FÍSICAS INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO …

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE FÍSICA INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO SOBRE LAS PROPIEDADES ÓPTICAS, ESTRUCTURALES Y MORFOLÓGICAS DE LA PELÍCULA DELGADA DE ZNO DOPADA CON CU OBTENIDA POR ROCIADO PIROLÍTICO INFORME FINAL DE PRÁCTICA PRE-PROFESIONAL PARA OPTAR EL TÍTULO DE: LICENCIADO EN FÍSICA AUTOR: Br. EBERTH ISAAC CASTRO CAMPOS ASESOR: Lic. WILDER MAXIMO AGUILAR CASTRO TRUJILLO PERÚ 2018 Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación - UNT Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/ BIBLIOTECA DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE CIENCIAS FIacuteSICAS Y MATEMAacuteTICAS

ESCUELA ACADEacuteMICO PROFESIONAL DE FIacuteSICA

INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO SOBRE LAS

PROPIEDADES OacutePTICAS ESTRUCTURALES Y MORFOLOacuteGICAS DE LA

PELIacuteCULA DELGADA DE ZNO DOPADA CON CU OBTENIDA POR ROCIADO

PIROLIacuteTICO

INFORME FINAL DE PRAacuteCTICA PRE-PROFESIONAL

PARA OPTAR EL TIacuteTULO DE

LICENCIADO EN FIacuteSICA

AUTOR Br EBERTH ISAAC CASTRO CAMPOS

ASESOR Lic WILDER MAXIMO AGUILAR CASTRO

TRUJILLO ndash PERUacute

2018

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MIEMBROS DEL JURADO CALIFICADOR

Dr Ariacutestides Taacutevara Aponte

(Presidente)

Dr Luis Manuel Angelats Silva

(Secretario)

Lic Wilder Maacuteximo Aguilar Castro

(Vocal)

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PRESENTACIOacuteN

Sentildeores miembros del jurado

En conformidad con lo establecido por el reglamento de Grados y Tiacutetulos de la

Escuela Acadeacutemico Profesional de Fiacutesica de la prestigiosa Universidad Nacional de Trujillo

presento ante ustedes el presente trabajo de investigacioacuten intitulado ldquoInfluencia de la

temperatura de recocido sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnO dopadas con Cu obtenidas por rociado piroliacuteticordquo mediante el cual

postulo a optar el tiacutetulo de Licenciado en Fiacutesica

El presente trabajo se realizoacute en el Laboratorio de Fiacutesica de Materiales seccioacuten de

Nanociencia y Nanomateriales ldquoDr Lennart Hasselgrenrdquo de la Escuela de Fiacutesica de la Universidad

Nacional de Trujillo

Bach E Isaac Castro Campos

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DEDICATORIA

A mi amada madre Marleny Campos por

Todo el amor brindado y su esfuerzo constante

de guiarnos a miacute y a mis hermanos en los

caminos de Dios A mi Padre Eberth Castro

por sus consejos recibidos y su apoyo para

poder terminar la carrera A mis hermanos

Eliacuteas Gabriel y Benjamiacuten

A mi tiacutea Mariacutea Castro que a pesar de

la distancia se daba un tiempo para

aconsejarme

A mi abuela Olguita por su amor carintildeo

y tiempo para conmigo

A mi prima Denisse Mariacuten Campos

por ser como una hermana y apoyarme

siempre

E Isaac Castro Campos

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por sobre todas las cosas porque gracias a Eacutel pude completar este

desafiacuteo a mi familia por estar a mi lado en todos estos momentos

A mi asesor y amigo el Lic Wilder M Aguilar Castro Jefe del Laboratorio de Fiacutesica de

Materiales ldquoLennart Hasselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo por las mediciones

hechas con el microscopio de fuerza atoacutemica (AFM) por su apoyo ensentildeanzas y consejos

que permitieron culminar este trabajo de tesis con eacutexito

Al Mg Henry Leoacuten Leoacuten integrante del grupo de investigacioacuten del Laboratorio de

Investigacioacuten Multidisciplinario (LABINM) de la Universidad Privada Antenor Orrego

por su apoyo en las mediciones oacutepticas de las peliacuteculas delgadas

Al Dr Segundo Jaacuteuregui Rosas por su apoyo con las mediciones de los patrones de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas

A mis amigos Daniel Chaacutevez Susanita Moreno Joseacute del Aacutengel Joseacute De la Cruz

Mauricio Matta por los antildeos compartidos dentro de la carrera y su amistad sincera

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RESUMEN

En el presente trabajo de tesis se estudioacute la influencia de la temperatura de recocido sobre las

propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de las peliacuteculas delgadas de ZnO dopada con

cobre a 3 en volumen dichas peliacuteculas fueron sintetizadas sobre substratos de vidrio mediante

el meacutetodo de rociado piroliacutetico usando como soluciones precursoras el acetato de zinc

dihidratado[119885119899(11986211986731198621198742)2 21198672119874] y el cloruro de cobre dihidratado [1198621198972119862119906 21198672119874] disueltas en

etanol Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 Vol sin recocido y

recocidas a 400 450 y 500 indican que todas las muestras son poli cristalinas con estructura

hexagonal wurtzita el plano preferente de crecimiento fue el (002) disminuyendo la intensidad

de su pico uacutenicamente en la muestra recocida a 400 El tamantildeo del cristalito para la muestra sin

recocido fue de 2582 nm y para las muestras recocidas a 400 450 y 500 de 1878 2633 y

2923 nm respectivamente Las imaacutegenes obtenidas por microscopiacutea de fuerza atoacutemica indican que

la rugosidad media (Ra) aumenta con la temperatura de recocido a excepcioacuten de la muestra

recocida a 400 que disminuye Los anaacutelisis en el espectroacutemetro UV-Vis indican que estas

peliacuteculas tienen alta transmitancia mayor del 80 y que la absorbancia es miacutenima La energiacutea del

gap para la muestra sin recocido fue de 3256 eV y para las muestras recocidas a 400 450 y

500 de 3256 3263 y 3257 eV respectivamente

Palabras clave Temperatura de recocido peliacutecula delgada rociado piroliacutetico policristalina

rugosidad media energiacutea del gap

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ABSTRACT

In this thesis work Iacuteve studied the influence of annealing temperature over to rugosity

transmitance and cristallite size of ZnOCu 3 thin films The ZnOCu 3 thin films was

synthetisized over glass substrates by spray pyrolisys technique using zinc acetate

dyhidrate[119885119899(11986211986731198621198742)2 21198672119874] and copper chloride dyhidrate[1198621198972119862119906 21198672119874] as precursor

solutions mixed in ethanol The diffraction patterns of ZnOCu 3 thin films both without

annealing and annealed at 400 450 and 500 indicates that all samples are polycrystalline with

wurtzita hexagonal structure The preferred plane of growth was (002) decreasing the intensity of

its peak only in the sample annealed at 400 The crystallite size for the sample without annealing

was 2582 nm and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 1878 2633 and 2923 nm

respectively The images obtained by atomic force microscopy indicate that the average roughness

(Ra) increases with annealing temperature except for the sample annealed at 400 which

decreases Analyzes in the UV-Vis indicate that these films have high transmittance greater than

80 and that the absorbance is minimal The band gap for sample without annealing was 3256

eV and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 3256 3263 and 3257 eV respectively

Keywords Annealing temperature thin film spray pyrolysis polycrystalline average roughness

band gap

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IacuteNDICE GENERAL

PRESENTACIOacuteN iii

DEDICATORIA iv

AGRADECIMIENTOS v

RESUMEN vi

ABSTRACT vii

IacuteNDICE GENERAL viii

IacuteNDICE DE FIGURAS xii

Capiacutetulo 2 xii

Capiacutetulo 3 xii

Capiacutetulo 4 xiii

Capiacutetulo 5 xiv

Anexos xiv

IacuteNDICE DE TABLAS xvi

CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1

CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 5

21 Oacutexido de Zinc 5

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO 5

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23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO 7

24 El Cobre y Sus Propiedades 8

25 Dopado al Oacutexido de Zinc 9

CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE PELIacuteCULAS DELGADAS 12

31 Procesos Fiacutesicos 14

311 Evaporacioacuten teacutermica 14

312 Sputtering 15

32 Procesos Quiacutemicos 17

321 CVD 17

322 Sol-Gel 19

323 Rociado Piroliacutetico 20

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas 24

331 Modo de crecimiento capa por capa Δ120574 gt 0 26

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas 26

333 Modo de crecimiento por islas Δ120574 lt 0 26

CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO 27

41 Materiales Equipos e Instrumentos 27

42 Meacutetodo 30

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos 30

422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol 32

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol 38

44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten 40

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX) 40

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis) 43

443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) 47

CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 55

51 Difraccioacuten de Rayos X 55

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano 55

52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 59

521 Morfologiacutea y rugosidad 59

53 Espectrometriacutea UV-Vis 64

531 Transmitancia 64

532 Absorbancia y energiacutea del gap 65

CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES 69

CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS 70

REFERENCIAS 71

ANEXOS 77

ANEXO A 78

Valores Teoacutericos Del Zno 78

ANEXO B 79

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Caacutelculo de la distancia interplanar 79

Caacutelculo del paraacutemetro c 80

Caacutelculo del tamantildeo de grano 82

ANEXO C 84

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada 84

ANEXO D 86

Caacutelculo de los valores de Rugosidad 86

Muestra Sin Rec 86

Muestra Rec a 400 87

Muestra Rec a 450 87

Muestra Rec a 500 89

ANEXO E 90

Caacutelculo de la energiacutea del gap 90

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IacuteNDICE DE FIGURAS

Capiacutetulo 2

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn

de color gris oscurohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnOhelliphelliphelliphelliphellip8

Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles

de fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Capiacutetulo 3

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipohelliphelliphellip16

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica de para un proceso de CVDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

Figura 34 Ruta Quiacutemica para el proceso de Sol-Gelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

Figura 35 Esquema del equipo de Rociado Piroliacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes

isla y (c) por islashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

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Capiacutetulo 4

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

Figura 43 Sustratos en detergentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenicohelliphellip31

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en hornohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica33

Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip34

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphellip35

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula

delgada de ZnOCu 3 vol helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

Figura 411 Diagrama de flujo del Proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadashelliphelliphellip39

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del

sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta

con la superficie del sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitentehelliphelliphelliphelliphelliphellip52

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Capiacutetulo 5

Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con

recocidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip58

Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 ordmC c) rec a 450 ordmC y d) rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 c) rec a 450 y d) rec a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y

con recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con

recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para

la peliacutecula recocida a 400 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y

derecha para la peliacutecula recocida a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

Anexos

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b)

Imagen 3D del escaloacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84

Figura D1 a Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra sin rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

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Figura D2 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 400 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87

Figura D3 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 450 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88

Figura D4 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 500 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas

las peliacuteculashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91

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IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de valores para las propiedades estructuraleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

Tabla 2 Tabla de valores de las rugosidadeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

Tabla 3 Tabla de valores de la Energiacutea del Gaphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

Tabla 4 Tabla de datos de las alturas horizontales y verticaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 5 Tabla de valores del espesor de cada peliacuteculahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 6 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

Tabla 7 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87

Tabla 8 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88

Tabla 9 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

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CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN

Los materiales desarrollados a base de oacutexidos transparentes y conductores (por sus siglas en

ingleacutes TCOs) han recibido una gran aceptacioacuten en la comunidad cientiacutefica debido a sus muacuteltiples

aplicaciones en la industria optoelectroacutenica ya que sus propiedades de alta transparencia y baja

resistividad los hacen aptos para aplicaciones en celdas solares sensores de gases (Koumllble et al

2009) pantallas planas pantallas de cristal liacutequido ventanas electro-croacutemicas entre otros

Los TCOs son semiconductores que se caracterizan por tener altos valores de transmisioacuten oacuteptica

(~ 80 ) en el intervalo visible y bajas resistividades (lt 10minus3Ω119888119898) seguacuten Minami (2008)

Algunos de los oacutexidos metaacutelicos preparados en forma de peliacutecula delgada que son o pueden ser

utilizados como conductores transparentes son oacutexido de cadmio (119862119889119874) oacutexido de estantildeo (1198781198991198742)

ITO (11986811989921198743 119878119899) FTO (1198781198991198742 119865) y AZO (119885119899119874 119860119897)(Alamri amp Brinkman 2000)

Uno de los oacutexidos conductores transparentes comuacutenmente utilizados debido a su alta

transmitancia en el visible gt 80 y su baja resistividad del orden de 10minus4Ω119888119898 es el oacutexido de

indio dopado con estantildeo (ITO) seguacuten Minami (2008) Pero debido a la rareza del indio en la tierra

su costo es elevado Otro oacutexido conductor transparente que ha llamado fuertemente la atencioacuten es

el CdO que es un semiconductor degenerado porque los estados en el fondo de la banda de

conduccioacuten se encuentran ocupados por lo tanto presenta alta conductividad sin necesidad de ser

dopado (Bhosale Kambale Kokate amp Rajpure 2005)

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Sin embargo ya que el Cd es muy toacutexico la unioacuten europea a traveacutes de la directiva de restriccioacuten

de sustancias peligrosas lo catalogoacute entre los 6 elementos restringidos para su uso en dispositivos

eleacutectricos y optoelectroacutenicos Debido a esta restriccioacuten es necesario buscar otras alternativas una

de ellas es el ZnO ya que presenta alta conductividad eleacutectrica seguacuten Jeon Park Yoo amp Boo

(2007) altos valores de transmitancia en la regioacuten visible del espectro electromagneacutetico (Hirata et

al 1996) bajo costo alta disponibilidad y no toxicidad

El oacutexido de Zinc es reconocido como un semiconductor porque tiene un ancho de banda de 337

eV a temperatura ambiente posee una gran energiacutea libre de unioacuten de excitones alta estabilidad

propiedades fiacutesicas oacutepticas etc (Benharrats Zitouni Kadri y Gil 2010)

Una peliacutecula delgada se encuentra en el rango de 1 119886 100 119899119898 (Loacutepez et al 2013) Para que

una peliacutecula delgada sea considerada como eficaz debe ser quiacutemicamente estable en el entorno a

usar debe adherirse bien a la superficie que cubre (sustrato) debe tener un espesor uniforme y

debe tener una baja densidad de imperfecciones (Leoacuten 2014)

Dentro de los diversos meacutetodos para obtener peliacuteculas delgadas tenemos el de rociado piroliacutetico

que puede ser maacutes barato simple y versaacutetil a comparacioacuten de otros meacutetodos Las propiedades de

las peliacuteculas rociadas pueden faacutecilmente adaptarse para las aplicaciones requeridas

Adicionalmente tambieacuten es un meacutetodo de deposicioacuten adecuado cuando se necesitan peliacuteculas de

grandes aacutereas (Rahmani et al 2009)

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El meacutetodo de rociado piroliacutetico es un proceso en el cual una peliacutecula delgada es depositada

mediante el rociado de una solucioacuten en una superficie caliente donde los constituyentes reaccionan

para formar un compuesto quiacutemico Los reactantes quiacutemicos son seleccionados de tal forma que

los productos distintos al del compuesto deseado sean volaacutetiles a la temperatura de deposicioacuten

(Mooney amp Rading 1982)

Las caracteriacutesticas estructurales eleacutectricas y oacutepticas de las peliacuteculas delgadas de ZnO han sido

ampliamente investigadas mientras que el efecto del dopado sobre estas propiedades auacuten estaacuten

siendo estudiadas (Rozati 2008 Caglar Ilikan y Caglar 2009) Las peliacuteculas de ZnO pueden

doparse con Al3+ (Sahay amp Nath 2008) Sn4+ y Sn5+ (Bedia et al 2014) F1- Cu1+ Ag1+ Ga3+

In3+ (Liu Avrutin Izyumskaya Oumlzguumlr y Morkoccedil 2010)

Elegir el Cu como dopante para las peliacuteculas delgadas de ZnO es una buena opcioacuten ya que

influye en las propiedades oacutepticas estructurales quiacutemicas y eleacutectricas del ZnO y el estudio del

estado electroacutenico del Cu en ZnO ha venido siendo el tema de intereacutes por mucho tiempo ya que

son uno de los componentes principales en celdas fotovoltaicas (Bunyod 1946)

El efecto de la temperatura de recocido sobre las peliacuteculas delgadas de ZnOCu estaacute siendo

estudiada minuciosamente debido a que se han reportado casos en los cuales disminuye la banda

del gap y aumenta el esfuerzo a medida que aumenta dicha temperatura (Jijoy Varguese amp

Mathew 2015)

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En el presente trabajo de investigacioacuten se realizoacute la siacutentesis de peliacuteculas delgadas de ZnOCu

3 por el meacutetodo de rociado piroliacutetico sobre un sustrato de vidrio a una temperatura de 300 ordmC y

luego sometida a temperaturas de recocido entre 400- 500 ordmC La caracterizacioacuten de las peliacuteculas

antes y despueacutes del recocido se realizoacute mediante DR-X UV-Vis y AFM

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CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO

21 Oacutexido de Zinc

El oacutexido de zinc es un compuesto inorgaacutenico relativamente abundante quiacutemicamente estable

y no toacutexico es insoluble en agua pero soluble en aacutecidos y bases diluidas su punto de fusioacuten es de

1975 ordmC temperatura a la que tambieacuten se descompone es un semiconductor formado por los

elementos del grupo-II ( 119885119899)30 y el grupo-VI ( 1198748

) El zinc tiene cinco isoacutetopos estables de los

cuales los maacutes comunes son el zinc 64 (4889 ) zinc 66 (2781 ) y el zinc 68 (1857 )

mientras que el oxiacutegeno consiste casi puramente en el isoacutetopo de oxiacutegeno 16 (9976 ) seguacuten

Loacutepez Castro Molina y Arbey (2011)

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO

Cada aacutetomo de zinc se encuentra rodeado por un tetraedro de 4 aacutetomos de oxiacutegeno y viceversa

tal y como se muestra en la figura 21 formando de esta manera una combinacioacuten alternada de

planos de aacutetomos oxiacutegeno y de planos de aacutetomos de zinc las cuales se encuentran a lo largo del

eje c con un desplazamiento entre ellos de 038c siendo c su paraacutemetro de red en la direccioacuten

vertical Los valores de los paraacutemetros de red para dicho material en condiciones normales de

presioacuten y temperatura son a = 032495 nm y c = 052069 nm (Hernaacutendez 2014)

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Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn de color gris oscuro

(Fuente Hernaacutendez)

Su estructura puede describirse como un nuacutemero de planos alternantes que estaacuten compuestos

por iones de oxiacutegeno 1198742minus e iones de zinc 1198851198992+ que se encuentran alternados en el eje c esta

estructura tetraeacutedrica es la que le confiere su baja simetriacutea y lo que resulta en sus propiedades de

piezoelectricidad (Hernaacutendez 2014)

Otra importante caracteriacutestica del ZnO es su superficie polar siendo la maacutes comuacuten la del plano

basal Los iones de zinc y oxiacutegeno generan superficies cargadas positiva para (119885119899 minus (0001)) y

negativa para (119874 minus (0001)) lo que resulta en un momento dipolar normal y una polarizacioacuten

espontaacutenea La estabilidad de la superficie polar 119885119899119874 plusmn (0001) es materia de estudio tambieacuten es

atoacutemicamente plana y estable sin reconstruccioacuten (Hafdallah et al 2018 Zhon 2004)

El zinc tiene una configuracioacuten electroacutenica (1119904)2(2119904)2(2119901)6(3119904)2(3119901)6(3119889)10(4119904)2 mientras

que la configuracioacuten electroacutenica del oxiacutegeno es (1119904)2(2119904)2(2119901)4 El enlace de ZnO en su red

cristalina involucra una hibridacioacuten 1199041199013 de los estados electroacutenicos lo cual lleva a cuatro orbitales

equivalentes en una geometriacutea tetraeacutedrica En el cristal semiconductor resultante los estados de

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enlace 1199041199013 constituyen la banda de valencia mientras que la banda de conduccioacuten se origina de su

contraparte de anti-enlace seguacuten Deinert (2016)

