctrica, constituida por

empresas maquileras dedicadas a la fabricación de equipos y accesorios para la

transmisión, distribución y control de energía, y la industria electrónica, que abarca

la producción de aparatos electrónicos para consumo final, como electrodomésticos,

equipo médico, computadoras, equipo de telecomunicación móvil y

semiconductores. En donde cada vez más empresas de esta última ciudad, están

dedicadas a la electrónica, incorporando áreas de desarrollo de productos

electrónicos con valor agregado para poder competir con empresas asentadas en

países asiáticos. Esto implica la demanda de recursos humanos expertos en diseño

electrónico para poder satisfacer las necesidades de la industria regional en el corto

y mediano plazo. La estructuración de programas de formación de expertos en

diseño de componentes y equipo electrónico y de telecomunicaciones por

universidades ubicadas en esta región del país, se convierte en una necesidad que

al ser atendida, puede provocar la llegada de más empresas de semiconductores,

ya no de maquila sino de diseño, con un efecto positivo que se vería reflejado en el

fortalecimiento del distrito electrónico y la generación de empleos en el país en el

largo plazo. El que las empresas se instalen en México sería un gran avance en lo

que corresponde a la tecnología y economía del país.

4.4. Hipótesis.

● Se puede reemplazar el silicio con un semiconductor orgánico creado en el

laboratorio, con características similares a este semiconductor inorgánico, de

forma económica y viable.

● La evaporación al alto vacío es una técnica de depósito de películas delgadas

que puede ser utilizada para la fabricación de dispositivos orgánicos.

● El GAP de los semiconductores que fabricamos es muy parecido al GAP del

silicio.

5. Desarrollo.

El proyecto está dividido en tres grandes partes: (1) el Diseño de los Dispositivos

optoelectrónicos a fabricar, (2) Fabricación y Caracterización de los Dispositivos y

(3) Evaluación del GAP en los Dispositivos. A continuación, se detallarán cada una

de ellas.

5.1 Diseño CAD de Dispositivos orgánicos

El diseño de los dispositivos orgánicos se realizó con ayuda del software 3D Builder.

En este programa se insertan varios objetos y se les da las medidas deseadas.

Durante este proyecto se utilizaron cuatro modelos diferentes con base a modelos

encontrados en internet y que se muestran a continuación.

Figuras 6. Modelos 3D de los dispositivos realizados (a) Rojo → p+, Naranja → p-,

Morado → n. (b) Morado → n, Amarillo → p. (c) Verde (abajo) → n+, Rojo → p+,

Naranja → p, Verde (medio) → n-

1. Para llevar a cabo el diseño, se comenzó con un rectángulo de 150 mm de

ancho por 150 mm de profundidad y por 40 mm de altura. Estas medidas

fueron establecidas con base en los sustratos para depósito de dispositivos,

con que cuenta el laboratorio de materiales avanzados de la Universidad

Anáhuac México, donde se realizó el presente proyecto.

2. A continuación, se inserta un nuevo objeto con las mismas medidas, pero

con un color que representa una parte diferente del dispositivo.

3. Finalmente se completa el modelo con otra capa de igual tamaño y color que

la primera. Esto si se quiere construir un dispositivo tipo transistor PNP o si lo

que se requiere es uno NPN.

Debido al grado de complejidad que implica fabricar los diferentes tipos de

dispositivos en el laboratorio, se eligieron como definitivos los que se muestran en la

figura 6.

5.2 Fabricación y Caracterización de los Dispositivos

Esta sección completamente experimental, se llevó a cabo en diferentes etapas que

se detallan a continuación y para las cuales se da la lista de compuestos químicos,

materiales y equipos utilizados.

Compuestos Químicos utilizados.

Acetona, metanol, cloroformo, isopropanol, ftalocianina de cobalto y de fierro, silicio

monocristalino, vidrio Corning con película conductora de óxido de indio,

tetraciano-quino-dimetano.

Materiales utilizados.

Crisoles de tungsteno y de tantalio, pinzas de acero inoxidable, cúter de punta de

diamante, vasos de precipitado, cajas de Petri, mortero de ágata, plumones, regla,

gomas, guantes de hule látex, algodón, soporte universal con anillo de hierro,

espátula, papel de relojero, baño limpia-vidrios, separador de películas de plástico,

cinta de aislar, picetas, llaves Allen, pinceles, tijeras y cinta de carbón de doble cara.