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO

Estructuralmente el oacutexido de zinc tiene tres tipos de direcciones raacutepidas de crecimiento las

cuales son lang2110rang ( plusmn[2110] plusmn[1210] plusmn[1120] ) lang0110rang ( plusmn[0110] plusmn[1010]

plusmn[1100] ) y plusmn[0001] El ZnO exhibe un amplio rango de nuevas estructuras que pueden ser

desarrolladas ajustando las tasas de crecimiento a lo largo de esas direcciones Uno de los mayores

factores que determinan la morfologiacutea implican las actividades superficiales relativas de diversas

facetas de crecimiento bajo condiciones dadas Macroscoacutepicamente un cristal tiene diferentes

paraacutemetros cineacuteticos para diferentes planos del cristal los cuales son controlados bajo condiciones

de crecimiento Asiacute despueacutes de un periodo inicial de incubacioacuten y nucleacioacuten un cristalito

comuacutenmente se convertiraacute en un objeto tridimensional bien definido con caras cristalograacuteficas de

bajo iacutendice La figura 2 de a) al c) muestran unas morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento en una

dimensioacuten para el ZnO dichas estructuras tienden a maximizar las aacutereas de las caras (2110) y

(0110) debido a la maacutes baja energiacutea y la morfologiacutea mostrada en la parte d) es dominada por las

superficies polares las cuales pueden ser crecidos mediante la introduccioacuten de defectos planares

paralelos a las superficies polares Los defectos planares y gemelos son observados ocasionalmente

paralelos al plano (0001) pero rara vez se pueden observar dislocaciones (Zhon 2004)

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Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnO (Fuente Zhon)

24 El Cobre y Sus Propiedades

El cobre con nuacutemero atoacutemico 29 y peso atoacutemico de 6354 exhibe una estructura cristalina cuacutebica

centrada en las caras El cobre es un elemento de transicioacuten y al ser un metal noble tiene

propiedades inherentes similares a las de la plata y el oro Tambieacuten posee excelente conductividad

maleabilidad resistencia a la corrosioacuten y biofuncionalidad El cobre tiene alta solubilidad para

otros elementos tales como el niacutequel el zinc el estantildeo y el aluminio Esta solucioacuten soacutelida de la

fase alfa (120572) es la responsable de la alta ductilidad exhibida para aleaciones de cobre Las adiciones

maacutes allaacute del liacutemite de solubilidad resultan en la fase beta (120573) la cual exhibe una estructura cuacutebica

de cuerpo centrado esta fase beta tiene alta estabilidad de temperatura y las aleaciones que exhiben

una estructura 120572 + 120573 tienen una excelente capacidad de formacioacuten en caliente La densidad del

cobre es 889 1198921198881198983 y su punto de fusioacuten es 1083 Seguacuten American Society For Testing

Materials la cual es revisada anualmente

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25 Dopado al Oacutexido de Zinc

Los elementos del grupo IB como el cobre la plata y el oro no parecen de tanto intereacutes como

sus contrapartes del grupo IA y VA pero actualmente se vienen trabajando con estos elementos

ya que cambian las propiedades del ZnO esto podriacutea significar que una sustitucioacuten con zinc podriacutea

resultar un defecto de aniquilador de electrones Aunque estos pueden ser considerados costosos

la plata y el cobre podriacutea ser una alternativa maacutes econoacutemica en comparacioacuten con otros elementos

que han sido usados como dopantes al fin de cuentas estas poseen una conductividad uacutenica

(Wolgamott 2017)

Las figuras 23 24 y2 5 muestran las energiacuteas de formacioacuten por defecto para el ZnO dopado

con cobre plata y oro estas cifras junto con un caacutelculo hecho por Yan Al-Jassim ampWei (2006)

muestran que bajo condiciones ricas en oxiacutegeno los elementos del grupo IB tienen una baja energiacutea

de formacioacuten para la sustitucioacuten del zinc Esta misma condicioacuten rica en oxiacutegeno tambieacuten suprime

la formacioacuten de defectos nativos en el agujero de perforacioacuten aumentando asiacute la posibilidad de

una peliacutecula delgada de ZnO dopado del tipo p (Wolgamott 2017)

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Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

El cobre y la plata ofrecen una mejor ruta para la reproduccioacuten de peliacuteculas delgadas de ZnO

del tipo p El dopaje con nitroacutegeno solo es favorable en condiciones ricas en zinc esto aumenta la

probabilidad de que se formen defectos por la formacioacuten de agujeros para compensar Para

ajustarse a esto teacutecnicas de procesamiento novedoso y no equilibrado deben ser usadas esta

dificultad aumenta los costos de procesamiento y reduce la reproduccioacuten de tales (Wolgamott

2017)

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Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

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CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE

PELIacuteCULAS DELGADAS

Una variedad de teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas han sido empleadas para el

depoacutesito de oacutexidos conductores trasparentes tales como el oacutexido de estantildeo (SnO2) dopado con

antimonio (SnO2 ∶ Sb) o con fluorina (SnO2 ∶ F) el oacutexido de indio(In2O3) dopado con estantildeo

(In2O3 ∶ Sn) el oacutexido de zinc (ZnO) dopado con indio (ZnO ∶ In) Ya que el transporte oacuteptico y

eleacutectrico en estas peliacuteculas depende fuertemente de su estequiometria su microestructura y de la

naturaleza de las impurezas presentes por lo tanto cada teacutecnica de deposicioacuten con los paraacutemetros

asociados produce peliacuteculas con diferentes propiedades Dependiendo de queacute teacutecnica de

deposicioacuten se use el sustrato influiraacute significativamente en las propiedades de las peliacuteculas Los

sustratos de vidrio son los de uso comuacuten para estos procesos Los procesos a baja temperatura tales

como la pulverizacioacuten catoacutedica con magnetroacuten la pulverizacioacuten ioacutenica con haz de iones y el

recubrimiento ioacutenico reactivo permiten la deposicioacuten de las peliacuteculas de oacutexido sobre el sustrato de

poliacutemero como el plaacutestico Mylar y poly (Teraftalato de etileno) Seguacuten Waal amp Simons (1981)

el coeficiente de expansioacuten teacutermica del sustrato afecta las propiedades eleacutectricas de las peliacuteculas

especialmente en procesos como los de rociado piroliacutetico y de inmersioacuten en los cuales las tensiones

intriacutensecas son inducidas dentro de la peliacutecula El coeficiente de expansioacuten teacutermica influye en la

orientacioacuten preferente del cristalito en las peliacuteculas de ZnO (Ghandhi Field amp Shealy 1980)

El proceso que implica deposiciones a altas temperaturas el efecto de la difusioacuten de iones

alcalinos desde el sustrato de vidrio hacia la peliacutecula se vuelve extremadamente importante (Kane

Schweizer amp Kern 1976) Los cationes actuacutean como agentes dopantes de tipo-p y compensan los

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donantes nativos El problema es grave en los sustratos de vidrio Soda-lime los cuales tienen un

alto contenido en sodio alrededor del 10-15 peso 1198731198862119874 En La figura 31 podemos observar

los tipos de procesos para la obtencioacuten de peliacuteculas delgadas

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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31 Procesos Fiacutesicos

311 Evaporacioacuten teacutermica

Peliacuteculas delgadas de IO (oacutexido de indio) (Pan amp Ma 1980) ITO (oacutexido de indio dopado con

estantildeo) (Mizuhashi 1980) y ZnO (Wang et al 2005) han sido depositadas por evaporacioacuten

teacutermica o por haz de electrones de fuentes de oacutexido Debido a su alto punto de fusioacuten el TO

(oacutexido de estantildeo) ha sido depositado por haz de electrones (Mizuhashi 1980) Cuando los oacutexidos

puros o mixtos se evaporan se reducen y forman peliacuteculas opacas de oacutexidos inferiores Por lo tanto

los oacutexidos transparentes conductores son obtenidos por post-oxidacioacuten de peliacuteculas inferiores o

por introduccioacuten del oxiacutegeno durante la evaporacioacuten (Ruumlcker amp Becker 1978)

La cineacutetica de oxidacioacuten de sub-oacutexidos la dependencia de la resistividad y la transmisioacuten en el

sustrato y las temperaturas de oxidacioacuten han sido estudiadas para peliacuteculas de ITO (Mizuhashi

1980) La opacidad de las peliacuteculas depositadas ha sido atribuida a la presencia de indio libre en

una matriz de In2O3 que resulta de la reduccioacuten de especies de In2O que estaacuten presentes en la

fase de vapor

La post-oxidacioacuten del indio libre es a traveacutes de un proceso controlado por difusioacuten y las

propiedades eleacutectricas y oacutepticas finales de las peliacuteculas estaacuten determinadas por las tasas relativas

de oxidacioacuten y difusioacuten del indio (Mizuhashi 1980)

En el caso de la oxidacioacuten durante la deposicioacuten la temperatura del sustrato y la presioacuten parcial

de oxiacutegeno son los principales paraacutemetros de control para el proceso que han sido estudiados por

Mizuhashi (1980) que obtuvo peliacuteculas de ITO de buena calidad con una presioacuten parcial de

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oxiacutegeno de 10minus4 Torr y una temperatura de sustrato de 400 con una tasa de deposicioacuten de

aproximadamente 50 Å 119898119894119899minus1 para el O2 puro

De lo anterior se puede concluir que para obtener peliacuteculas altamente transparentes y

conductoras por evaporacioacuten es necesario que la presioacuten parcial del oxiacutegeno sea alta (suficiente

para oxidar casi todo el indio) que la temperatura del sustrato sea la adecuada y que la tasa de

evaporacioacuten sea raacutepida (para suprimir la disociacioacuten de In2O3)

312 Sputtering

El Sputtering o pulverizacioacuten catoacutedica es una de las teacutecnicas maacutes usadas para la deposicioacuten de

peliacuteculas conductoras transparentes Esta teacutecnica se basa esencialmente en un bombardeo intenso

de un material con iones producidos en una descarga eleacutectrica en forma de plasma cuando la

energiacutea de los iones incidentes es suficientemente elevada entonces la interaccioacuten con la superficie

del material a traveacutes de intercambio de momento cineacutetico hace que los aacutetomos de la superficie

sean arrancados para pasar a la fase de vapor La figura 32 muestra un esquema de las etapas del

proceso El caacutetodo el cual estaacute conectado a la terminal negativa de la fuente de alimentacioacuten estaacute

formado por el material a evaporar que tambieacuten es llamado blanco o sputtering target estaacute

sometido al bombardeo intenso de los iones positivos de la descarga una vez que son acelerados

desde el plasma como consecuencia de la caiacuteda de potencial asociada El bombardeo de los iones

produce no solo el efecto de sputtering o pulverizacioacuten del blanco sino tambieacuten la emisioacuten de

electrones secundarios que son acelerados hacia el plasma Una vez en el plasma estos electrones

tienen la energiacutea suficiente para producir nuevos iones mediante procesos de ionizacioacuten en cascada

por impacto con los aacutetomos del gas compensando asiacute la perdida de carga producida por colisiones

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de las especies cargadas en las paredes de la caacutemara de vaciacuteo Se dice que la descarga es auto

mantenida (Aacutelvaro 2014)

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipo (Fuente Aacutelvaro)

El gas de la descarga suele ser un gas inerte de masa elevada con el objeto de aumentar la

transferencia del momento cineacutetico a los aacutetomos del blanco por razones de precio en la mayoriacutea

de las aplicaciones el gas utilizado es argoacuten con una masa atoacutemica de 40 los sustratos a recubrir

estaacuten colocados sobre el aacutenodo aunque se pueden situar sobre un soporte auxiliar frente al caacutetodo

El electrodo que actuacutea de aacutenodo suele estar conectado al potencial de tierra junto con la caacutemara

de vaciacuteo por razones de seguridad A diferencia de la teacutecnica de evaporacioacuten teacutermica la trayectoria

de las partiacuteculas pulverizadas no es rectiliacutenea ya que a presiones de trabajo alrededor de

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10minus3 mbar el recorrido libre medio es del orden de unos pocos mm Los aacutetomos evaporados

pueden alcanzar al sustrato desde cualquier direccioacuten despueacutes de sufrir una serie de colisiones en

la atmosfera de sputtering en las cuales sufren una peacuterdida de su energiacutea inicial Por lo tanto los

problemas de direccionalidad y los de homogeneidad del espesor de la capa depositada son

menores que en la evaporacioacuten teacutermica Al mismo tiempo los aacutetomos del gas inerte y la radiacioacuten

procedente del plasma tambieacuten interaccionan con la superficie de los sustratos produciendo

efectos laterales De hecho existe la posibilidad de que aacutetomos del gas inerte puedan contaminar

la capa depositada en el sustrato al quedar atrapados en su interior durante el crecimiento (Aacutelvaro

2014)

32 Procesos Quiacutemicos

321 CVD

La deposicioacuten quiacutemica por vapor (Chemical Vapor Deposition) es un proceso antiguo que data

del 1800 En este tiempo esta teacutecnica fue usada principalmente para producir materiales

refractores de alta pureza tales como el zirconio y el titanio Despueacutes de la segunda guerra mundial

los investigadores comenzaron a darse cuenta de las ventajas potenciales que ofreciacutea el CVD

Esta teacutecnica consiste en la deposicioacuten por vapor sobre una superficie caliente Esto pertenece a

las teacutecnicas de transferencia de vapor Con esta teacutecnica la liacutenea de visioacuten con la superficie de

recubrimiento no es necesaria por lo tanto permite la deposicioacuten en superficies complejas tambieacuten

posee una alta tasa de deposicioacuten y puede ser usado para recubrimientos gruesos esto permite la

co-deposicioacuten de los elementos y no requiere de un proceso de alto vaciacuteo

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La figura 33 muestra un CVD tiacutepico El primer paso es la activacioacuten teacutermica de los precursores

quiacutemicos para formar el vapor este a su vez es transportado a traveacutes de una caacutemara caliente en

donde el sustrato estaacute colocado en esta caacutemara la reaccioacuten gaseosa ocurre y los reactantes son

depositados en la superficie del sustrato con lo cual resulta la formacioacuten de la peliacutecula Los

subproductos volaacutetiles son desorbidos desde la peliacutecula y removidos de la caacutemara por medio de la

conveccioacuten

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica para un proceso de cvd (Fuente En liacutenea)

Un proceso tiacutepico de CVD requiere de temperaturas altas que la reaccioacuten de fase gaseosa ocurra

esto no soacutelo aumenta los costos de proceso sino que tambieacuten limita los tipos de sustratos donde la

peliacutecula delgada puede ser depositada Los precursores quiacutemicos con alta presioacuten de vapor que se

necesitan para el CVD son en su mayoriacutea toacutexicos y peligrosos para trabajar con ellos Finalmente

los subproductos de la reaccioacuten gaseosa que no permanecen en el sustrato pueden ser toacutexicos e

incluso corrosivos La neutralizacioacuten de estos subproductos implicariacutea un aumento del costo de

produccioacuten

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322 Sol-Gel

Esta teacutecnica de crecimiento es un proceso quiacutemico huacutemedo realizado a bajas temperaturas que

permite fabricar materiales amorfos y poli cristalinos estos uacuteltimos se obtienen despueacutes de un

tratamiento teacutermico En el meacutetodo Sol-Gel se puede controlar la composicioacuten quiacutemica estructura

cristalina y morfologiacutea superficial de las peliacuteculas ajustando los paraacutemetros de procesamiento tales

como relacioacuten molar entre los reactivos cantidad y naturaleza de los precursores disolventes

catalizadores aditivos e impurificantes Este proceso sigue la ruta quiacutemica que muestra en la figura

34 este parte de una solucioacuten inicial compuesta por un alcoacutexido metaacutelico por agua y por un

disolvente al que se le agrega un catalizador que puede ser tanto aacutecido como baacutesico Las reacciones

de hidroacutelisis y condensacioacuten se desencadenan a fin de sintetizar una suspensioacuten coloidal de

partiacuteculas soacutelidas o cuacutemulos en un liacutequido llamado Sol A medida que la reaccioacuten continua aumenta

la viscosidad de la solucioacuten hasta la forma del Gel el cual estaacute constituido de dos partes una soacutelida

que corresponde a las partiacuteculas de oacutexido y una liacutequida que es el disolvente inicial del Sol Luego

de esto se inicia un periodo de secado en condiciones normales de presioacuten y temperatura en el cual

se lleva a cabo la eliminacioacuten del disolvente y del agua residual de tal modo que el Gel se encogeraacute

obtenieacutendose un xerogel Al teacutermino del tiempo de secado generalmente se tienen disolventes y

agua para solucionar esto se somete a un tratamiento teacutermico (Ramiacuterez 2015)

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Figura 34 Ruta quiacutemica para el proceso de sol-gel (Fuente Ramiacuterez)

323 Rociado Piroliacutetico

Esta teacutecnica consiste en la pulverizacioacuten de una solucioacuten que contiene los iones metaacutelicos del

oacutexido que se quiere producir sobre un sustrato que se encuentra a una temperatura elevada El

precursor del material a ser fabricado se disuelve en metanol o etanol esta solucioacuten denominada

solucioacuten precursora es transformada en partiacuteculas muy finas mediante un nebulizador formando

una especie de vapor la solucioacuten nebulizada se transporta hacia el sustrato caliente con ayuda de

un gas portador (aire comprimido) de tal manera que llega al sustrato en forma de gota pequentildea

La pirolisis se produce en la superficie caliente del sustrato dando lugar a la peliacutecula delgada como

producto de la descomposicioacuten del compuesto quiacutemico por accioacuten del calor los componentes

reactivos de la solucioacuten precursora se seleccionan de tal modo que los productos de la reaccioacuten

quiacutemica que no intervienen en la formacioacuten de la peliacutecula sean volaacutetiles a la temperatura de trabajo

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Esto requiere del anaacutelisis del precursor quiacutemico tanto de la fase liacutequida como de la fase gaseosa

y una exploracioacuten de las reacciones superficiales que llevan a la formacioacuten de la peliacutecula delgada

En este proceso de fabricacioacuten de peliacuteculas delgadas un factor muy importante es la uniformidad

del tamantildeo de las gotas generadas

Cuando el vapor de la solucioacuten se aproxima al sustrato en condiciones ideales se espera que el

solvente se vaporice totalmente provocando la descomposicioacuten de los componentes no volaacutetiles

(Leoacuten 2014) En la figura 35 se muestra un esquema del equipo detallando cada parte

componente del mismo

Figura 35 Esquema del equipo de rociado piroliacutetico (Fuente Acosta amp Magantildea)

Piroacutelisis La reaccioacuten piroliacutetica la cual determina la cineacutetica del depoacutesito se efectuacutea cuando el

rociacuteo entra en contacto con el sustrato caliente y seguacuten el tamantildeo de las gotas se produciraacute

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diferentes procesos dependientes del comportamiento teacutermico de las gotas A continuacioacuten se

detallan 4 procesos diferentes seguacuten el tamantildeo de la gota

Gotas de tamantildeo muy pequentildeo

La reaccioacuten se completa durante el transporte antes de llegar al sustrato y se produce un polvo

del material sobre el sustrato la facilidad de este proceso es que puede ser faacutecilmente removido