Equipos utilizados.

Baño ultrasónico Branson 2800, Pistola de aire caliente Milwaukee 8975,

Evaporador Intercovamex TE12 con platinas de acero y latón, Recirculador de agua,

Campana de extracción de humos, Recirculador de agua PolyScience, Equipo para

medir corriente Keithley 4200-SCS-PK1 pico-ammeter, sensor de cuatro puntas next

robotics con cambio de iluminación, sensor de cuatro puntas next robotics con

cambio de temperatura, multímetro clamp digital multitest Steren, termómetro

infrarojo, microscopio electrónico de barrido Zeiss MA10, espectrofotómetro Nicolet

IS5-FT espectofotografo de rayos UV-VIS unicam modelo UV300.

Software empleado

Origin Pro 9.4, Omnic, 3D builder

5.3 Corte y limpieza de sustratos

En esta primera parte, se procedió a preparar los sustratos sobre los que se

depositarían las películas delgadas de semiconductores orgánicos, que

posteriormente formarían los dispositivos. Se prepararon sustratos de silicio

monocristalino, vidrio Corning, Cuarzo y vidrio Corning con película conductora de

óxido de indio. Adicionalmente también se tuvieron que limpiar crisoles de tantalio.

1) El corte de una oblea de silicio de 10 cm de diámetro se realizó con un

cúter de punta de diamante. Se trazaban los cortes con un plumón y se procedía a

realizar el corte para obtener rectángulos de silicio. Durante este proceso se

encontraron diversas dificultades debido a la fragilidad de este elemento. Este

procedimiento se realiza de manera similar para el resto de los sustratos.

2) Para la limpieza de los crisoles de tantalio, sustratos de cuarzo y silicio, se

utilizó la técnica de baño ultrasónico. En este proceso se sumergen los

componentes en cloroformo durante 5 minutos dentro del baño ultrasónico. A

continuación, se cambian de vaso de precipitado los componentes a uno que

contiene metanol y se realiza el mismo proceso que con el vaso de precipitado que

contiene cloroformo. Los pasos anteriores se repiten dos veces más para un total de

tres veces. Una vez acabado este proceso se cambian una vez más los

componentes a un vaso de precipitado con acetona y se sumerge 5 minutos en el

baño ultrasónico. Para finalizar el proceso se secan los componentes con una

pistola de aire caliente.

5.4 Depósito de películas delgadas

1) En este proceso se colocan diversos compuestos para su evaporación en

el Evaporador al alto vacío para el depósito de películas delgadas. El proceso inicia

preparando la materia prima para la evaporación, esta se prepara moliendo en un

mortero de ágata el compuesto principal y colocándolo en un crisol de tantalio. En la

primera evaporación la materia prima fue tetraciano quino dimetano (TCNQ).

Después se colocan en el Evaporador los sustratos de vidrio Corning y vidrio

Corning con contacto conductor de óxido de indio. A continuación, se coloca la

campana de cristal que permite la creación de vacío.

2) El siguiente paso es prender el recirculador de agua y esperar a que

alcance una temperatura de 18°C. Después se sigue el Manual de operación del

evaporador Intercorvamex TT para prender el equipo. A continuación se espera a

que la presión dentro de la campana llegue a torr (esto lo indica el sensor de x105 −3

vacío Pirani) para encender la bomba turbo. Una vez alcanzadas las 90,000

revoluciones por minuto (rpm) en la bomba turbo del Evaporador, se espera 2 horas

y media para que se cree un vacío de torr (esto lo indica el sensor de 0x101 −1

cátodo frio). A continuación, se pone la bomba turbo en standby para que las

revoluciones bajen a 60,000 y se pueda comenzar la evaporación. Una vez

alcanzadas las 60,000 rpm se cierra la válvula aislante completamente para

después abrir la misma válvula dos vueltas. Se apaga el sensor de cátodo frio para

evitar impurezas y se procede a encender la fuente de evaporador. Se elige el

puerto de evaporación en el cual se colocó el crisol de tantalio para comenzar a

incrementar la corriente y llegar a 150 amperes para después ir subiendo

gradualmente la corriente para realizar la evaporación. La evaporación se da gracias

a que el crisol de tantalio actúa como resistencia y convierte la corriente eléctrica en

calor. Para finalizar el proceso se apaga la fuente de evaporador y se abre la válvula

de aislamiento. Después se apaga la bomba turbo y una vez que esta llegue a 0 rpm

se apaga la bomba mecánica. Una vez apagada la bomba mecánica se procede a

abrir la válvula de venteo. Finalmente se retira la campana y las muestras.