Gotas de tamantildeo ideal

El solvente pasa a la fase gaseosa completamente antes de alcanzar el sustrato las partiacuteculas

precipitadas se fusionan vaporizan y se difunden sobre la superficie del sustrato En este proceso

las partiacuteculas producidas sufren procesos de adsorcioacuten difusioacuten superficial reaccioacuten de

nucleacioacuten por lo tanto determinan el crecimiento del recubrimiento El resto de los productos de

la reaccioacuten se volatilizan y se difunden fuera del sustrato

Gotas de tamantildeo mediano

El solvente de las gotas se vaporiza al llegar al sustrato dejando partiacuteculas precipitadas de los

reactantes los cuales se fusionan en la superficie del sustrato y causan enfriamiento localizado

obtenieacutendose recubrimientos de baja calidad

Gotas de tamantildeo grande

La energiacutea teacutermica absorbida por la gota durante el transporte al sustrato no es suficiente para

que el solvente se pueda evaporar por completo El solvente residual se evaporaraacute en el sustrato

formando estructuras no homogeacuteneas

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Para lograr la selectividad de las gotas que llegaraacuten al sustrato se graduacutea la longitud entre lo

boquilla y el sustrato Considerando que la fuerza gravitacional es proporcional a 1199033 siendo r el

radio de la gota Las gotas de radios mayores al valor criacutetico no pueden ser transportadas por el

gas portador y por lo tanto regresan al nebulizador En las cercaniacuteas del sustrato se forma una

niebla de la solucioacuten con una distribucioacuten uniforme de gotas de tamantildeo pequentildeo requisito

importante para la obtencioacuten de recubrimientos delgados de buena calidad

Las fuerzas que determinan el recorrido de las gotas por la tobera son la gravitacional y la fuerza

de Stokes debido a la friccioacuten entre la gota y las moleacuteculas de aire seguacuten Silva (2013)

119917119956 = 120788120645120636119955(119959119941 + 119959119938) [120783 +120785

120790119929119942] 120784 120783

119917 = 119950119944 120784 120784

En donde 120578 es la viscosidad de la gota 119903 es el radio de la gota 119907119889 es la velocidad de la gota 119907119886

es la velocidad del aire y 119877119890 es el nuacutemero de Reynolds

El nuacutemero de Reynolds para partiacuteculas esfeacutericas en un flujo gaseoso es

119929119942 = 120784119955(119959119941 + 119959119938)

120636120633119938 120784 120785

En donde 120575119886 es la densidad del aire

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Cuando estas dos fuerzas alcanzan el equilibrio (119865 = 119865119904) las gotas viajan con velocidad

constante denominada velocidad liacutemite (119907119889119897) Al resolver la ecuacioacuten cuadraacutetica que nos da el

igualar las ecuaciones 21 y 22 tenemos

119959119941119949 = minus (119939

120784) + (

119939120784

120786minus 119940)

120783120784

120784 120786

En donde

119939 =120786120636

120785119955120633119938minus 120784119959119938 119962 119940 = 119959119938

120784 minus120786120636

120785119955120633119938119959119938 + (120633(119931) +

119924119956119924

120783120782120785)

120790119955

120784120789120633119938

Siendo 120575(119879) la densidad del solvente a temperatura T 119872119904 el peso molar del soluto y M la

molaridad de la solucioacuten (Leoacuten 2014)

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas

Los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas en sus etapas iniciales se

pueden ver en la figura 36 una vez que la partiacutecula se ha condensado de la fase gaseosa puede

inmediatamente re-evaporarse o difundirse sobre la superficie este proceso de difusioacuten puede

conducir a la adsorcioacuten especialmente en sitios como orillas y otros defectos (M Peacuterez 2005)

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Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas delgadas (Fuente M

Peacuterez)

Las energiacuteas de activacioacuten para la adsorcioacuten y difusioacuten dependen de los detalles atoacutemicos del

proceso en particular y la nucleacioacuten de maacutes de una partiacutecula adsorbida puede ocurrir En equilibrio

termodinaacutemico todos los procesos ocurren o proceden en dos direcciones opuestas a la misma

rapidez Por lo tanto en el equilibrio no hay un crecimiento neto de una partiacutecula y por lo tanto el

crecimiento del cristal debe ser un proceso cineacutetico de no equilibrio Desde un enfoque

fenomenoloacutegico existen tres modos diferentes del crecimiento de peliacuteculas como se observa en la

figura 37 (M Peacuterez 2005)

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes isla y (c) por islas

(Fuente M Peacuterez)

El crecimiento de peliacuteculas delgadas es descrito por minimizacioacuten de la energiacutea libre superficial

de la capa superior (120574119904119906119901) del sustrato (120574119904) y de la energiacutea libre de la interfase (120574119894119899119905) el cual

estaacute descrito por Δ120574 = 120574119904 minus 120574119904119906119901 minus 120574119894119899119905 (Leoacuten 2014 Aacutelvaro 2014)

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331 Modo de crecimiento capa por capa (120491120632 gt 120782)

Donde la interaccioacuten entre el sustrato y los aacutetomos de las capas es maacutes fuerte que entre los

mismos aacutetomos de las capas (Leoacuten 2014)

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas

Corresponde a un caso intermedio despueacutes de la formacioacuten de una o de muchas mono-capas

completas ocurre la formacioacuten de islas El crecimiento de islas 3D crece sobre la primera o la

uacuteltima mono capa (Leoacuten 2014 Ramiacuterez 2015)

333 Modo de crecimiento por islas (120491120632 lt 120782)

Es el caso en el que la interaccioacuten entre los aacutetomos que conforman las peliacuteculas es maacutes fuerte

(Leoacuten 2014)

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CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO

Realizar la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas sobre el sustrato requiere una cuidadosa

optimizacioacuten La siacutentesis de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se realizoacute por el meacutetodo de rociado

piroliacutetico con paraacutemetros optimizados como son la molaridad del precursor la temperatura del

sustrato la presioacuten de aire del compresor el flujo de aire y la distancia de la boquilla al sustrato

El objetivo de este trabajo de tesis fue analizar el efecto de la temperatura de recocido en un

rango de 400 minus 500 sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

En este capiacutetulo se detalla el procedimiento que se utilizoacute para la siacutentesis de las peliacuteculas

delgadas La limpieza del sustrato tambieacuten es una parte importante en la fabricacioacuten de las peliacuteculas

delgadas ya que es en donde se realizaraacute el depoacutesito y por lo tanto debe encontrarse libre de

impurezas y grasa

41 Materiales Equipos e Instrumentos

Como sustrato en donde se depositoacute la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se usoacute un vidrio

(Figura 41) con un aacuterea de 762 times 254 1198981198982

Para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol se utilizaron como precursores el Acetato de Zinc

Dihidratado [119885119899(1198621198673119862119874119874)2 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995) el Cloruro de Cobre

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dihidratado [1198621199061198621198972 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995 ) y como solvente etanol absoluto

[C2H5OH] del laboratorio Merck (998)

Para la limpieza de los sustratos se utilizoacute un agitador ultrasoacutenico (figura 42) y un horno

eleacutectrico marca Oster (119879119898aacute119909 = 400 )

Para lograr la uniformidad al momento de mezclar los materiales precursores se utilizoacute un

agitador magneacutetico (Hot Plate Stirring VWR)

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearl (Fuente Elaboracioacuten Propia)

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Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratos (Fuente Elaboracioacuten propia)

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42 Meacutetodo

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos

Para una buena deposicioacuten de la peliacutecula el sustrato a utilizar debe estar libre de impurezas

asegurando una oacuteptima adherencia

El proceso de limpieza de los sustratos empezoacute por la colocacioacuten de eacutestos en un depoacutesito que

conteniacutea agua potable y detergente marca Ariel por un tiempo de 5 minutos (Figura 43) luego se

trasladoacute a otro depoacutesito que conteniacutea aacutecido niacutetrico [1198671198731198743] al 65 durante 15 minutos en seguida

se procedioacute a enjuagarlos con agua ultrapura despueacutes se colocoacute en recipiente que conteniacutea agua

ultrapura y fueron puestos en el agitador ultrasoacutenico por 15 minutos (Figura 44) Pasado este

tiempo se retiraron los sustratos y se colocaron dentro del horno marca Oster por 10 min a 205

(Figura 45)

Figura 43 Sustratos en detergente (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenico (Fuente Elaboracioacuten propia)

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en horno (Fuente Elaboracioacuten propia)

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422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

Preparacioacuten de la solucioacuten precursora

Para la preparacioacuten de la solucioacuten se calculoacute la cantidad en gramos que debemos tener del

precursor en nuestro caso el acetato de zinc di-hidratado Para ello se utilizoacute la siguiente foacutermula

119950(119944) = 119924 times 119917119934 times 119933119952119949(119930119952119949 ) times 119927119958119955119942119963119938 120786 120783

Doacutende

m (g) Masa en gramos del precursor

M Molaridad (molLitro)

FW masa molar (gmol)

Vol (Sol) Volumen de la solucioacuten (Litros)

Pureza Porcentaje de pureza del precursor

La masa molar del acetato de zinc di-hidratado es de 21949 gmol el volumen de etanol que

se preparoacute fue 0020 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120784120783120791 120786120791

119944

119950119952119949) (120782 120782120784120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120786120785120790120789120788

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La masa del precursor fue medida con una balanza analiacutetica marca Mettler Toledo (plusmn01 119898119892)

ver figura 46

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica (Fuente Elaboracioacuten propia)

En un recipiente se mezclaron la masa medida del acetato de zinc di-hidratado y los 20 ml de

etanol que llamaremos mezcla 1

Para lograr uniformidad en la solucioacuten esta fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a una

temperatura de 60 durante 2 h (Figura 47) resultando transparente y homogeacutenea

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Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

La masa molar del cloruro de cobre di-hidratado es de 17048 gmol el volumen que se preparoacute

fue 0010 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120783120789120782 120786120790

119944

119950119952119949) (120782 120782120783120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120783120789120782120785120791

La masa de los precursores fue medida nuevamente con la balanza analiacutetica marca Mettler

Toledo (plusmn01 119898119892)

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En otro recipiente se combinaron la masa medida del cloruro de cobre dihidratado y los 10 ml

de etanol que llamaremos mezcla 2 luego fue colocado en el agitador magneacutetico a temperatura

ambiente durante 15 min

Despueacutes de haber agitado magneacuteticamente cada precursor en otro recipiente se colocoacute 194 ml

de la mezcla 1 y se le agregoacute 06 ml de la mezcla 2 de tal forma que se pueda tenerse una

proporcioacuten 119881119900119897119862119906

119881119900119897119885119899= 3 A esta nueva solucioacuten llamaremos mezcla 3

Para lograr uniformidad la nueva solucioacuten fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a

temperatura ambiente durante 15 min (Figura 48) para lograr su homogeneidad

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Proceso de siacutentesis

Para la obtencioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se utilizoacute el equipo de rociado

piroliacutetico que se encuentra en la seccioacuten de Nanociencia y Nanomateriales del Laboratorio de

Fiacutesica de Materiales ldquoDr Lennart Haselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo ver figura

49

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3

vol (Fuente Elaboracioacuten propia)

Este equipo de rociado piroliacutetico utilizado en la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas consiste de

los siguientes componentes Compresor de aire (1) Controlador de presioacuten en el rango de 0 ndash 80

psi (2) Controlador de flujo de aire en el rango de 1 ndash 15 Lmin (3) Caacutemara de vidrio (4)

Termoacutemetro (5) Nebulizador (6) Boquilla o Tobera (7) Platea caliente (8) Soporte universal (9)

Dispositivo moacutevil con una rapidez de 2311990910minus3 119888119898 119904frasl (10) Fuente de alimentacioacuten DC de 0 ndash 12

V (11) Fuente de alimentacioacuten AC de 0- 40 V (12) y Termocupla y controlador de temperatura en

el rango de 0 minus 500 (13)

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Sobre el nebulizador se colocoacute una tobera de vidrio piacuterex por la que ascienden las gotas maacutes

pequentildeas hasta llegar al sustrato caliente sobre el cual se produjo el proceso de piroacutelisis El

conjunto nebulizador y tobera estaacute acoplado a un dispositivo moacutevil el cual se va desplazando en

la direccioacuten del sustrato con el fin de obtener un recubrimiento uniforme

Las siacutentesis de la peliacutecula se hizo a la temperatura de 300 plusmn 10 La presioacuten del compresor

y el flujo de aire se mantuvieron a 30 119901119904119894(~207 119896119875119886) 119910 5 119871119898119894119899 respectivamente La distancia

boquilla sustrato se mantuvo a 30 cm con el fin de que el flujo nebulizado dirigido hacia la

superficie del sustrato se mantenga laminar El desplazamiento de la tobera-boquilla a lo largo del

sustrato se hizo con una rapidez aproximada de 04 mms con intervalos de 40 plusmn 05 119898119894119899 entre

cada ida y vuelta tiempo necesario para mantener la temperatura estable y mejor cristalizacioacuten del

soacutelido El nuacutemero de capas que consideramos oacuteptimas en este trabajo fue de 6 seguacuten E Noriega

(2015)

Al teacutermino del proceso el sistema compuesto peliacuteculasustrato se dejoacute enfriar lentamente dentro

de la caacutemara hasta la temperatura ambiente por 15 horas con el fin de lograr una buena

cristalizacioacuten

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol

Para el tratamiento teacutermico se dividioacute el sustrato que conteniacutea la peliacutecula en 4 partes usando

una como muestra testigo (300 ) y las tres restantes sometieacutendolas por dos horas de

mantenimiento a las temperaturas de recocido de 400 450 119910 500 El horno donde se hizo el

recocido fue un Horno eleacutectrico Marca Brasimet ver figura 410 con una incertidumbre de plusmn5

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la figura 411 se puede ver un diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas

delgadas de ZnO Cu 3 vol

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Figura 411 Diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten

Para caracterizar las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol se emplearon las teacutecnicas de

difraccioacuten de rayos X (DRX) para determinar el tamantildeo del cristalito y la estructura la

espectrofotometriacutea ultravioleta visible (UV-Vis) para determinar la transmitancia absorbancia y

energiacutea del gap y por el uacuteltimo se utilizoacute el Microscopio de Fuerza Atoacutemica (AFM) para

determinar la morfologiacutea y rugosidad A continuacioacuten se describiraacuten brevemente estas teacutecnicas

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX)

La difraccioacuten de rayos X es una teacutecnica de caracterizacioacuten que sirve para analizar espectros

relacionados con la estructura de los materiales que son la constante de red estructura cristalina

identificacioacuten de materiales orientacioacuten de monocristales y orientaciones preferenciales de

policristales Los rayos X se caracterizan porque su longitud de onda variacutea de 01 minus 100 Å (Rayos

X fluorescencia online) En la figura 412 se puede ver un esquema de difraccioacuten de rayos X

basado en la ley de Bragg

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos x (Fuente Rojas)

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Cuando un haz de rayos X de una longitud de onda especiacutefica del mismo orden de magnitud de

las distancias interatoacutemicas del material llega a este los rayos X se dispersan en todas las

direcciones La mayor parte de la radiacioacuten dispersada por un aacutetomo anula la radiacioacuten dispersada

en otros aacutetomos Los rayos X que llegan a ciertos planos cristalograacuteficos formando aacutengulos

especiacuteficos con ellos se refuerzan en lugar de aniquilarse a este fenoacutemeno se llama difraccioacuten

Los rayos X se difractan o el haz se refuerza cuando las condiciones satisfacen la Ley de Bragg

119852119842119847 120637 =119951120640

120784119941119945119948119949 120786 120783

Donde 120579 es la mitad del aacutengulo que forman el haz difractado y el haz original n es el orden de

difraccioacuten 120582 es la longitud de onda de los rayos X 119889ℎ119896119897 es la distancia interplanar que produce

refuerzo del haz ℎ119896119897 son los iacutendices de Miller (Askeland 1998) La difraccioacuten ocurre siempre y

cuando se satisfaga la ley de Bragg por lo que no necesariamente cualquier direccioacuten arbitraria

produciraacute difraccioacuten

La informacioacuten obtenida se presenta en un graacutefico de intensidad en funcioacuten de 2120579 llamado

patroacuten de difraccioacuten Cada sustancia produce siempre un patroacuten de difraccioacuten caracteriacutestico

independientemente de que si se encuentra en un estado puro o formando parte de una mezcla de

sustancias (Askeland 1998)

Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

fueron obtenidos con el difractoacutemetro RIGAKU Miniflex-600 que opera en la geometriacutea Bragg-

Brentano donde la radiacioacuten 119862119906 119896120572 (120582 = 15406 Aring) fue utilizada como fuente de rayos X El

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equipo operoacute a 30 KV de voltaje y 10 mA de corriente el barrido se realizoacute en un aacutengulo de 2120579

con rango desde 20deg a 70deg con velocidad de escaneo de 5 deg119898119894119899

La identificacioacuten de los picos de difraccioacuten se comparoacute con la base de datos Card info 00-900-

8877 de la Crystallography Open Database mostrado en el anexo A

La distancia interplanar se calculoacute con la ley de Bragg para el primer orden (n=1) de difraccioacuten

de acuerdo a la ecuacioacuten 41 tendriacuteamos

119837 =120640

120784 119852119842119847 120637 120786 120784

En donde 120579 es el aacutengulo de incidencia y 120582 = 15405981 Aring

Paraacutemetros de red

Para identificar la constante de red c de la estructura de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se tomoacute

en cuenta la estructura hexagonal wurtzita cuya distancia interplanar estaacute relacionada con los

iacutendices de Miller de los planos (hkl) y las constantes de red a y c a traveacutes de la ecuacioacuten 43

(Askeland 1998) y con el tamantildeo de cristalito (119863)

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784 120786 120785

A partir de la ecuacioacuten 43 es posible determinar los paraacutemetros de la red cristalina Cuando se

incide sobre un cristal muy pequentildeo del orden de nanoacutemetros se produce un ensanchamiento del

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pico de difraccioacuten esto permite determinar el tamantildeo promedio del cristal (119863) por medio de la

ecuacioacuten de Scherrer (Gurumurugan amp Mangalaraj 1995)

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637 120786 120786

Donde D es el tamantildeo del cristalito K es el factor de forma (K=09 para esferas) 120582 es la longitud

de onda de los rayos X (120582 = 15405981 Aring ) 120573 es el ancho completo de la mitad del maacuteximo y se

encuentra en radianes por lo tanto hay que convertir los valores de (FWHM) que se encuentran en

grados multiplicaacutendolos por 120587 180degfrasl y 120579 es el aacutengulo de Bragg

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectrometriacutea UV-Vis se basa en la absorcioacuten de radiacioacuten UV o visible por parte de las

moleacuteculas y se emplea para analizar muestras en fase liacutequida o soacutelida La espectrometriacutea de

absorcioacuten implica la medida de la fraccioacuten de la luz de una longitud de onda que pasa a traveacutes de

una muestra la figura 413 muestra la geometriacutea del equipo la muestra no emite luz por siacute misma

por lo que se debe incluir una fuente de radiacioacuten El paso de la luz a traveacutes de un monocromador

o un filtro selecciona la longitud de onda para el anaacutelisis (Hernaacutendez 2014)

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Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vis (Fuente Hernaacutendez)

Durante el anaacutelisis de la muestra se hacen dos mediciones en la primera se mide la cantidad de

luz en funcioacuten de la longitud de onda que llega al transductor cuando se ha colocado un blanco

(vidrio) Se denomina 1198680 del blanco cuando la concentracioacuten del material analizado es cero

La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras (vidrio + peliacutecula) con la

medida del blanco (vidrio) Llamamos 119868 a la intensidad que se mide con las muestras o con el

estaacutendar La comparacioacuten que se hace implica la relacioacuten 1198681198680 con ambas intensidades medidas

en las mismas condiciones del instrumento (longitud de onda geometriacutea) Se utilizan tres teacuterminos

diferentes para expresar esta relacioacuten

El primero es simplemente la relacioacuten 1198681198680 y se denomina Transmitancia que es denotada por

la letra T

119931 =119920

119920120782 120786 120785

El segundo es el porcentaje de transmitancia

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119931 = 119931 lowast 120783120782120782 120786 120786

El tercero es el logaritmo negativo de T que se denomina Absorbancia y se denota con la letra

A

119912 = minus 119845119848119840119920

119920120782= minus 119845119848119840 119931 120786 120787

Para la determinacioacuten del ancho de banda de energiacutea prohibida la energiacutea del gap (119864119892) es

determinada del espectro experimental del coeficiente de absorcioacuten (120572) como una funcioacuten de la

energiacutea del fotoacuten (ℎ120592)

En los materiales de gap directo como el ZnO se utiliza la siguiente ecuacioacuten

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ

es la constante de Planck 120584 es la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

En una graacutefica (120572ℎ120584)2 119907119904 ℎ120584 el ajuste a una recta de la parte proacutexima a 120572 = 0 el intercepto

para la ordenada nula es el valor de la energiacutea prohibida Esta recta tiene una expresioacuten de la forma

119910 = 119898119909 + 119887 lo que se tiene que buscar es el valor de 119909 para 119910 = 0 esto es 119909 = minus119887119898

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La conversioacuten de la energiacutea del fotoacuten en funcioacuten de la longitud de onda se realiza mediante la

constante de Planck(ℎ) y la de la velocidad de la luz (119888) La frecuencia del fotoacuten se relaciona con

la longitud de onda a traveacutes de la siguiente ecuacioacuten

119940 = 120642120640 120786 120789

Entonces la energiacutea del fotoacuten se puede escribir en funcioacuten de la longitud de onda como

119916 =119945119940

120640 120786 120790

Por lo tanto la energiacutea del fotoacuten puede calcularse como 12398

120582(119899119898) Aplicando al caso del ZnO se

adquieren los valores de la longitud de onda y la transmitancia del vidrio y la medida se divide la

transmitancia medida entre la del vidrio para obtener la transmitancia de la peliacutecula Se transforma

la transmitancia en coeficiente de absorcioacuten y la longitud de onda en energiacutea (H Bubert amp Jenett

2002)

Los anaacutelisis de absorbancia y transmitancia para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con

tratamiento de recocido se realizaron con el espectroacutemetro UV-Vis marca Analytik Jena Modelo

Specord Plus 250 y con un barrido de longitud de onda de 300 nm a 800 nm

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443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)

Este meacutetodo inventado en 1985 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer pertenece al grupo de

teacutecnicas de microscopiacutea de fuerza de barrido un grupo de teacutecnicas que estaacuten basadas en la

medicioacuten de diferentes fuerzas como son la fuerza atractiva la gravitatoria la repulsiva la

magneacutetica la de Van Der Walls y la electrostaacutetica esta medicioacuten es hecha entre la punta fina y la

superficie de la muestra

La formacioacuten de la imagen se lleva a cabo mediante la medicioacuten de la fuerza de interaccioacuten a

traveacutes de la deflexioacuten de un cantileacutever Aunque diversos tipos de fuerzas se encuentran cuando una

punta se aproxima a la superficie de la muestra la generacioacuten de la sentildeal en el AFM se basa

esencialmente en fuerzas repulsivas interatoacutemicas que son de naturaleza de corto alcance

En el caso ideal se puede asumir ver figura 414 lo que significa que el contacto directo de la

punta con la superficie se la muestra se limita a un aacuterea muy pequentildea Como resultado de esto

siempre hay una fuerza repulsiva interatoacutemica en esta pequentildea aacuterea de contacto debido a la

penetracioacuten de las capas electroacutenicas de los aacutetomos de la punta y los de la superficie de la muestra

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Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del sustrato (Fuente Rojas)

La fuerza repulsiva interatoacutemica estaacute influenciada por la densidad total de electrones alrededor

de un aacutetomo y no soacutelo por los estados particulares de la energiacutea La interaccioacuten entre la punta y la

muestra puede ser descrita por una graacutefica fuerza vs distancia esta graacutefica mostrada en la figura

415 permite ver los cambios de fuerza cuando la punta se acerca a la muestra si hay una gran

separacioacuten no hay interaccioacuten por lo tanto la fuerza seriacutea cero (en la liacutenea entre 1 y 2 no habriacutea

fuerzas electrostaacuteticas) En la posicioacuten 2 la punta pasa a estar en contacto debido a la fuerza

atractiva de Van Der Walls como la punta se mueve hacia la muestra entonces la fuerza total que

actuacutea sobre el cantileacutever es repulsiva Cuando la punta es arrastrada sobre la muestra las fuerzas

se reducen a lo largo de la liacutenea pasando de la posicioacuten 3 a la posicioacuten 4

Por debajo de la liacutenea de fuerza del diagrama dicha fuerza que actuacutea sobre el cantileacutever se

vuelve atractiva debido a la adhesioacuten En el punto 4 la fuerza es de adhesioacuten y la carga del

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cantileacutever apenas estaacute equilibrada la punta es tirada hacia afuera de la superficie debido a las

fuerzas de repulsioacuten

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta con la superficie del

sustrato (Fuente Rojas)

Modos de trabajo de un microscopio de fuerza atoacutemica

El AFM puede funcionar en distintos arreglos o modos experimentales estos modos se dividen

baacutesicamente en dos grupos modos de contacto continuo y modos dinaacutemicos Los modos de

contacto continuo fueron los primeros utilizados en los antildeos tempranos del AFM y su uso apenas

insinuaba la resolucioacuten nanomeacutetrica de la que el instrumento era capaz El meacutetodo dinaacutemico de

maacutes uso es el meacutetodo de contacto intermitente o tapping mode (Loacutepez y Solares 2014)

Modo contacto

El modo contacto es el disentildeo experimental maacutes simple en este modo la punta de la sonda se

encuentra en contacto perpetuo con la muestra por lo que tambieacuten es llamado modo estaacutetico La

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figura 416 muestra el funcionamiento del AFM en modo contacto Durante la toma de imaacutegenes

en modo contacto la variable control es la deflexioacuten de la micropalanca (anaacutelogo a la compresioacuten

o estiramiento de un resorte) La variable control es mantenida constante por medio de un circuito

de retroalimentacioacuten (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemica (Fuente Loacutepez y Solares)

El escaacutener sobre el que descansa la muestra se encarga de moverla con respecto a la

micropalanca en direccioacuten ldquoxyrdquo para realizar distintas liacuteneas de escaneo La micropalanca al

interactuar con la muestra sufre una deflexioacuten proporcional a la fuerza de interaccioacuten con la

superficie obedeciendo a la ley de Hooke (ecuacioacuten 49) En este circuito la sentildeal de deflexioacuten es

leiacuteda en el fotodetector y transmitida a la caja electroacutenica donde se compara el valor actual con el

punto de ajuste (setpoint) De acuerdo a esa diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal de salida

al escaacutener para ajustar la posicioacuten en el eje ldquozrdquo de la muestra si fuera necesario para mantener la

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variable control constante Como consecuencia de las exploraciones en ejes ldquoxyrdquo asiacute como los

cambios en ldquozrdquo se genera una imagen topograacutefica de la superficie de la muestra estudiada (Loacutepez

y Solares 2014)

= 119948119963∆119937 120786 120791

Donde

Fuerza arbitraria de magnitud F

∆119937 Compresioacuten del resorte

119948119963 Constante elaacutestica

Modo contacto intermitente

Eacuteste meacutetodo es comuacutenmente conocido como ldquotapping moderdquo en ingleacutes es el meacutetodo maacutes baacutesico

de los meacutetodos dinaacutemicos ademaacutes es el meacutetodo maacutes frecuente utilizado en AFM En este meacutetodo

la micropalanca se hace vibrar con amplitudes en el rango nanomeacutetrico (aproximadamente entre 5

y 200 nm) razoacuten por la que se le conoce como una teacutecnica de amplitudes ldquograndesrdquo El teacutermino

ldquograndesrdquo es relativo cuando se compra a otras teacutecnicas dinaacutemicas en la que la micropalanca puede

vibrar en el rango de los angstroms como en el caso de modulacioacuten de frecuencia en alto vaciacuteo

(Gross et al 2009)

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El AFM de contacto intermitente funciona con un circuito que controla la amplitud y se encarga

de mantenerla a un valor preestablecido (setpoint) En el circuito de modulacioacuten de amplitud ver

figura 417 la amplitud es calculada internamente con los valores de pendiente de la micropalanca

que lee el fotodetector Luego esa amplitud se compara con el valor preestablecido de amplitud y

si existe una diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal al escaacutener este se encarga de hacer la

correccioacuten en el eje ldquozrdquo para poder alcanzar el valor preestablecido y de esta forma mantener la

variable control (amplitud) constante Al igual que el meacutetodo de contacto las exploraciones en

ejes ldquoxyrdquo asiacute como los cambios en el eje ldquozrdquo generan una imagen topograacutefica de la superficie

estudiada (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitente (Fuente Loacutepez y Solares)

Los cambios topograacuteficos generan cambios en la amplitud de oscilacioacuten Por ejemplo si la

micropalanca se encuentra con una protuberancia la amplitud de la punta se veraacute reducida

temporalmente luego para compensar por esa peacuterdida de amplitud el escaacutener recibiraacute a traveacutes del

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circuito la sentildeal para mover la muestra hacia abajo con el objetivo de mantener la amplitud

preestablecida (setpoint) Es importante mencionar que en este modo se escoge una amplitud en el

experimento correspondiente a una fraccioacuten de la amplitud libre ver figura 417) Tanto la

amplitud libre de la punta como la fraccioacuten de la amplitud libre se escogen durante el experimento

la eleccioacuten de estos paraacutemetros antildeade complejidad si lo comparamos con el modo contacto donde

el usuario uacutenicamente se preocupa de una variable que es la deflexioacuten de la micropalanca (Loacutepez

y Solares 2014) Es por ello que en general el aumento del grado de sofisticacioacuten del meacutetodo en

AFM permite la recopilacioacuten de mayor informacioacuten pero al mismo tiempo requiere de mayor

juicio conocimiento y experiencia del usuario

Existen ecuaciones que sirven para determinar los distintos paraacutemetros de rugosidad de las

muestras a analizar de las cuales soacutelo se usaron dos en este trabajo de tesis que son

Desviacioacuten Promedio

119929119938 =120783

119951 sum|119962119946|

119951

120783

120786 120783120782

Desviacioacuten Estaacutendar

119929119954 = radic120783

119951 sum 119962119946

120784

119951

120783

120786 120783120783

Donde

119962119946 Distancia vertical desde la liacutenea principal hasta el i-eacutesimo punto de dato

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119951 Orden de los perfiles de rugosidad

119929119938 Desviacioacuten Promedio (Rugosidad Media)

119929119954 Desviacioacuten Estaacutendar (Rugosidad Cuadraacutetica Media)

Los anaacutelisis de rugosidad de las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

se realizaron con el equipo de Microscopiacutea de fuerza atoacutemica marca Bruker y modelo Dimension

Edge V-T 102

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CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

51 Difraccioacuten de Rayos X

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano

En la figura 51 se observan los picos de difraccioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

sintetizada a 300 y de las recocidas a las temperaturas de 400 450 119910 500 respectivamente

Los picos de difraccioacuten teoacutericos se encuentran en el anexo A Todas las muestras presentan

naturaleza policristalina y estructura hexagonal wurtzita con una clara orientacioacuten preferencial en

el plano (002) no se presentaron picos caracteriacutesticos del cobre debido al bajo porcentaje de

dopaje La intensidad del pico del plano (002) en las peliacuteculas sometidas a temperaturas de

recocido son mayores en comparacioacuten a la de la peliacutecula sin recocido presentando el mayor pico

a 450 mientras que el plano (100) aparece uacutenicamente en la peliacutecula recocida a 400 S

observoacute una disminucioacuten del tamantildeo del cristalito con la primera temperatura de recocido de alliacute

en adelante fue aumentando en cambio el paraacutemetro de red c fue disminuyendo con la temperatura

de recocido Todo esto puede ser quizaacutes a la sustitucioacuten de iones de cobre en los sitios del zinc

ingreso de iones de cobre a los intersticios (ya que el radio ioacutenico del zinc es casi del mismo tamantildeo

que el del cobre) o vacancias de iones de zinc u oxiacutegeno produciendo una deformacioacuten en la red

seguacuten Filali Torchynska Diacuteaz amp Morales (2015) Si iones Cu1 sustituyen a iones Zn2 en la

estructura cristalina existe un incremento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como

se observa en las peliacuteculas recocidas a 450 119910 500 pero si es el ion Cu2 el que sustituye a iones

Zn2 se observa un decrecimiento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como sucede en

las peliacuteculas de 300 400 119910 450

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Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con recocido (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la tabla 1 se muestran los valores calculados para el aacutengulo de Bragg del plano (002) la

distancia interplanar el paraacutemetro c el ancho completo de la mitad del maacuteximo y el tamantildeo del

cristalito

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Tabla 1

Tabla de valores para las propiedades estructurales

Datos obtenidos mediante DRX y caacutelculos (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra

120784120637(deg)

119941119945119948119949(Aring)

119836 (Aring)

FWHM 119811 (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3441 2604 5208 03221 2582

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 3448 2599 5198 04430 1878

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 3463 2588 5176 03161 2633

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 3458 2592 5184 02847 2923

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En la figura 52 se observa la relacioacuten entre el tamantildeo del cristalito y la temperatura de recocido

el recocido a 400 no fue suficiente para lograr aumentar el tamantildeo del cristalito es por eso que

disminuye considerablemente a partir de alliacute aumenta a medida que lo hace la temperatura

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica

521 Morfologiacutea y rugosidad

La figura 53 a-d muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas tomadas en AFM en dos

dimensiones barridas en un aacuterea de 5120583119898 119909 5120583119898 La superficie de las peliacuteculas no son homogeacuteneas

son rugosas con tamantildeo de grano variable Para a) se observa que el crecimiento del grano se dio

en forma de montantildeas en b) el crecimiento del grano cambioacute draacutesticamente y se dio en forma de

espiral esto puede ser debido al reordenamiento de los aacutetomos que se dio al someter la peliacutecula a

la temperatura de recocido para c) mejoroacute la cristalinidad y la forma de crecimiento fue

nuevamente como montantildea esto concuerda con el aumento del valor del tamantildeo del cristalito y

para d) la cristalinidad volvioacute a mejorar en concordancia con el tamantildeo del cristalito que aumento

un poco maacutes Esto es debido a que el incremento del tamantildeo del cristalito causa un aumento en la

rugosidad seguacuten Saidani et al (2006)

Para cada peliacutecula se hicieron tres mediciones en diferentes zonas para determinar los

paraacutemetros de rugosidad siendo sus valores promedio Rugosidad Promedio (119877119886) 000611 120583119898 y

la Rugosidad Cuadraacutetica Media (119877119902) 0007843 120583119898 que son mostrados en la tabla 2

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Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 ordmC c) rec a 450 ordmC

y d) rec a 500 ordmC (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la figura 54 a b c y d se muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas ahora en tres

dimensiones en estas imaacutegenes se observa mucho mejor el cambio de la cristalinidad y la

morfologiacutea para cada peliacutecula la rugosidad (Ra) aumenta en funcioacuten de la temperatura de recocido

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 c) rec a 450 y

d) rec a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

En la tabla 2 se han registrado los valores de la rugosidad media (Ra) y la rugosidad cuadraacutetica

media (Rq) para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

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Tabla 2

Tabla de valores de las rugosidades

Datos obtenidos mediante el software del equipo de afm (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra 119929119954 (120641119950) 119929119938 (120641119950)

ZnOCu 3 vol sin recocido 0007843 0006110

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 0006960 0005336

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 0011033 0008840

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 0011933 00095733

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En la figura 55 se observa la rugosidad media (Ra) en funcioacuten de la temperatura de recocido

con lo cual se puede confirmar que a medida que aumenta la temperatura de recocido aumenta la

rugosidad de la peliacutecula a partir de 400

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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53 Espectrometriacutea UV-Vis

531 Transmitancia

En la figura 56 se observan los espectros de transmitancia oacuteptica de las peliacuteculas delgadas de

ZnOCu 3 vol sintetizadas por el meacutetodo de rociado piroliacutetico a 300 ordmC y las sometidas a

temperaturas de recocido de 400 ordmC 450 ordmC y 500 ordmC obtenidas por espectrofotometriacutea UV-Vis

en el rango de longitudes de onda de 300 a 750 nm

Las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin recocido y con recocido presentan alta

transmitancia (gt80) esto se debe al dopaje con cobre seguacuten Bunyod Allabergenov et al (1946)

La muestra recocida a 500 ordmC presenta la mayor transmitancia (gt80) en el rango de 500 a 600

nm

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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532 Absorbancia y energiacutea del gap

En la figura 57 se puede ver el espectro de absorbancia para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol

sin y con recocido

El pico de absorbancia para todas las peliacuteculas se tiene aproximadamente en 375 nm luego

decae hasta hacerse casi nula para todas las peliacuteculas esto se debe al dopaje con cobre seguacuten

Bunyod Allabergenov (1946)

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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Se utilizoacute el modelo de Tauc para calcular la energiacutea del gap en cada peliacutecula El dopaje con

cobre disminuyoacute la energiacutea del gap a 3256 eV comparaacutendola con el valor teoacuterico (337 eV)

mientras que al someter las peliacuteculas a temperaturas de recocido se observa que el valor de la

energiacutea del gap cambia ligeramente siendo 3256 3263 y 3257 eV para las peliacuteculas recocidas a

400 450 119910 500 respectivamente a diferencia de lo reportado por Mathew (2015) esto se deba

quizaacutes a que la cantidad de cobre no fue la suficiente para lograr la disminucioacuten de la energiacutea del

gap

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para la peliacutecula recocida a

400 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y derecha para la peliacutecula

recocida a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la tabla 3 se han registrado los valores de la energiacutea del gap para las muestras sin y con

recocido de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol

Tabla 3

Tabla de valores de la Energiacutea del Gap

Datos obtenidos usando la relacioacuten de Tauc (Fuente Elaboracioacuten Propia)

Muestra Energiacutea del Gap (eV)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 400 deg119914 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 450 deg119914 3263

ZnOCu 3 vol recocido a 500 deg119914 3257

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CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES

bull Utilizando la teacutecnica de rociado piroliacutetico se obtuvo la peliacutecula delgada de ZnOCu

3 vol siendo la temperatura de siacutentesis de 300ordmC sobre un sustrato de vidrio marca

Pearl

bull Los patrones de difraccioacuten de rayos X nos ayudaron a determinar los picos de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol obtenieacutendose como resultado

un crecimiento preferencial en la direccioacuten del plano (002) siendo la muestra recocida

a 450 ordmC la que presentoacute el pico maacutes elevado Esto es caracteriacutestico de la estructura

hexagonal wurtzita

bull El tamantildeo del cristalito aumenta a medida con la temperatura de recocido a partir de

400 ordmC

bull El paraacutemetro c disminuye a medida que aumenta la temperatura de recocido

bull Las imaacutegenes obtenidas por AFM muestran que la rugosidad media (Ra) de las

peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol aumentaron a medida que aumenta la

temperatura de recocido a partir de 400 ordmC

bull La espectrofotometriacutea UV-Vis revela que todas las muestras de ZnOCu 3 vol

presentan alta transmitancia (gt80) a partir de 400 nm hasta los 750 nm siendo la

muestra recocida a 500ordmC la que presenta mayor transmitancia (gt90) en el rango de

500 a 600 nm

bull La absorbancia a partir de 400 nm es casi nula en todas las muestras

bull La energiacutea del gap se mantiene casi constante con la temperatura de recocido

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CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS

bull Se sugiere incrementar el nuacutemero de capas de la peliacutecula delgada ya que se si bien es

cierto que si se pudieron observar los patrones de difraccioacuten estos presentan ruido en

su graacutefica y se cree que esto puedo mejorar haciendo maacutes gruesa la peliacutecula

bull Se sugiere incrementar el rango de temperaturas de recocidos para poder obtener maacutes

detalles acerca de la influencia de eacutesta temperatura en las propiedades que se quieran

analizar de las peliacuteculas delgadas

bull Se sugiere realizar el dopaje con otros porcentajes de cobre para obtener maacutes

informacioacuten acerca de la influencia de esto en las propiedades a estudiar

bull Se sugiere calcular los esfuerzos por deformacioacuten

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71

REFERENCIAS

Acosta D R y Magantildea C R (2012) Oacutexidos conductores transparentes (119885119899119874 minus 1198781198991198742) Para

Remediacioacuten Ambiental Por Procesos Fotocataliacuteticos Muestra de proyectos ambientales

de tu ciudad Instituto de Fiacutesica de la Universidad Nacional Autoacutenoma de Meacutexico