3) La limpieza del equipo se realiza una vez retirado los sustratos y la

campana de cristal. Se realiza limpiando la superficie de la campana con toallas

multiusos y acetona. Después de esto se realiza otra limpieza con alcohol

isopropilico. La base del equipo se limpia de la misma manera que la campana de

cristal. Además de limpiarla con tallas multiusos, se utilizan pinceles con los que se

limpia el residuo de la evaporación.

5.5 Cierre de circuitos eléctricos en dispositivos orgánicos

A cada uno de los dispositivos se le colaron 12 puntos de pintura de plata

conductiva y 12 de pintura de carbón conductivo, después de esto se metieron los

dispositivos a un horno novatech para que la pintura se disolviera de manera más

efectiva y así se pudieran obtener los electrodos de plata y carbón que se

esperaban para ver su efectividad y calidad de conductor de energía.

5.6 Cálculo del GAP

El cálculo del GAP en los dispositivos fabricados, se llevó a cabo utilizando el

modelo de Tauc que se utiliza para semiconductores orgánicos. Los pasos para

llevar a cabo este modelo es: (1) realizar la espectroscopía UV-Vis a los dispositivos

fabricados, obteniendo tanto el % de Transmitancia (radiación que deja pasar el

dispositivo), como la Absorbancia (radiación que absorbe el dispositivo), (2) graficar

por medio del software Origin, las gráficas de Transmitancia y Absorbancia en

función de la longitud de onda, (3) por medio de una plantilla de Excel con las

ecuaciones respectivas, calcular el coeficiente de absorción directo (αhν 2 ) y el

coeficiente de absorción indirecto (αhν 1/2 ) , así como la energía del fotón (hν) , (4)

graficar los anterior y obtener la tangente a cada curva y (5) obtener el valor en el

eje “x” del gap para cada dispositivo.

6. Resultados.

Estos resultados de tipo cualitativo se obtuvieron mediante la primera evaporación

del compuesto N TCNQ, pudimos observar que la capa era amarilla, después en la

segunda evaporación se depositaron dos compuestos los cuales eran los cuales

actuaron como capa P: ftalocianina de fierro el cual se destacó por ser de color azul

intenso y el otro de ftalocianina de cobalto el cual tenía un color azul de menor

intensidad a comparación del otro. Se realizó la otra capa N la cual también era de

TCNQ la cual fue de color amarillo y así se completó la elaboración de dos

dispositivos NPN en forma de pirámide con los compuestos anteriormente

mencionados (ftalocianina de fierro y ftalocianina de cobalto). Por último, se

completó el circuito con pintura de plata conductiva y de carbón conductivo para

después meterla al horno novatech para secar el disolvente de la pintura y así

obtener electrodos de plata y carbón.

Figura 7. Dispositivos de (a) ftalocianina de cobalto y (b) ftalocianina de fierro

Valor del GAP en Cobalto

GAP Directo 2.50

GAP Indirecto 2.43

Tabla I. Cálculo y valores del GAP

7. Análisis e Interpretación de Resultados.

En la gráfica obtenida del fierro no encontramos GAP, esto es una propiedad que

nos dice que este dispositivo es un conductor y no un semiconductor.

Figura 8. Gráficas dispositivos NPN de flalocianina de fierro (a) Absorbancia (b)

Porciento de Transmitancia (c) GAP directo (d) GAP indirecto

Figura 9. Gráficas dispositivos NPN de ftalocianina de cobalto (a) Absorbancia (b)

Porciento de Transmitancia (c) GAP directo (d) GAP indirecto. Información obtenida

a partir del software Origin.