Meacutexico DF

Alamri S N y Brinkman W A (2000) The effect of the transparent conductive oxide on the

performance of thin film CdSCdTe Solar cells J Phys D Appl Phys 33(1)

Aacutelvaro A D (2014) Estudio de Peliacuteculas Delgadas de 1198821198743 depositadas por la teacutecnica de

Sputtering Reactivo (tesis de pregrado) Cimav Chihuahua Meacutexico

American Society For Testing Materials Copper and Copper Alloys Annual Book of ASTM

Standards Vol21 (2) (ASTM International West Conshohocken PA) Revisado

anualmente

Askeland D (1998)Ciencia e Ingenieriacutea de los MaterialesUsa Thomson

Bedia F Z Bedia A N Maloufi N Aillerie M Gent F y Benyoucef B (2014) Effect

of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray

pyrolysis technique Journal of Alloys and Compounds 616 312ndash318

Benharrats F Zitouni K Kadri A y Gil B (2010) Determination of piezoelectric and

spontaneous polarization fields in CdxZn1ndashxOZnO quantum wells grown along the polar

(0001) direction Superlattices and Microstructures 47 592ndash596

Bubert H y Jenett H (2002) Surface and Thin Films Analysis Alemania Wiley

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

72

Bunyod A Oybek T Amir I A Jeong S W y Sungjin K (1946) Study of optical

properties in cu-doped zno thin films fabricated by dc magnetron sputtering Kumoh

National Institute of Technology (KIT) Metallkunde 37 40-4

Caglar Y Aksoy S Ilican S y Caglar M (2009) Crystalline structure and morphological

properties of undoped and Sn doped ZnO thin films Superlattices and Microstructures

46 469-475

Crystallography Open Database (2018) Recuperado de

httpwwwcrystallographynetcod1011258html

Deinert J (2016) Zinc Oxide Surfaces and Interfaces Electronic Structure and Dynamics of

Excited States (tesis postdoctoral) Department of Physics Technische Universitaumlt

Berlin Berlin Alemania

Filali B E Torchynska T V Diacuteaz C A y Morales R M (2015) Structural and raman

scattering studies of ZnO Cu nanocrystals grown by spray pyrolysis Revista Mexicana

de Ingenieriacutea Quiacutemica 14(3) 781-788

Gross L Mohn F Liljeroth P Repp J Giessibl FG y Meyer G (2009) Measuring the

charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy Science 324(5933)

1428-1431

Gurumurugan y Mangalaraj (1995) Structural Characterization of zinc oxide thin films

deposited by sol-gel Journal of Crystal Growth 147 335-360

Hafdallah A Herissi I Chergui N Kebaili Z Aida M y Attaf N (2018) Structural and

optical properties of ZnO thin films deposited by pyrolysis spray method effect of Al

doping Nanotechnology Letters

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S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

73

Hernaacutendez S S (2014) Preparacioacuten y Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de ZnO y

ZnOAl por la teacutecnica de Rociacuteo Piroliacutetico Para su Aplicacioacuten en Celdas Solares (tesis de

maestriacutea) Instituto Politeacutecnico Nacional Altamira Meacutexico

Hirata G A McKittrick J Siqueiros J Loacutepez O A Cheeks T Contreras O y Yi J Y

(1996) High transmittance-low resistivity ZnOGa films by laser ablation Journal of

Vacuum Science amp Technology A Vacuum surfaces and films 14(3) 791-794

Jeong S H Park B N Yoo D G y Boo J H (2007) Al-ZnO thin films as transparent

conductive oxides synthesis characterization and application tests Journal of the

Korean Physical Society 50(3) 622-625

Jijoy P M Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties of

Transition Metal Doped ZnO Thin Films IOP Conf Series Materials Science and

Engineering 731-5 doi 1010881757-899X

Kane J Schweizer H P y Kern W (1976) Chemical Vapor Deposition of Antimony-Doped

Tin Oxide Films Formed from Dibutyl Tin Diacetate Journal of the Electrochemical

Society 126(2) 270-277

Koumllble Ch Greiner D Klaer J Klenk R Meeder A y Ruske F (2009) DC reactive

sputtering of aluminum doped zinc oxide films for solar modules controlled by target

voltage Thin Solid Films 520 1913-1917

Leoacuten L H (2014) Efecto de la temperatura de recocido en la resistividad eleacutectrica de las

peliacuteculas de SnO2 sintetizadas por rociado piroliacutetico (tesis de pregrado) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

74

Liu H Avrutin V Izyumskaya N Oumlzguumlr Uuml y Morkoccedil H (2010) Transparent conducting

oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices Superlattices

and Microstructures 48 458ndash484

Loacutepez W Castro P Molina J y Arbey J (2011) Estabilidad y estructura electroacutenica del

ZnO Revista Colombiana de Fiacutesica 43 (I)

Loacutepez G Morales R Olea O Saacutenchez V Trujillo J Varela V y Vilchis A (2013)

Nanoestructuras metaacutelicas Siacutentesis caracterizacioacuten y aplicaciones Meacutexico DF

Meacutexico Reverteacute

Loacutepez E A y Solares S D (2014) El microscopio de fuerza atoacutemica meacutetodos y aplicaciones

Revista 28 de la Universidad del Valle de Guatemala 14-23

Mathew J P Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties

of Transition Metal Doped ZnO Thin Films Mat Sci and Eng 73 1-5

Minami T (2008) Present status of transparent conducting oxide thin-film development for

Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes Thin Solid Films 516 5822-5828

Mizuhashi M (1980) Electrical properties of vacuum-deposited indium oxide and indium tin

oxide films Thin Solid Films 70(1) 91-100

Mooney J B amp Rading S B (1982) Spray Pyrolysis Processing Annual Reviews of

Materials Science 12 81-101

Noriega D E (2015) Efecto de la temperatura del sustrato en los esfuerzos residuales de las

peliacuteculas de ZnO sintetizadas por Rociado Piroliacutetico (tesis de Maestriacutea) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

Pan C A y Ma T P (1980) High-quality transparent conductive indium oxide films

prepared by thermal evaporation Applied Physics Letter 37(2) 163

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75

Peacuterez M L (2005) Fabricacioacuten y Caracterizacioacuten Oacuteptica Estructural y Eleacutectrica de Peliacuteculas

Delgadas Transparentes de Oacutexidos de Estantildeo Circonio y Zinc (tesis de doctorado)

Instituto Politeacutecnico Nacional Meacutexico DF Meacutexico

Rahmani M B Keshmiri S H Shafiei M Latham K Wloarski W Plessis J du y

Kalantar-Zadeh K (2009) Transition from n- to p- Type of Spray Pyrolysis Deposited

Cu Doped ZnO Thin Films for NO2 Sensing ASP 7 1-8

Ramiacuterez C M (2015) Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de 119885119899119874 1198661198863+ Obtenidas Por La

Teacutecnica de Sol-Gel (tesis de pregrado) Universidad Tecnoloacutegica de la Mixteca

OaxacaMeacutexico

Rojas F S (2013) Influencia de la temperatura de recocido de las peliacuteculas de ZnO

compuestas con nanopartiacuteculas de Au sobre el crecimiento de Nanorods (tesis de

pregrado) Universidad Nacional de Trujillo Trujillo La Libertad Peruacute

Rozati S M (2008) Effect of film thickness on the physical properties of ZnOAl thin films

deposited using a spray pyrolysis technique Canadian J Phys 86 379ndash382

Ruumlcker N y Becker K J (1978) Life stability of transparent semiconducting oxide films

deposited onto cold substrates Thin Solids Films 53(2) 163-167

Sahay PP y Nath RK (2008) Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG)

sensors Sensors and ActuatorsB(133) 222ndash227

Saidani T Zaabat M Aida M S Benoboud A Benzitouni S y Boudine A (2014)

Influence of annealing temperature on the structural morphological and optical properties

of Cu doped ZnO thin films deposited by the sol-gel method Superlattices and

Microstructures 75 47-53

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Ghandi S K Field R J y Shealy J R (1980) Highly oriented zinc oxide films grown by the

oxidation of diethylzinc Applied Physics Letters 37(5) 449

Waal H y Simons F (1981) Tin oxide coatings Physical properties and applications Thin

Solid Films 77 253-258

Wang L Zhang X Zhao S Zhou G Zhou Y y Qi J (2005) Synthesis of well-aligned

ZnO nanowires by simple physical vapor deposition on c-oriented ZnO thin films without

catalyst or additives App Phy Lett 86(2)

Wolgamott J C (2017) Analysis of Zinc Oxide Thin Films Synthesized by Sol-Gel via Spin

Coating (tesis de maestriacutea) The University of Wisconsin-Milwaukee USA

Yan Y Al-Jassim M M y Wei S (2006) Doping of ZnO by group-IB element Applied

Physics Letters 89

Zhon L W (2004) Nanostructures of Zinc Oxide Materials today 7 26-33

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ANEXOS

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ANEXO A

Valores Teoacutericos Del Zno

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnO (Fuente En liacutenea)

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79

ANEXO B

Caacutelculo de la distancia interplanar

La distancia interplanar fue calculada a partir de la Ley de Bragg

119941 =120640

120784 119852119842119847 120637

Doacutende d es la distancia interplanar 120582 es la longitud de onda de rayos X (15405981 A) y 120579 es

el aacutengulo de Bragg

Se tomoacute como plano de referencia el (002)

Para la muestra sin tratamiento de recocido el aacutengulo fue 2120579 = 3441deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120782120787deg

119941 = 120784 120788120782120786 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3448deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120786deg

119941 = 120784 120787120791120791 119808

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80

Para la muestra recocida a 450deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3463deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120785120783120787deg

119941 = 120784 120787120790120790 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3458deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120791deg

119941 = 120784 120787120791120784 119808

Caacutelculo del paraacutemetro c

El paraacutemetro de red C fue calculado para cada muestra con la foacutermula

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784

Doacutende h=k=0 y l=2 reemplazando estos datos tenemos

119940 = 119949 119941119945119948119949

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81

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119940 = (120784)120784 120788120782120786 119808

119940 = 120787 120784120782120790 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120791 119808

119940 = 120787 120783120791120790 119808

Para la muestra recocida a 450deg119862

119940 = (120784)120784 120787120790120790 119808

119940 = 120787 120783120789120788 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120784 119808

119940 = 120787 120783120790120786 119808

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Caacutelculo del tamantildeo de grano

Para calcular el tamantildeo del cristalito se utilizoacute la ecuacioacuten de Debye-Scherrer

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637

Doacutende K es la constante que es 09 para partiacuteculas esfeacutericas 120582 es la longitud de onda de los

rayos X (15405981 A) 120573 es la mitad del ancho del maacuteximo (FWHM) pico que para nuestro caso

fue el que correspondiacutea al plano (002) y estaacute dado en radianes y 120579 es el aacutengulo de Bragg

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120788120784120783) 119836119848119852 120783120789 120784120782120787deg119808

119915 = 120784120787 120790120784 119951119950

Para la muestra recocida a 400deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120789120789120785120783) 119836119848119852 120783120789 120784120786deg119808

119915 = 120783120790 120789120790 119951119950

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83

Para la muestra recocida a 450deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120787120783120789) 119836119848119852 120783120789 120785120783120787deg119808

119915 = 120784120788 120785120785 119951119950

Para la muestra recocida a 500deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120786120791120788120789) 119836119848119852 120783120789 120784120791deg119808

119915 = 120784120791 120784120785 119951119950

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ANEXO C

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada

Se realizoacute una pequentildea incisioacuten en la peliacutecula con una navaja de tal forma que la peliacutecula pueda

ser desprendida pero que no produzca rayaduras en el sustrato y utilizando el Meacutetodo Section del

Software NanoScope Analysis version 140 se calculoacute la distancia vertical y horizontal en tres

regiones para obtener un promedio con lo cual seriacutea el espesor aproximado de la peliacutecula

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b) Imagen 3D del escaloacuten

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Tabla 4

Tabla de datos de las alturas horizontales y verticales

Datos obtenidos para calcular el espesor de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 (Elaboracioacuten Propia)

Calculando el promedio de las distancias verticales

(189441 + 184037 + 170941)119899119898 = 544419 119899119898

544419119899119898

3= 181473 119899119898

El grosor de la peliacutecula fue 181 473 nm

Este proceso se realizoacute para todas las muestras en la tabla 5 se muestran los valores

correspondientes cada peliacutecula

Tabla 5

Tabla de valores del espesor de cada peliacutecula

Muestra Espesor (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 181473

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 179596

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 181210

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 183498

Datos calculados para el espesor de cada peliacutecula (Fuente Elaboracioacuten propia)

N Distancia Horizontal Distancia Vertical

1 3249 (microm) 189441 (nm)

2 3679 (microm) 184037 (nm)

3 3914 (microm) 170941 (nm)

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ANEXO D

Caacutelculo de los valores de Rugosidad

Se calculoacute el promedio de la rugosidad media y la rugosidad cuadraacutetica media para cada

peliacutecula El aacuterea de anaacutelisis en todas las muestras fue 3um x 1um y los valores fueron obtenidos

por el sensor de altura en el software de AFM Dimension Edge VT-112

Muestra Sin Rec

Figura D 1 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra sin rec

Tabla 6

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rec

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000751 000589

ZONA 2 000849 000646

ZONA 3 000753 000598

PROMEDIO 000784 000611

Datos para el promedio de la rugosidad de ZnOCu 3 vol Sin Rec (Elaboracioacuten Propia)

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87

Muestra Rec a 120786120782120782

Figura D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 400 ordmC

Tabla 7

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

Muestra Rec a 120786120787120782

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000634 000506

ZONA 2 000769 000590

ZONA 3 000685 000505

PROMEDIO 000696 000534

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Figura D3 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 450 ordmC

Tabla 8

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00112 000903

ZONA 2 00110 000872

ZONA 3 00109 000877

PROMEDIO 00110 000884

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Muestra Rec a 120787120782120782

Figura D4 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 500 ordmC

Tabla 9

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec 500 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00119 000956

ZONA 2 00120 000969

ZONA 3 00119 000947

PROMEDIO 00119 000957

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ANEXO E

Caacutelculo de la energiacutea del gap

Se utilizoacute la foacutermula 46

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material que es igual a la absorbancia dividida por

el espesor de la peliacutecula 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ es la constante de Planck 120584 es

la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

Haciendo los caacutelculos respectivos en Excel obtuvimos los valores de ℎ120584 y (120572ℎ120584)2

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauc

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91

Luego graficamos esto usando Origin 8 y trazando la recta hasta el intercepto con el eje x

obtuvimos el valor de la energiacutea del gap Esto se hizo para todas las peliacuteculas

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas las peliacuteculas

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Page 2: FÍSICAS INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO …

ii

MIEMBROS DEL JURADO CALIFICADOR

Dr Ariacutestides Taacutevara Aponte

(Presidente)

Dr Luis Manuel Angelats Silva

(Secretario)

Lic Wilder Maacuteximo Aguilar Castro

(Vocal)

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iii

PRESENTACIOacuteN

Sentildeores miembros del jurado

En conformidad con lo establecido por el reglamento de Grados y Tiacutetulos de la

Escuela Acadeacutemico Profesional de Fiacutesica de la prestigiosa Universidad Nacional de Trujillo

presento ante ustedes el presente trabajo de investigacioacuten intitulado ldquoInfluencia de la

temperatura de recocido sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnO dopadas con Cu obtenidas por rociado piroliacuteticordquo mediante el cual

postulo a optar el tiacutetulo de Licenciado en Fiacutesica

El presente trabajo se realizoacute en el Laboratorio de Fiacutesica de Materiales seccioacuten de

Nanociencia y Nanomateriales ldquoDr Lennart Hasselgrenrdquo de la Escuela de Fiacutesica de la Universidad

Nacional de Trujillo

Bach E Isaac Castro Campos

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iv

DEDICATORIA

A mi amada madre Marleny Campos por

Todo el amor brindado y su esfuerzo constante

de guiarnos a miacute y a mis hermanos en los

caminos de Dios A mi Padre Eberth Castro

por sus consejos recibidos y su apoyo para

poder terminar la carrera A mis hermanos

Eliacuteas Gabriel y Benjamiacuten

A mi tiacutea Mariacutea Castro que a pesar de

la distancia se daba un tiempo para

aconsejarme

A mi abuela Olguita por su amor carintildeo

y tiempo para conmigo

A mi prima Denisse Mariacuten Campos

por ser como una hermana y apoyarme

siempre

E Isaac Castro Campos

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por sobre todas las cosas porque gracias a Eacutel pude completar este

desafiacuteo a mi familia por estar a mi lado en todos estos momentos

A mi asesor y amigo el Lic Wilder M Aguilar Castro Jefe del Laboratorio de Fiacutesica de

Materiales ldquoLennart Hasselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo por las mediciones

hechas con el microscopio de fuerza atoacutemica (AFM) por su apoyo ensentildeanzas y consejos

que permitieron culminar este trabajo de tesis con eacutexito

Al Mg Henry Leoacuten Leoacuten integrante del grupo de investigacioacuten del Laboratorio de

Investigacioacuten Multidisciplinario (LABINM) de la Universidad Privada Antenor Orrego

por su apoyo en las mediciones oacutepticas de las peliacuteculas delgadas

Al Dr Segundo Jaacuteuregui Rosas por su apoyo con las mediciones de los patrones de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas

A mis amigos Daniel Chaacutevez Susanita Moreno Joseacute del Aacutengel Joseacute De la Cruz

Mauricio Matta por los antildeos compartidos dentro de la carrera y su amistad sincera

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RESUMEN

En el presente trabajo de tesis se estudioacute la influencia de la temperatura de recocido sobre las

propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de las peliacuteculas delgadas de ZnO dopada con

cobre a 3 en volumen dichas peliacuteculas fueron sintetizadas sobre substratos de vidrio mediante

el meacutetodo de rociado piroliacutetico usando como soluciones precursoras el acetato de zinc

dihidratado[119885119899(11986211986731198621198742)2 21198672119874] y el cloruro de cobre dihidratado [1198621198972119862119906 21198672119874] disueltas en

etanol Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 Vol sin recocido y

recocidas a 400 450 y 500 indican que todas las muestras son poli cristalinas con estructura

hexagonal wurtzita el plano preferente de crecimiento fue el (002) disminuyendo la intensidad

de su pico uacutenicamente en la muestra recocida a 400 El tamantildeo del cristalito para la muestra sin

recocido fue de 2582 nm y para las muestras recocidas a 400 450 y 500 de 1878 2633 y

2923 nm respectivamente Las imaacutegenes obtenidas por microscopiacutea de fuerza atoacutemica indican que

la rugosidad media (Ra) aumenta con la temperatura de recocido a excepcioacuten de la muestra

recocida a 400 que disminuye Los anaacutelisis en el espectroacutemetro UV-Vis indican que estas

peliacuteculas tienen alta transmitancia mayor del 80 y que la absorbancia es miacutenima La energiacutea del

gap para la muestra sin recocido fue de 3256 eV y para las muestras recocidas a 400 450 y

500 de 3256 3263 y 3257 eV respectivamente

Palabras clave Temperatura de recocido peliacutecula delgada rociado piroliacutetico policristalina

rugosidad media energiacutea del gap

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ABSTRACT

In this thesis work Iacuteve studied the influence of annealing temperature over to rugosity

transmitance and cristallite size of ZnOCu 3 thin films The ZnOCu 3 thin films was

synthetisized over glass substrates by spray pyrolisys technique using zinc acetate

dyhidrate[119885119899(11986211986731198621198742)2 21198672119874] and copper chloride dyhidrate[1198621198972119862119906 21198672119874] as precursor

solutions mixed in ethanol The diffraction patterns of ZnOCu 3 thin films both without

annealing and annealed at 400 450 and 500 indicates that all samples are polycrystalline with

wurtzita hexagonal structure The preferred plane of growth was (002) decreasing the intensity of

its peak only in the sample annealed at 400 The crystallite size for the sample without annealing

was 2582 nm and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 1878 2633 and 2923 nm

respectively The images obtained by atomic force microscopy indicate that the average roughness