Figura 10. Fotos en el microscopio de la primera capa de cobalto a 2500X y 15000X

Figura 11. Fotos en el microscopio de la segunda capa de cobalto a 5000X y

15000X

Figura 12. Fotos en el microscopio de la tercera capa de cobalto a 500X, 10000X y

15000X

En las figuras 10, 11 y 12 se pueden observar fotos tomadas en el MEB en

diferentes aumentos de las 3 capas de la película de cobalto. Se pueden observar

en las figuras como los círculos son las partículas de cobalto. La tercera capa es en

donde mejor se ve porque es la que está hasta arriba de las tres capas. Uno de los

descubrimientos más grandes que se pueden observar en estas imágenes es en la

figura 12 en donde la imagen a 15000X tiene partículas cristalinas, esto se

determina porque las partículas tienen blanco alrededor de ellas. Esto significa que

son muy buenos conductores. En las capas de 500X, 2500X y 5000X se puede

observar como no hay espacios blancos grandes, lo que quiere decir que el material

se impregnó bien en la película, y las bolitas grandes que podemos ver en estas tres

imágenes es material que no se evaporó de manera correcta, pero que no afecta

con la película.

Figura 13. Fotos en el microscopio de la primera capa de fierro a 5000X y 15000X

Figura 14. Fotos en el microscopio de la segunda capa de fierro a 5000X y 15000X

Figura 15. Fotos en el microscopio de la tercera capa de fierro a 2500X y 15000X

Se puede observar en las siguientes figuras como el fierro se impregnó de manera

correcta en las películas, porque no se observan espacios grandes y se ven muy

claramente las moléculas de fierro. Esto significa que las películas, de cobalto y

fierro, se crearon de manera correcta.

8. Conclusiones.

Lo que se puede concluir con los resultados que se obtuvieron es que si se puede

sustituir el silicio en los paneles solares. El material que se aproximó más a las

características del silicio fue el cobalto, esto se comprobó al calcular el gap, el cual

fue de 2.5, en comparación del gap del silicio que es 1.7. esto significa que es un

poco más grande que el del silicio, pero que puede ser efectivo en los paneles.

También se puede comprobar que el cobalto funciona en los paneles porque sus

particulas estan cristalinas, lo cual demuestra que es un buen conductor de energía.

En las pruebas de la película de Fierro se puede observar como no tiene un gap, lo

cual significa que no es un semiconductor sino un conductor, por lo cual no tiene las

características que se requieren para trabajar en el panel solar y es por eso que el

cobalto es el material ideal que se podría usar para reemplazar al silicio, ya que es

mucho más barato y no pierde energía a altas temperaturas.

Mediante la investigación se puede destacar que se pueden bajar costos en la

producción de paneles solares, debido a que la mayoría de las personas no pueden

comprar un panel solar por el precio, tengan una alternativa más económica.

Los resultados de tipo cualitativo se obtuvieron mediante la primera evaporación del

compuesto N TCNQ. En el MEB (microscopio electrónico de barrido) se observaron

en una de las tres capas de cobalto que se hicieron, se observo como las partículas

estaban cristalinas, lo cual significa que el producto que hicimos es un gran

conductor, y al medir el GAP se observo un GAP de 2.5, el cual significa que es un

buen semiconductor y es apro como dispositivo optoeléctrico. En las capas de fierro

se pudo observar como las partículas no están cristalinas y al probar el GAP se

observo que no tuvo GAP, por lo que no fue un semiconductor sino un conductor y

no serviría muy bien como dispositivo optoeléctrico.

Si se puede sustituir el silicio en los paneles solares y el cobalto fue el material que

más se aproximó al silicio, lo sabemos por el cálculo del GAP, el GAP del cobalto

fue de 2.5, el del silicio es de 1.7, significa que el cobalto no es igual de eficiente

que el silicio pero si funciona y se puede sustituir, sus partículas son cristalinas, por

lo tanto es un conductor de electricidad.

En las pruebas hechas al fierro se vieron características de un conductor, no un

semiconductor, por lo tanto no sirve para reemplazar al silicio.

Con la investigación se sacó la conclusión de que un medio más económico para la

producción de paneles solares podría ser el cobalto.

9. Fuentes de Información.

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http://ocw.uc3m.es/ingenieria-quimica/quimica-ii/practicas-1/PR-F-Anex

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recuperado de:

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Viani L. (2015) Los semiconductores orgánicos permiten crear nuevos dispositivos

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http://www.oei.es/historico/divulgacioncientifica/?Los-semiconductores-

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