(Ra) increases with annealing temperature except for the sample annealed at 400 which

decreases Analyzes in the UV-Vis indicate that these films have high transmittance greater than

80 and that the absorbance is minimal The band gap for sample without annealing was 3256

eV and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 3256 3263 and 3257 eV respectively

Keywords Annealing temperature thin film spray pyrolysis polycrystalline average roughness

band gap

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viii

IacuteNDICE GENERAL

PRESENTACIOacuteN iii

DEDICATORIA iv

AGRADECIMIENTOS v

RESUMEN vi

ABSTRACT vii

IacuteNDICE GENERAL viii

IacuteNDICE DE FIGURAS xii

Capiacutetulo 2 xii

Capiacutetulo 3 xii

Capiacutetulo 4 xiii

Capiacutetulo 5 xiv

Anexos xiv

IacuteNDICE DE TABLAS xvi

CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1

CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 5

21 Oacutexido de Zinc 5

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO 5

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ix

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO 7

24 El Cobre y Sus Propiedades 8

25 Dopado al Oacutexido de Zinc 9

CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE PELIacuteCULAS DELGADAS 12

31 Procesos Fiacutesicos 14

311 Evaporacioacuten teacutermica 14

312 Sputtering 15

32 Procesos Quiacutemicos 17

321 CVD 17

322 Sol-Gel 19

323 Rociado Piroliacutetico 20

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas 24

331 Modo de crecimiento capa por capa Δ120574 gt 0 26

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas 26

333 Modo de crecimiento por islas Δ120574 lt 0 26

CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO 27

41 Materiales Equipos e Instrumentos 27

42 Meacutetodo 30

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos 30

422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol 32

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x

43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol 38

44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten 40

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX) 40

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis) 43

443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) 47

CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 55

51 Difraccioacuten de Rayos X 55

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano 55

52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 59

521 Morfologiacutea y rugosidad 59

53 Espectrometriacutea UV-Vis 64

531 Transmitancia 64

532 Absorbancia y energiacutea del gap 65

CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES 69

CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS 70

REFERENCIAS 71

ANEXOS 77

ANEXO A 78

Valores Teoacutericos Del Zno 78

ANEXO B 79

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xi

Caacutelculo de la distancia interplanar 79

Caacutelculo del paraacutemetro c 80

Caacutelculo del tamantildeo de grano 82

ANEXO C 84

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada 84

ANEXO D 86

Caacutelculo de los valores de Rugosidad 86

Muestra Sin Rec 86

Muestra Rec a 400 87

Muestra Rec a 450 87

Muestra Rec a 500 89

ANEXO E 90

Caacutelculo de la energiacutea del gap 90

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xii

IacuteNDICE DE FIGURAS

Capiacutetulo 2

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn

de color gris oscurohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnOhelliphelliphelliphelliphellip8

Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles

de fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Capiacutetulo 3

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipohelliphelliphellip16

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica de para un proceso de CVDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

Figura 34 Ruta Quiacutemica para el proceso de Sol-Gelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

Figura 35 Esquema del equipo de Rociado Piroliacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes

isla y (c) por islashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

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xiii

Capiacutetulo 4

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

Figura 43 Sustratos en detergentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenicohelliphellip31

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en hornohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica33

Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip34

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphellip35

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula

delgada de ZnOCu 3 vol helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

Figura 411 Diagrama de flujo del Proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadashelliphelliphellip39

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del

sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta

con la superficie del sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitentehelliphelliphelliphelliphelliphellip52

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xiv

Capiacutetulo 5

Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con

recocidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip58

Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 ordmC c) rec a 450 ordmC y d) rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 c) rec a 450 y d) rec a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y

con recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con

recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para

la peliacutecula recocida a 400 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y

derecha para la peliacutecula recocida a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

Anexos

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b)

Imagen 3D del escaloacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84

Figura D1 a Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra sin rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

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xv

Figura D2 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 400 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87

Figura D3 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 450 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88

Figura D4 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 500 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas

las peliacuteculashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91

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xvi

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de valores para las propiedades estructuraleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

Tabla 2 Tabla de valores de las rugosidadeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

Tabla 3 Tabla de valores de la Energiacutea del Gaphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

Tabla 4 Tabla de datos de las alturas horizontales y verticaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 5 Tabla de valores del espesor de cada peliacuteculahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 6 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

Tabla 7 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87

Tabla 8 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88

Tabla 9 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

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1

CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN

Los materiales desarrollados a base de oacutexidos transparentes y conductores (por sus siglas en

ingleacutes TCOs) han recibido una gran aceptacioacuten en la comunidad cientiacutefica debido a sus muacuteltiples

aplicaciones en la industria optoelectroacutenica ya que sus propiedades de alta transparencia y baja

resistividad los hacen aptos para aplicaciones en celdas solares sensores de gases (Koumllble et al

2009) pantallas planas pantallas de cristal liacutequido ventanas electro-croacutemicas entre otros

Los TCOs son semiconductores que se caracterizan por tener altos valores de transmisioacuten oacuteptica

(~ 80 ) en el intervalo visible y bajas resistividades (lt 10minus3Ω119888119898) seguacuten Minami (2008)

Algunos de los oacutexidos metaacutelicos preparados en forma de peliacutecula delgada que son o pueden ser

utilizados como conductores transparentes son oacutexido de cadmio (119862119889119874) oacutexido de estantildeo (1198781198991198742)

ITO (11986811989921198743 119878119899) FTO (1198781198991198742 119865) y AZO (119885119899119874 119860119897)(Alamri amp Brinkman 2000)

Uno de los oacutexidos conductores transparentes comuacutenmente utilizados debido a su alta

transmitancia en el visible gt 80 y su baja resistividad del orden de 10minus4Ω119888119898 es el oacutexido de

indio dopado con estantildeo (ITO) seguacuten Minami (2008) Pero debido a la rareza del indio en la tierra

su costo es elevado Otro oacutexido conductor transparente que ha llamado fuertemente la atencioacuten es

el CdO que es un semiconductor degenerado porque los estados en el fondo de la banda de

conduccioacuten se encuentran ocupados por lo tanto presenta alta conductividad sin necesidad de ser

dopado (Bhosale Kambale Kokate amp Rajpure 2005)

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2

Sin embargo ya que el Cd es muy toacutexico la unioacuten europea a traveacutes de la directiva de restriccioacuten

de sustancias peligrosas lo catalogoacute entre los 6 elementos restringidos para su uso en dispositivos

eleacutectricos y optoelectroacutenicos Debido a esta restriccioacuten es necesario buscar otras alternativas una

de ellas es el ZnO ya que presenta alta conductividad eleacutectrica seguacuten Jeon Park Yoo amp Boo

(2007) altos valores de transmitancia en la regioacuten visible del espectro electromagneacutetico (Hirata et

al 1996) bajo costo alta disponibilidad y no toxicidad

El oacutexido de Zinc es reconocido como un semiconductor porque tiene un ancho de banda de 337

eV a temperatura ambiente posee una gran energiacutea libre de unioacuten de excitones alta estabilidad

propiedades fiacutesicas oacutepticas etc (Benharrats Zitouni Kadri y Gil 2010)

Una peliacutecula delgada se encuentra en el rango de 1 119886 100 119899119898 (Loacutepez et al 2013) Para que

una peliacutecula delgada sea considerada como eficaz debe ser quiacutemicamente estable en el entorno a

usar debe adherirse bien a la superficie que cubre (sustrato) debe tener un espesor uniforme y

debe tener una baja densidad de imperfecciones (Leoacuten 2014)

Dentro de los diversos meacutetodos para obtener peliacuteculas delgadas tenemos el de rociado piroliacutetico

que puede ser maacutes barato simple y versaacutetil a comparacioacuten de otros meacutetodos Las propiedades de

las peliacuteculas rociadas pueden faacutecilmente adaptarse para las aplicaciones requeridas

Adicionalmente tambieacuten es un meacutetodo de deposicioacuten adecuado cuando se necesitan peliacuteculas de

grandes aacutereas (Rahmani et al 2009)

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3

El meacutetodo de rociado piroliacutetico es un proceso en el cual una peliacutecula delgada es depositada

mediante el rociado de una solucioacuten en una superficie caliente donde los constituyentes reaccionan

para formar un compuesto quiacutemico Los reactantes quiacutemicos son seleccionados de tal forma que

los productos distintos al del compuesto deseado sean volaacutetiles a la temperatura de deposicioacuten

(Mooney amp Rading 1982)

Las caracteriacutesticas estructurales eleacutectricas y oacutepticas de las peliacuteculas delgadas de ZnO han sido

ampliamente investigadas mientras que el efecto del dopado sobre estas propiedades auacuten estaacuten

siendo estudiadas (Rozati 2008 Caglar Ilikan y Caglar 2009) Las peliacuteculas de ZnO pueden

doparse con Al3+ (Sahay amp Nath 2008) Sn4+ y Sn5+ (Bedia et al 2014) F1- Cu1+ Ag1+ Ga3+

In3+ (Liu Avrutin Izyumskaya Oumlzguumlr y Morkoccedil 2010)

Elegir el Cu como dopante para las peliacuteculas delgadas de ZnO es una buena opcioacuten ya que

influye en las propiedades oacutepticas estructurales quiacutemicas y eleacutectricas del ZnO y el estudio del

estado electroacutenico del Cu en ZnO ha venido siendo el tema de intereacutes por mucho tiempo ya que

son uno de los componentes principales en celdas fotovoltaicas (Bunyod 1946)

El efecto de la temperatura de recocido sobre las peliacuteculas delgadas de ZnOCu estaacute siendo

estudiada minuciosamente debido a que se han reportado casos en los cuales disminuye la banda

del gap y aumenta el esfuerzo a medida que aumenta dicha temperatura (Jijoy Varguese amp

Mathew 2015)

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4

En el presente trabajo de investigacioacuten se realizoacute la siacutentesis de peliacuteculas delgadas de ZnOCu

3 por el meacutetodo de rociado piroliacutetico sobre un sustrato de vidrio a una temperatura de 300 ordmC y

luego sometida a temperaturas de recocido entre 400- 500 ordmC La caracterizacioacuten de las peliacuteculas

antes y despueacutes del recocido se realizoacute mediante DR-X UV-Vis y AFM

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CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO

21 Oacutexido de Zinc

El oacutexido de zinc es un compuesto inorgaacutenico relativamente abundante quiacutemicamente estable

y no toacutexico es insoluble en agua pero soluble en aacutecidos y bases diluidas su punto de fusioacuten es de

1975 ordmC temperatura a la que tambieacuten se descompone es un semiconductor formado por los

elementos del grupo-II ( 119885119899)30 y el grupo-VI ( 1198748

) El zinc tiene cinco isoacutetopos estables de los

cuales los maacutes comunes son el zinc 64 (4889 ) zinc 66 (2781 ) y el zinc 68 (1857 )

mientras que el oxiacutegeno consiste casi puramente en el isoacutetopo de oxiacutegeno 16 (9976 ) seguacuten

Loacutepez Castro Molina y Arbey (2011)

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO

Cada aacutetomo de zinc se encuentra rodeado por un tetraedro de 4 aacutetomos de oxiacutegeno y viceversa

tal y como se muestra en la figura 21 formando de esta manera una combinacioacuten alternada de

planos de aacutetomos oxiacutegeno y de planos de aacutetomos de zinc las cuales se encuentran a lo largo del

eje c con un desplazamiento entre ellos de 038c siendo c su paraacutemetro de red en la direccioacuten

vertical Los valores de los paraacutemetros de red para dicho material en condiciones normales de

presioacuten y temperatura son a = 032495 nm y c = 052069 nm (Hernaacutendez 2014)

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Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn de color gris oscuro

(Fuente Hernaacutendez)

Su estructura puede describirse como un nuacutemero de planos alternantes que estaacuten compuestos

por iones de oxiacutegeno 1198742minus e iones de zinc 1198851198992+ que se encuentran alternados en el eje c esta

estructura tetraeacutedrica es la que le confiere su baja simetriacutea y lo que resulta en sus propiedades de

piezoelectricidad (Hernaacutendez 2014)

Otra importante caracteriacutestica del ZnO es su superficie polar siendo la maacutes comuacuten la del plano

basal Los iones de zinc y oxiacutegeno generan superficies cargadas positiva para (119885119899 minus (0001)) y

negativa para (119874 minus (0001)) lo que resulta en un momento dipolar normal y una polarizacioacuten

espontaacutenea La estabilidad de la superficie polar 119885119899119874 plusmn (0001) es materia de estudio tambieacuten es

atoacutemicamente plana y estable sin reconstruccioacuten (Hafdallah et al 2018 Zhon 2004)

El zinc tiene una configuracioacuten electroacutenica (1119904)2(2119904)2(2119901)6(3119904)2(3119901)6(3119889)10(4119904)2 mientras

que la configuracioacuten electroacutenica del oxiacutegeno es (1119904)2(2119904)2(2119901)4 El enlace de ZnO en su red

cristalina involucra una hibridacioacuten 1199041199013 de los estados electroacutenicos lo cual lleva a cuatro orbitales

equivalentes en una geometriacutea tetraeacutedrica En el cristal semiconductor resultante los estados de

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enlace 1199041199013 constituyen la banda de valencia mientras que la banda de conduccioacuten se origina de su

contraparte de anti-enlace seguacuten Deinert (2016)

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO

Estructuralmente el oacutexido de zinc tiene tres tipos de direcciones raacutepidas de crecimiento las

cuales son lang2110rang ( plusmn[2110] plusmn[1210] plusmn[1120] ) lang0110rang ( plusmn[0110] plusmn[1010]

plusmn[1100] ) y plusmn[0001] El ZnO exhibe un amplio rango de nuevas estructuras que pueden ser

desarrolladas ajustando las tasas de crecimiento a lo largo de esas direcciones Uno de los mayores

factores que determinan la morfologiacutea implican las actividades superficiales relativas de diversas

facetas de crecimiento bajo condiciones dadas Macroscoacutepicamente un cristal tiene diferentes

paraacutemetros cineacuteticos para diferentes planos del cristal los cuales son controlados bajo condiciones

de crecimiento Asiacute despueacutes de un periodo inicial de incubacioacuten y nucleacioacuten un cristalito

comuacutenmente se convertiraacute en un objeto tridimensional bien definido con caras cristalograacuteficas de

bajo iacutendice La figura 2 de a) al c) muestran unas morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento en una

dimensioacuten para el ZnO dichas estructuras tienden a maximizar las aacutereas de las caras (2110) y

(0110) debido a la maacutes baja energiacutea y la morfologiacutea mostrada en la parte d) es dominada por las

superficies polares las cuales pueden ser crecidos mediante la introduccioacuten de defectos planares

paralelos a las superficies polares Los defectos planares y gemelos son observados ocasionalmente

paralelos al plano (0001) pero rara vez se pueden observar dislocaciones (Zhon 2004)

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Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnO (Fuente Zhon)

24 El Cobre y Sus Propiedades

El cobre con nuacutemero atoacutemico 29 y peso atoacutemico de 6354 exhibe una estructura cristalina cuacutebica

centrada en las caras El cobre es un elemento de transicioacuten y al ser un metal noble tiene

propiedades inherentes similares a las de la plata y el oro Tambieacuten posee excelente conductividad

maleabilidad resistencia a la corrosioacuten y biofuncionalidad El cobre tiene alta solubilidad para

otros elementos tales como el niacutequel el zinc el estantildeo y el aluminio Esta solucioacuten soacutelida de la

fase alfa (120572) es la responsable de la alta ductilidad exhibida para aleaciones de cobre Las adiciones

maacutes allaacute del liacutemite de solubilidad resultan en la fase beta (120573) la cual exhibe una estructura cuacutebica

de cuerpo centrado esta fase beta tiene alta estabilidad de temperatura y las aleaciones que exhiben

una estructura 120572 + 120573 tienen una excelente capacidad de formacioacuten en caliente La densidad del

cobre es 889 1198921198881198983 y su punto de fusioacuten es 1083 Seguacuten American Society For Testing

Materials la cual es revisada anualmente

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25 Dopado al Oacutexido de Zinc

Los elementos del grupo IB como el cobre la plata y el oro no parecen de tanto intereacutes como

sus contrapartes del grupo IA y VA pero actualmente se vienen trabajando con estos elementos

ya que cambian las propiedades del ZnO esto podriacutea significar que una sustitucioacuten con zinc podriacutea

resultar un defecto de aniquilador de electrones Aunque estos pueden ser considerados costosos

la plata y el cobre podriacutea ser una alternativa maacutes econoacutemica en comparacioacuten con otros elementos

que han sido usados como dopantes al fin de cuentas estas poseen una conductividad uacutenica

(Wolgamott 2017)

Las figuras 23 24 y2 5 muestran las energiacuteas de formacioacuten por defecto para el ZnO dopado

con cobre plata y oro estas cifras junto con un caacutelculo hecho por Yan Al-Jassim ampWei (2006)

muestran que bajo condiciones ricas en oxiacutegeno los elementos del grupo IB tienen una baja energiacutea

de formacioacuten para la sustitucioacuten del zinc Esta misma condicioacuten rica en oxiacutegeno tambieacuten suprime

la formacioacuten de defectos nativos en el agujero de perforacioacuten aumentando asiacute la posibilidad de

una peliacutecula delgada de ZnO dopado del tipo p (Wolgamott 2017)

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Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

El cobre y la plata ofrecen una mejor ruta para la reproduccioacuten de peliacuteculas delgadas de ZnO

del tipo p El dopaje con nitroacutegeno solo es favorable en condiciones ricas en zinc esto aumenta la

probabilidad de que se formen defectos por la formacioacuten de agujeros para compensar Para

ajustarse a esto teacutecnicas de procesamiento novedoso y no equilibrado deben ser usadas esta

dificultad aumenta los costos de procesamiento y reduce la reproduccioacuten de tales (Wolgamott

2017)

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Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

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CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE

PELIacuteCULAS DELGADAS

Una variedad de teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas han sido empleadas para el

depoacutesito de oacutexidos conductores trasparentes tales como el oacutexido de estantildeo (SnO2) dopado con

antimonio (SnO2 ∶ Sb) o con fluorina (SnO2 ∶ F) el oacutexido de indio(In2O3) dopado con estantildeo

(In2O3 ∶ Sn) el oacutexido de zinc (ZnO) dopado con indio (ZnO ∶ In) Ya que el transporte oacuteptico y

eleacutectrico en estas peliacuteculas depende fuertemente de su estequiometria su microestructura y de la

naturaleza de las impurezas presentes por lo tanto cada teacutecnica de deposicioacuten con los paraacutemetros

asociados produce peliacuteculas con diferentes propiedades Dependiendo de queacute teacutecnica de

deposicioacuten se use el sustrato influiraacute significativamente en las propiedades de las peliacuteculas Los

sustratos de vidrio son los de uso comuacuten para estos procesos Los procesos a baja temperatura tales

como la pulverizacioacuten catoacutedica con magnetroacuten la pulverizacioacuten ioacutenica con haz de iones y el

recubrimiento ioacutenico reactivo permiten la deposicioacuten de las peliacuteculas de oacutexido sobre el sustrato de

poliacutemero como el plaacutestico Mylar y poly (Teraftalato de etileno) Seguacuten Waal amp Simons (1981)

el coeficiente de expansioacuten teacutermica del sustrato afecta las propiedades eleacutectricas de las peliacuteculas

especialmente en procesos como los de rociado piroliacutetico y de inmersioacuten en los cuales las tensiones

intriacutensecas son inducidas dentro de la peliacutecula El coeficiente de expansioacuten teacutermica influye en la

orientacioacuten preferente del cristalito en las peliacuteculas de ZnO (Ghandhi Field amp Shealy 1980)

El proceso que implica deposiciones a altas temperaturas el efecto de la difusioacuten de iones

alcalinos desde el sustrato de vidrio hacia la peliacutecula se vuelve extremadamente importante (Kane

Schweizer amp Kern 1976) Los cationes actuacutean como agentes dopantes de tipo-p y compensan los

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donantes nativos El problema es grave en los sustratos de vidrio Soda-lime los cuales tienen un

alto contenido en sodio alrededor del 10-15 peso 1198731198862119874 En La figura 31 podemos observar

los tipos de procesos para la obtencioacuten de peliacuteculas delgadas

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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31 Procesos Fiacutesicos

311 Evaporacioacuten teacutermica

Peliacuteculas delgadas de IO (oacutexido de indio) (Pan amp Ma 1980) ITO (oacutexido de indio dopado con

estantildeo) (Mizuhashi 1980) y ZnO (Wang et al 2005) han sido depositadas por evaporacioacuten

teacutermica o por haz de electrones de fuentes de oacutexido Debido a su alto punto de fusioacuten el TO

(oacutexido de estantildeo) ha sido depositado por haz de electrones (Mizuhashi 1980) Cuando los oacutexidos

puros o mixtos se evaporan se reducen y forman peliacuteculas opacas de oacutexidos inferiores Por lo tanto

los oacutexidos transparentes conductores son obtenidos por post-oxidacioacuten de peliacuteculas inferiores o

por introduccioacuten del oxiacutegeno durante la evaporacioacuten (Ruumlcker amp Becker 1978)

La cineacutetica de oxidacioacuten de sub-oacutexidos la dependencia de la resistividad y la transmisioacuten en el

sustrato y las temperaturas de oxidacioacuten han sido estudiadas para peliacuteculas de ITO (Mizuhashi

1980) La opacidad de las peliacuteculas depositadas ha sido atribuida a la presencia de indio libre en

una matriz de In2O3 que resulta de la reduccioacuten de especies de In2O que estaacuten presentes en la

fase de vapor

La post-oxidacioacuten del indio libre es a traveacutes de un proceso controlado por difusioacuten y las

propiedades eleacutectricas y oacutepticas finales de las peliacuteculas estaacuten determinadas por las tasas relativas

de oxidacioacuten y difusioacuten del indio (Mizuhashi 1980)

En el caso de la oxidacioacuten durante la deposicioacuten la temperatura del sustrato y la presioacuten parcial

de oxiacutegeno son los principales paraacutemetros de control para el proceso que han sido estudiados por

Mizuhashi (1980) que obtuvo peliacuteculas de ITO de buena calidad con una presioacuten parcial de

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oxiacutegeno de 10minus4 Torr y una temperatura de sustrato de 400 con una tasa de deposicioacuten de

aproximadamente 50 Å 119898119894119899minus1 para el O2 puro

De lo anterior se puede concluir que para obtener peliacuteculas altamente transparentes y

conductoras por evaporacioacuten es necesario que la presioacuten parcial del oxiacutegeno sea alta (suficiente

para oxidar casi todo el indio) que la temperatura del sustrato sea la adecuada y que la tasa de

evaporacioacuten sea raacutepida (para suprimir la disociacioacuten de In2O3)

312 Sputtering

El Sputtering o pulverizacioacuten catoacutedica es una de las teacutecnicas maacutes usadas para la deposicioacuten de

peliacuteculas conductoras transparentes Esta teacutecnica se basa esencialmente en un bombardeo intenso

de un material con iones producidos en una descarga eleacutectrica en forma de plasma cuando la

energiacutea de los iones incidentes es suficientemente elevada entonces la interaccioacuten con la superficie

del material a traveacutes de intercambio de momento cineacutetico hace que los aacutetomos de la superficie

sean arrancados para pasar a la fase de vapor La figura 32 muestra un esquema de las etapas del

proceso El caacutetodo el cual estaacute conectado a la terminal negativa de la fuente de alimentacioacuten estaacute

formado por el material a evaporar que tambieacuten es llamado blanco o sputtering target estaacute

sometido al bombardeo intenso de los iones positivos de la descarga una vez que son acelerados

desde el plasma como consecuencia de la caiacuteda de potencial asociada El bombardeo de los iones

produce no solo el efecto de sputtering o pulverizacioacuten del blanco sino tambieacuten la emisioacuten de

electrones secundarios que son acelerados hacia el plasma Una vez en el plasma estos electrones

tienen la energiacutea suficiente para producir nuevos iones mediante procesos de ionizacioacuten en cascada

por impacto con los aacutetomos del gas compensando asiacute la perdida de carga producida por colisiones

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de las especies cargadas en las paredes de la caacutemara de vaciacuteo Se dice que la descarga es auto

mantenida (Aacutelvaro 2014)

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipo (Fuente Aacutelvaro)

El gas de la descarga suele ser un gas inerte de masa elevada con el objeto de aumentar la

transferencia del momento cineacutetico a los aacutetomos del blanco por razones de precio en la mayoriacutea

de las aplicaciones el gas utilizado es argoacuten con una masa atoacutemica de 40 los sustratos a recubrir

estaacuten colocados sobre el aacutenodo aunque se pueden situar sobre un soporte auxiliar frente al caacutetodo

El electrodo que actuacutea de aacutenodo suele estar conectado al potencial de tierra junto con la caacutemara

de vaciacuteo por razones de seguridad A diferencia de la teacutecnica de evaporacioacuten teacutermica la trayectoria

de las partiacuteculas pulverizadas no es rectiliacutenea ya que a presiones de trabajo alrededor de

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10minus3 mbar el recorrido libre medio es del orden de unos pocos mm Los aacutetomos evaporados

pueden alcanzar al sustrato desde cualquier direccioacuten despueacutes de sufrir una serie de colisiones en

la atmosfera de sputtering en las cuales sufren una peacuterdida de su energiacutea inicial Por lo tanto los

problemas de direccionalidad y los de homogeneidad del espesor de la capa depositada son

menores que en la evaporacioacuten teacutermica Al mismo tiempo los aacutetomos del gas inerte y la radiacioacuten

procedente del plasma tambieacuten interaccionan con la superficie de los sustratos produciendo

efectos laterales De hecho existe la posibilidad de que aacutetomos del gas inerte puedan contaminar

la capa depositada en el sustrato al quedar atrapados en su interior durante el crecimiento (Aacutelvaro

2014)

32 Procesos Quiacutemicos

321 CVD

La deposicioacuten quiacutemica por vapor (Chemical Vapor Deposition) es un proceso antiguo que data

del 1800 En este tiempo esta teacutecnica fue usada principalmente para producir materiales

refractores de alta pureza tales como el zirconio y el titanio Despueacutes de la segunda guerra mundial

los investigadores comenzaron a darse cuenta de las ventajas potenciales que ofreciacutea el CVD

Esta teacutecnica consiste en la deposicioacuten por vapor sobre una superficie caliente Esto pertenece a

las teacutecnicas de transferencia de vapor Con esta teacutecnica la liacutenea de visioacuten con la superficie de

recubrimiento no es necesaria por lo tanto permite la deposicioacuten en superficies complejas tambieacuten

posee una alta tasa de deposicioacuten y puede ser usado para recubrimientos gruesos esto permite la

co-deposicioacuten de los elementos y no requiere de un proceso de alto vaciacuteo

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La figura 33 muestra un CVD tiacutepico El primer paso es la activacioacuten teacutermica de los precursores

quiacutemicos para formar el vapor este a su vez es transportado a traveacutes de una caacutemara caliente en

donde el sustrato estaacute colocado en esta caacutemara la reaccioacuten gaseosa ocurre y los reactantes son

depositados en la superficie del sustrato con lo cual resulta la formacioacuten de la peliacutecula Los

subproductos volaacutetiles son desorbidos desde la peliacutecula y removidos de la caacutemara por medio de la

conveccioacuten

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica para un proceso de cvd (Fuente En liacutenea)

Un proceso tiacutepico de CVD requiere de temperaturas altas que la reaccioacuten de fase gaseosa ocurra

esto no soacutelo aumenta los costos de proceso sino que tambieacuten limita los tipos de sustratos donde la

peliacutecula delgada puede ser depositada Los precursores quiacutemicos con alta presioacuten de vapor que se

necesitan para el CVD son en su mayoriacutea toacutexicos y peligrosos para trabajar con ellos Finalmente

los subproductos de la reaccioacuten gaseosa que no permanecen en el sustrato pueden ser toacutexicos e

incluso corrosivos La neutralizacioacuten de estos subproductos implicariacutea un aumento del costo de

produccioacuten

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322 Sol-Gel

Esta teacutecnica de crecimiento es un proceso quiacutemico huacutemedo realizado a bajas temperaturas que

permite fabricar materiales amorfos y poli cristalinos estos uacuteltimos se obtienen despueacutes de un

tratamiento teacutermico En el meacutetodo Sol-Gel se puede controlar la composicioacuten quiacutemica estructura

cristalina y morfologiacutea superficial de las peliacuteculas ajustando los paraacutemetros de procesamiento tales

como relacioacuten molar entre los reactivos cantidad y naturaleza de los precursores disolventes

catalizadores aditivos e impurificantes Este proceso sigue la ruta quiacutemica que muestra en la figura

34 este parte de una solucioacuten inicial compuesta por un alcoacutexido metaacutelico por agua y por un

disolvente al que se le agrega un catalizador que puede ser tanto aacutecido como baacutesico Las reacciones

de hidroacutelisis y condensacioacuten se desencadenan a fin de sintetizar una suspensioacuten coloidal de

partiacuteculas soacutelidas o cuacutemulos en un liacutequido llamado Sol A medida que la reaccioacuten continua aumenta

la viscosidad de la solucioacuten hasta la forma del Gel el cual estaacute constituido de dos partes una soacutelida

que corresponde a las partiacuteculas de oacutexido y una liacutequida que es el disolvente inicial del Sol Luego

de esto se inicia un periodo de secado en condiciones normales de presioacuten y temperatura en el cual

se lleva a cabo la eliminacioacuten del disolvente y del agua residual de tal modo que el Gel se encogeraacute

obtenieacutendose un xerogel Al teacutermino del tiempo de secado generalmente se tienen disolventes y

agua para solucionar esto se somete a un tratamiento teacutermico (Ramiacuterez 2015)

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Figura 34 Ruta quiacutemica para el proceso de sol-gel (Fuente Ramiacuterez)

323 Rociado Piroliacutetico

Esta teacutecnica consiste en la pulverizacioacuten de una solucioacuten que contiene los iones metaacutelicos del

oacutexido que se quiere producir sobre un sustrato que se encuentra a una temperatura elevada El

precursor del material a ser fabricado se disuelve en metanol o etanol esta solucioacuten denominada

solucioacuten precursora es transformada en partiacuteculas muy finas mediante un nebulizador formando

una especie de vapor la solucioacuten nebulizada se transporta hacia el sustrato caliente con ayuda de

un gas portador (aire comprimido) de tal manera que llega al sustrato en forma de gota pequentildea

La pirolisis se produce en la superficie caliente del sustrato dando lugar a la peliacutecula delgada como

producto de la descomposicioacuten del compuesto quiacutemico por accioacuten del calor los componentes

reactivos de la solucioacuten precursora se seleccionan de tal modo que los productos de la reaccioacuten

quiacutemica que no intervienen en la formacioacuten de la peliacutecula sean volaacutetiles a la temperatura de trabajo

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Esto requiere del anaacutelisis del precursor quiacutemico tanto de la fase liacutequida como de la fase gaseosa

y una exploracioacuten de las reacciones superficiales que llevan a la formacioacuten de la peliacutecula delgada

En este proceso de fabricacioacuten de peliacuteculas delgadas un factor muy importante es la uniformidad

del tamantildeo de las gotas generadas

Cuando el vapor de la solucioacuten se aproxima al sustrato en condiciones ideales se espera que el

solvente se vaporice totalmente provocando la descomposicioacuten de los componentes no volaacutetiles

(Leoacuten 2014) En la figura 35 se muestra un esquema del equipo detallando cada parte

componente del mismo

Figura 35 Esquema del equipo de rociado piroliacutetico (Fuente Acosta amp Magantildea)

Piroacutelisis La reaccioacuten piroliacutetica la cual determina la cineacutetica del depoacutesito se efectuacutea cuando el

rociacuteo entra en contacto con el sustrato caliente y seguacuten el tamantildeo de las gotas se produciraacute

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diferentes procesos dependientes del comportamiento teacutermico de las gotas A continuacioacuten se

detallan 4 procesos diferentes seguacuten el tamantildeo de la gota

Gotas de tamantildeo muy pequentildeo

La reaccioacuten se completa durante el transporte antes de llegar al sustrato y se produce un polvo

del material sobre el sustrato la facilidad de este proceso es que puede ser faacutecilmente removido

Gotas de tamantildeo ideal

El solvente pasa a la fase gaseosa completamente antes de alcanzar el sustrato las partiacuteculas

precipitadas se fusionan vaporizan y se difunden sobre la superficie del sustrato En este proceso

las partiacuteculas producidas sufren procesos de adsorcioacuten difusioacuten superficial reaccioacuten de

nucleacioacuten por lo tanto determinan el crecimiento del recubrimiento El resto de los productos de

la reaccioacuten se volatilizan y se difunden fuera del sustrato

Gotas de tamantildeo mediano

El solvente de las gotas se vaporiza al llegar al sustrato dejando partiacuteculas precipitadas de los

reactantes los cuales se fusionan en la superficie del sustrato y causan enfriamiento localizado

obtenieacutendose recubrimientos de baja calidad

Gotas de tamantildeo grande

La energiacutea teacutermica absorbida por la gota durante el transporte al sustrato no es suficiente para

que el solvente se pueda evaporar por completo El solvente residual se evaporaraacute en el sustrato

formando estructuras no homogeacuteneas

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Para lograr la selectividad de las gotas que llegaraacuten al sustrato se graduacutea la longitud entre lo

boquilla y el sustrato Considerando que la fuerza gravitacional es proporcional a 1199033 siendo r el

radio de la gota Las gotas de radios mayores al valor criacutetico no pueden ser transportadas por el

gas portador y por lo tanto regresan al nebulizador En las cercaniacuteas del sustrato se forma una

niebla de la solucioacuten con una distribucioacuten uniforme de gotas de tamantildeo pequentildeo requisito

importante para la obtencioacuten de recubrimientos delgados de buena calidad

Las fuerzas que determinan el recorrido de las gotas por la tobera son la gravitacional y la fuerza

de Stokes debido a la friccioacuten entre la gota y las moleacuteculas de aire seguacuten Silva (2013)

119917119956 = 120788120645120636119955(119959119941 + 119959119938) [120783 +120785

120790119929119942] 120784 120783

119917 = 119950119944 120784 120784

En donde 120578 es la viscosidad de la gota 119903 es el radio de la gota 119907119889 es la velocidad de la gota 119907119886

es la velocidad del aire y 119877119890 es el nuacutemero de Reynolds

El nuacutemero de Reynolds para partiacuteculas esfeacutericas en un flujo gaseoso es

119929119942 = 120784119955(119959119941 + 119959119938)

120636120633119938 120784 120785

En donde 120575119886 es la densidad del aire

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Cuando estas dos fuerzas alcanzan el equilibrio (119865 = 119865119904) las gotas viajan con velocidad

constante denominada velocidad liacutemite (119907119889119897) Al resolver la ecuacioacuten cuadraacutetica que nos da el

igualar las ecuaciones 21 y 22 tenemos

119959119941119949 = minus (119939

120784) + (

119939120784

120786minus 119940)

120783120784

120784 120786

En donde

119939 =120786120636

120785119955120633119938minus 120784119959119938 119962 119940 = 119959119938

120784 minus120786120636

120785119955120633119938119959119938 + (120633(119931) +

119924119956119924

120783120782120785)

120790119955

120784120789120633119938

Siendo 120575(119879) la densidad del solvente a temperatura T 119872119904 el peso molar del soluto y M la

molaridad de la solucioacuten (Leoacuten 2014)

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas

Los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas en sus etapas iniciales se

pueden ver en la figura 36 una vez que la partiacutecula se ha condensado de la fase gaseosa puede

inmediatamente re-evaporarse o difundirse sobre la superficie este proceso de difusioacuten puede

conducir a la adsorcioacuten especialmente en sitios como orillas y otros defectos (M Peacuterez 2005)

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Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas delgadas (Fuente M

Peacuterez)

Las energiacuteas de activacioacuten para la adsorcioacuten y difusioacuten dependen de los detalles atoacutemicos del

proceso en particular y la nucleacioacuten de maacutes de una partiacutecula adsorbida puede ocurrir En equilibrio

termodinaacutemico todos los procesos ocurren o proceden en dos direcciones opuestas a la misma

rapidez Por lo tanto en el equilibrio no hay un crecimiento neto de una partiacutecula y por lo tanto el

crecimiento del cristal debe ser un proceso cineacutetico de no equilibrio Desde un enfoque

fenomenoloacutegico existen tres modos diferentes del crecimiento de peliacuteculas como se observa en la

figura 37 (M Peacuterez 2005)

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes isla y (c) por islas

(Fuente M Peacuterez)

El crecimiento de peliacuteculas delgadas es descrito por minimizacioacuten de la energiacutea libre superficial

de la capa superior (120574119904119906119901) del sustrato (120574119904) y de la energiacutea libre de la interfase (120574119894119899119905) el cual

estaacute descrito por Δ120574 = 120574119904 minus 120574119904119906119901 minus 120574119894119899119905 (Leoacuten 2014 Aacutelvaro 2014)

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331 Modo de crecimiento capa por capa (120491120632 gt 120782)

Donde la interaccioacuten entre el sustrato y los aacutetomos de las capas es maacutes fuerte que entre los

mismos aacutetomos de las capas (Leoacuten 2014)

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas

Corresponde a un caso intermedio despueacutes de la formacioacuten de una o de muchas mono-capas

completas ocurre la formacioacuten de islas El crecimiento de islas 3D crece sobre la primera o la

uacuteltima mono capa (Leoacuten 2014 Ramiacuterez 2015)

333 Modo de crecimiento por islas (120491120632 lt 120782)

Es el caso en el que la interaccioacuten entre los aacutetomos que conforman las peliacuteculas es maacutes fuerte

(Leoacuten 2014)

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CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO

Realizar la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas sobre el sustrato requiere una cuidadosa

optimizacioacuten La siacutentesis de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se realizoacute por el meacutetodo de rociado

piroliacutetico con paraacutemetros optimizados como son la molaridad del precursor la temperatura del

sustrato la presioacuten de aire del compresor el flujo de aire y la distancia de la boquilla al sustrato

El objetivo de este trabajo de tesis fue analizar el efecto de la temperatura de recocido en un

rango de 400 minus 500 sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

En este capiacutetulo se detalla el procedimiento que se utilizoacute para la siacutentesis de las peliacuteculas

delgadas La limpieza del sustrato tambieacuten es una parte importante en la fabricacioacuten de las peliacuteculas

delgadas ya que es en donde se realizaraacute el depoacutesito y por lo tanto debe encontrarse libre de

impurezas y grasa

41 Materiales Equipos e Instrumentos

Como sustrato en donde se depositoacute la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se usoacute un vidrio

(Figura 41) con un aacuterea de 762 times 254 1198981198982

Para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol se utilizaron como precursores el Acetato de Zinc

Dihidratado [119885119899(1198621198673119862119874119874)2 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995) el Cloruro de Cobre

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dihidratado [1198621199061198621198972 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995 ) y como solvente etanol absoluto

[C2H5OH] del laboratorio Merck (998)

Para la limpieza de los sustratos se utilizoacute un agitador ultrasoacutenico (figura 42) y un horno

eleacutectrico marca Oster (119879119898aacute119909 = 400 )

Para lograr la uniformidad al momento de mezclar los materiales precursores se utilizoacute un

agitador magneacutetico (Hot Plate Stirring VWR)

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearl (Fuente Elaboracioacuten Propia)

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Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratos (Fuente Elaboracioacuten propia)

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42 Meacutetodo

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos

Para una buena deposicioacuten de la peliacutecula el sustrato a utilizar debe estar libre de impurezas

asegurando una oacuteptima adherencia

El proceso de limpieza de los sustratos empezoacute por la colocacioacuten de eacutestos en un depoacutesito que

conteniacutea agua potable y detergente marca Ariel por un tiempo de 5 minutos (Figura 43) luego se

trasladoacute a otro depoacutesito que conteniacutea aacutecido niacutetrico [1198671198731198743] al 65 durante 15 minutos en seguida

se procedioacute a enjuagarlos con agua ultrapura despueacutes se colocoacute en recipiente que conteniacutea agua

ultrapura y fueron puestos en el agitador ultrasoacutenico por 15 minutos (Figura 44) Pasado este

tiempo se retiraron los sustratos y se colocaron dentro del horno marca Oster por 10 min a 205

(Figura 45)

Figura 43 Sustratos en detergente (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenico (Fuente Elaboracioacuten propia)

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en horno (Fuente Elaboracioacuten propia)

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422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

Preparacioacuten de la solucioacuten precursora

Para la preparacioacuten de la solucioacuten se calculoacute la cantidad en gramos que debemos tener del

precursor en nuestro caso el acetato de zinc di-hidratado Para ello se utilizoacute la siguiente foacutermula

119950(119944) = 119924 times 119917119934 times 119933119952119949(119930119952119949 ) times 119927119958119955119942119963119938 120786 120783

Doacutende

m (g) Masa en gramos del precursor

M Molaridad (molLitro)

FW masa molar (gmol)

Vol (Sol) Volumen de la solucioacuten (Litros)

Pureza Porcentaje de pureza del precursor

La masa molar del acetato de zinc di-hidratado es de 21949 gmol el volumen de etanol que

se preparoacute fue 0020 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120784120783120791 120786120791

119944

119950119952119949) (120782 120782120784120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120786120785120790120789120788

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La masa del precursor fue medida con una balanza analiacutetica marca Mettler Toledo (plusmn01 119898119892)

ver figura 46

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica (Fuente Elaboracioacuten propia)

En un recipiente se mezclaron la masa medida del acetato de zinc di-hidratado y los 20 ml de

etanol que llamaremos mezcla 1

Para lograr uniformidad en la solucioacuten esta fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a una

temperatura de 60 durante 2 h (Figura 47) resultando transparente y homogeacutenea

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Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

La masa molar del cloruro de cobre di-hidratado es de 17048 gmol el volumen que se preparoacute

fue 0010 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120783120789120782 120786120790

119944

119950119952119949) (120782 120782120783120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120783120789120782120785120791

La masa de los precursores fue medida nuevamente con la balanza analiacutetica marca Mettler

Toledo (plusmn01 119898119892)

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En otro recipiente se combinaron la masa medida del cloruro de cobre dihidratado y los 10 ml

de etanol que llamaremos mezcla 2 luego fue colocado en el agitador magneacutetico a temperatura

ambiente durante 15 min

Despueacutes de haber agitado magneacuteticamente cada precursor en otro recipiente se colocoacute 194 ml

de la mezcla 1 y se le agregoacute 06 ml de la mezcla 2 de tal forma que se pueda tenerse una

proporcioacuten 119881119900119897119862119906

119881119900119897119885119899= 3 A esta nueva solucioacuten llamaremos mezcla 3

Para lograr uniformidad la nueva solucioacuten fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a

temperatura ambiente durante 15 min (Figura 48) para lograr su homogeneidad

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Proceso de siacutentesis

Para la obtencioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se utilizoacute el equipo de rociado

piroliacutetico que se encuentra en la seccioacuten de Nanociencia y Nanomateriales del Laboratorio de

Fiacutesica de Materiales ldquoDr Lennart Haselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo ver figura

49

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3

vol (Fuente Elaboracioacuten propia)

Este equipo de rociado piroliacutetico utilizado en la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas consiste de

los siguientes componentes Compresor de aire (1) Controlador de presioacuten en el rango de 0 ndash 80

psi (2) Controlador de flujo de aire en el rango de 1 ndash 15 Lmin (3) Caacutemara de vidrio (4)

Termoacutemetro (5) Nebulizador (6) Boquilla o Tobera (7) Platea caliente (8) Soporte universal (9)

Dispositivo moacutevil con una rapidez de 2311990910minus3 119888119898 119904frasl (10) Fuente de alimentacioacuten DC de 0 ndash 12

V (11) Fuente de alimentacioacuten AC de 0- 40 V (12) y Termocupla y controlador de temperatura en

el rango de 0 minus 500 (13)

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Sobre el nebulizador se colocoacute una tobera de vidrio piacuterex por la que ascienden las gotas maacutes

pequentildeas hasta llegar al sustrato caliente sobre el cual se produjo el proceso de piroacutelisis El

conjunto nebulizador y tobera estaacute acoplado a un dispositivo moacutevil el cual se va desplazando en

la direccioacuten del sustrato con el fin de obtener un recubrimiento uniforme

Las siacutentesis de la peliacutecula se hizo a la temperatura de 300 plusmn 10 La presioacuten del compresor

y el flujo de aire se mantuvieron a 30 119901119904119894(~207 119896119875119886) 119910 5 119871119898119894119899 respectivamente La distancia

boquilla sustrato se mantuvo a 30 cm con el fin de que el flujo nebulizado dirigido hacia la

superficie del sustrato se mantenga laminar El desplazamiento de la tobera-boquilla a lo largo del

sustrato se hizo con una rapidez aproximada de 04 mms con intervalos de 40 plusmn 05 119898119894119899 entre

cada ida y vuelta tiempo necesario para mantener la temperatura estable y mejor cristalizacioacuten del

soacutelido El nuacutemero de capas que consideramos oacuteptimas en este trabajo fue de 6 seguacuten E Noriega

(2015)

Al teacutermino del proceso el sistema compuesto peliacuteculasustrato se dejoacute enfriar lentamente dentro

de la caacutemara hasta la temperatura ambiente por 15 horas con el fin de lograr una buena

cristalizacioacuten

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol

Para el tratamiento teacutermico se dividioacute el sustrato que conteniacutea la peliacutecula en 4 partes usando

una como muestra testigo (300 ) y las tres restantes sometieacutendolas por dos horas de

mantenimiento a las temperaturas de recocido de 400 450 119910 500 El horno donde se hizo el

recocido fue un Horno eleacutectrico Marca Brasimet ver figura 410 con una incertidumbre de plusmn5

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la figura 411 se puede ver un diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas

delgadas de ZnO Cu 3 vol

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Figura 411 Diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten

Para caracterizar las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol se emplearon las teacutecnicas de

difraccioacuten de rayos X (DRX) para determinar el tamantildeo del cristalito y la estructura la

espectrofotometriacutea ultravioleta visible (UV-Vis) para determinar la transmitancia absorbancia y

energiacutea del gap y por el uacuteltimo se utilizoacute el Microscopio de Fuerza Atoacutemica (AFM) para

determinar la morfologiacutea y rugosidad A continuacioacuten se describiraacuten brevemente estas teacutecnicas

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX)

La difraccioacuten de rayos X es una teacutecnica de caracterizacioacuten que sirve para analizar espectros

relacionados con la estructura de los materiales que son la constante de red estructura cristalina

identificacioacuten de materiales orientacioacuten de monocristales y orientaciones preferenciales de

policristales Los rayos X se caracterizan porque su longitud de onda variacutea de 01 minus 100 Å (Rayos

X fluorescencia online) En la figura 412 se puede ver un esquema de difraccioacuten de rayos X

basado en la ley de Bragg

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos x (Fuente Rojas)

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Cuando un haz de rayos X de una longitud de onda especiacutefica del mismo orden de magnitud de

las distancias interatoacutemicas del material llega a este los rayos X se dispersan en todas las

direcciones La mayor parte de la radiacioacuten dispersada por un aacutetomo anula la radiacioacuten dispersada

en otros aacutetomos Los rayos X que llegan a ciertos planos cristalograacuteficos formando aacutengulos

especiacuteficos con ellos se refuerzan en lugar de aniquilarse a este fenoacutemeno se llama difraccioacuten

Los rayos X se difractan o el haz se refuerza cuando las condiciones satisfacen la Ley de Bragg

119852119842119847 120637 =119951120640

120784119941119945119948119949 120786 120783

Donde 120579 es la mitad del aacutengulo que forman el haz difractado y el haz original n es el orden de

difraccioacuten 120582 es la longitud de onda de los rayos X 119889ℎ119896119897 es la distancia interplanar que produce

refuerzo del haz ℎ119896119897 son los iacutendices de Miller (Askeland 1998) La difraccioacuten ocurre siempre y

cuando se satisfaga la ley de Bragg por lo que no necesariamente cualquier direccioacuten arbitraria

produciraacute difraccioacuten

La informacioacuten obtenida se presenta en un graacutefico de intensidad en funcioacuten de 2120579 llamado

patroacuten de difraccioacuten Cada sustancia produce siempre un patroacuten de difraccioacuten caracteriacutestico

independientemente de que si se encuentra en un estado puro o formando parte de una mezcla de

sustancias (Askeland 1998)

Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

fueron obtenidos con el difractoacutemetro RIGAKU Miniflex-600 que opera en la geometriacutea Bragg-

Brentano donde la radiacioacuten 119862119906 119896120572 (120582 = 15406 Aring) fue utilizada como fuente de rayos X El

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equipo operoacute a 30 KV de voltaje y 10 mA de corriente el barrido se realizoacute en un aacutengulo de 2120579

con rango desde 20deg a 70deg con velocidad de escaneo de 5 deg119898119894119899

La identificacioacuten de los picos de difraccioacuten se comparoacute con la base de datos Card info 00-900-

8877 de la Crystallography Open Database mostrado en el anexo A

La distancia interplanar se calculoacute con la ley de Bragg para el primer orden (n=1) de difraccioacuten

de acuerdo a la ecuacioacuten 41 tendriacuteamos

119837 =120640

120784 119852119842119847 120637 120786 120784

En donde 120579 es el aacutengulo de incidencia y 120582 = 15405981 Aring

Paraacutemetros de red

Para identificar la constante de red c de la estructura de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se tomoacute

en cuenta la estructura hexagonal wurtzita cuya distancia interplanar estaacute relacionada con los

iacutendices de Miller de los planos (hkl) y las constantes de red a y c a traveacutes de la ecuacioacuten 43

(Askeland 1998) y con el tamantildeo de cristalito (119863)

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784 120786 120785

A partir de la ecuacioacuten 43 es posible determinar los paraacutemetros de la red cristalina Cuando se

incide sobre un cristal muy pequentildeo del orden de nanoacutemetros se produce un ensanchamiento del

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pico de difraccioacuten esto permite determinar el tamantildeo promedio del cristal (119863) por medio de la

ecuacioacuten de Scherrer (Gurumurugan amp Mangalaraj 1995)

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637 120786 120786

Donde D es el tamantildeo del cristalito K es el factor de forma (K=09 para esferas) 120582 es la longitud

de onda de los rayos X (120582 = 15405981 Aring ) 120573 es el ancho completo de la mitad del maacuteximo y se

encuentra en radianes por lo tanto hay que convertir los valores de (FWHM) que se encuentran en

grados multiplicaacutendolos por 120587 180degfrasl y 120579 es el aacutengulo de Bragg

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectrometriacutea UV-Vis se basa en la absorcioacuten de radiacioacuten UV o visible por parte de las

moleacuteculas y se emplea para analizar muestras en fase liacutequida o soacutelida La espectrometriacutea de

absorcioacuten implica la medida de la fraccioacuten de la luz de una longitud de onda que pasa a traveacutes de

una muestra la figura 413 muestra la geometriacutea del equipo la muestra no emite luz por siacute misma

por lo que se debe incluir una fuente de radiacioacuten El paso de la luz a traveacutes de un monocromador

o un filtro selecciona la longitud de onda para el anaacutelisis (Hernaacutendez 2014)

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Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vis (Fuente Hernaacutendez)

Durante el anaacutelisis de la muestra se hacen dos mediciones en la primera se mide la cantidad de

luz en funcioacuten de la longitud de onda que llega al transductor cuando se ha colocado un blanco

(vidrio) Se denomina 1198680 del blanco cuando la concentracioacuten del material analizado es cero

La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras (vidrio + peliacutecula) con la

medida del blanco (vidrio) Llamamos 119868 a la intensidad que se mide con las muestras o con el

estaacutendar La comparacioacuten que se hace implica la relacioacuten 1198681198680 con ambas intensidades medidas

en las mismas condiciones del instrumento (longitud de onda geometriacutea) Se utilizan tres teacuterminos

diferentes para expresar esta relacioacuten

El primero es simplemente la relacioacuten 1198681198680 y se denomina Transmitancia que es denotada por

la letra T

119931 =119920

119920120782 120786 120785

El segundo es el porcentaje de transmitancia

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119931 = 119931 lowast 120783120782120782 120786 120786

El tercero es el logaritmo negativo de T que se denomina Absorbancia y se denota con la letra

A

119912 = minus 119845119848119840119920

119920120782= minus 119845119848119840 119931 120786 120787

Para la determinacioacuten del ancho de banda de energiacutea prohibida la energiacutea del gap (119864119892) es

determinada del espectro experimental del coeficiente de absorcioacuten (120572) como una funcioacuten de la

energiacutea del fotoacuten (ℎ120592)

En los materiales de gap directo como el ZnO se utiliza la siguiente ecuacioacuten

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ

es la constante de Planck 120584 es la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

En una graacutefica (120572ℎ120584)2 119907119904 ℎ120584 el ajuste a una recta de la parte proacutexima a 120572 = 0 el intercepto

para la ordenada nula es el valor de la energiacutea prohibida Esta recta tiene una expresioacuten de la forma

119910 = 119898119909 + 119887 lo que se tiene que buscar es el valor de 119909 para 119910 = 0 esto es 119909 = minus119887119898

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La conversioacuten de la energiacutea del fotoacuten en funcioacuten de la longitud de onda se realiza mediante la

constante de Planck(ℎ) y la de la velocidad de la luz (119888) La frecuencia del fotoacuten se relaciona con

la longitud de onda a traveacutes de la siguiente ecuacioacuten

119940 = 120642120640 120786 120789

Entonces la energiacutea del fotoacuten se puede escribir en funcioacuten de la longitud de onda como

119916 =119945119940

120640 120786 120790

Por lo tanto la energiacutea del fotoacuten puede calcularse como 12398

120582(119899119898) Aplicando al caso del ZnO se

adquieren los valores de la longitud de onda y la transmitancia del vidrio y la medida se divide la

transmitancia medida entre la del vidrio para obtener la transmitancia de la peliacutecula Se transforma

la transmitancia en coeficiente de absorcioacuten y la longitud de onda en energiacutea (H Bubert amp Jenett

2002)

Los anaacutelisis de absorbancia y transmitancia para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con

tratamiento de recocido se realizaron con el espectroacutemetro UV-Vis marca Analytik Jena Modelo

Specord Plus 250 y con un barrido de longitud de onda de 300 nm a 800 nm

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443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)

Este meacutetodo inventado en 1985 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer pertenece al grupo de

teacutecnicas de microscopiacutea de fuerza de barrido un grupo de teacutecnicas que estaacuten basadas en la

medicioacuten de diferentes fuerzas como son la fuerza atractiva la gravitatoria la repulsiva la

magneacutetica la de Van Der Walls y la electrostaacutetica esta medicioacuten es hecha entre la punta fina y la

superficie de la muestra

La formacioacuten de la imagen se lleva a cabo mediante la medicioacuten de la fuerza de interaccioacuten a

traveacutes de la deflexioacuten de un cantileacutever Aunque diversos tipos de fuerzas se encuentran cuando una

punta se aproxima a la superficie de la muestra la generacioacuten de la sentildeal en el AFM se basa

esencialmente en fuerzas repulsivas interatoacutemicas que son de naturaleza de corto alcance

En el caso ideal se puede asumir ver figura 414 lo que significa que el contacto directo de la

punta con la superficie se la muestra se limita a un aacuterea muy pequentildea Como resultado de esto

siempre hay una fuerza repulsiva interatoacutemica en esta pequentildea aacuterea de contacto debido a la

penetracioacuten de las capas electroacutenicas de los aacutetomos de la punta y los de la superficie de la muestra

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Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del sustrato (Fuente Rojas)

La fuerza repulsiva interatoacutemica estaacute influenciada por la densidad total de electrones alrededor

de un aacutetomo y no soacutelo por los estados particulares de la energiacutea La interaccioacuten entre la punta y la

muestra puede ser descrita por una graacutefica fuerza vs distancia esta graacutefica mostrada en la figura

415 permite ver los cambios de fuerza cuando la punta se acerca a la muestra si hay una gran

separacioacuten no hay interaccioacuten por lo tanto la fuerza seriacutea cero (en la liacutenea entre 1 y 2 no habriacutea

fuerzas electrostaacuteticas) En la posicioacuten 2 la punta pasa a estar en contacto debido a la fuerza

atractiva de Van Der Walls como la punta se mueve hacia la muestra entonces la fuerza total que

actuacutea sobre el cantileacutever es repulsiva Cuando la punta es arrastrada sobre la muestra las fuerzas

se reducen a lo largo de la liacutenea pasando de la posicioacuten 3 a la posicioacuten 4

Por debajo de la liacutenea de fuerza del diagrama dicha fuerza que actuacutea sobre el cantileacutever se

vuelve atractiva debido a la adhesioacuten En el punto 4 la fuerza es de adhesioacuten y la carga del

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cantileacutever apenas estaacute equilibrada la punta es tirada hacia afuera de la superficie debido a las

fuerzas de repulsioacuten

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta con la superficie del

sustrato (Fuente Rojas)

Modos de trabajo de un microscopio de fuerza atoacutemica

El AFM puede funcionar en distintos arreglos o modos experimentales estos modos se dividen

baacutesicamente en dos grupos modos de contacto continuo y modos dinaacutemicos Los modos de

contacto continuo fueron los primeros utilizados en los antildeos tempranos del AFM y su uso apenas

insinuaba la resolucioacuten nanomeacutetrica de la que el instrumento era capaz El meacutetodo dinaacutemico de

maacutes uso es el meacutetodo de contacto intermitente o tapping mode (Loacutepez y Solares 2014)

Modo contacto

El modo contacto es el disentildeo experimental maacutes simple en este modo la punta de la sonda se

encuentra en contacto perpetuo con la muestra por lo que tambieacuten es llamado modo estaacutetico La

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figura 416 muestra el funcionamiento del AFM en modo contacto Durante la toma de imaacutegenes

en modo contacto la variable control es la deflexioacuten de la micropalanca (anaacutelogo a la compresioacuten

o estiramiento de un resorte) La variable control es mantenida constante por medio de un circuito

de retroalimentacioacuten (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemica (Fuente Loacutepez y Solares)

El escaacutener sobre el que descansa la muestra se encarga de moverla con respecto a la

micropalanca en direccioacuten ldquoxyrdquo para realizar distintas liacuteneas de escaneo La micropalanca al

interactuar con la muestra sufre una deflexioacuten proporcional a la fuerza de interaccioacuten con la

superficie obedeciendo a la ley de Hooke (ecuacioacuten 49) En este circuito la sentildeal de deflexioacuten es

leiacuteda en el fotodetector y transmitida a la caja electroacutenica donde se compara el valor actual con el

punto de ajuste (setpoint) De acuerdo a esa diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal de salida

al escaacutener para ajustar la posicioacuten en el eje ldquozrdquo de la muestra si fuera necesario para mantener la

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variable control constante Como consecuencia de las exploraciones en ejes ldquoxyrdquo asiacute como los

cambios en ldquozrdquo se genera una imagen topograacutefica de la superficie de la muestra estudiada (Loacutepez

y Solares 2014)

= 119948119963∆119937 120786 120791

Donde

Fuerza arbitraria de magnitud F

∆119937 Compresioacuten del resorte

119948119963 Constante elaacutestica

Modo contacto intermitente

Eacuteste meacutetodo es comuacutenmente conocido como ldquotapping moderdquo en ingleacutes es el meacutetodo maacutes baacutesico

de los meacutetodos dinaacutemicos ademaacutes es el meacutetodo maacutes frecuente utilizado en AFM En este meacutetodo

la micropalanca se hace vibrar con amplitudes en el rango nanomeacutetrico (aproximadamente entre 5

y 200 nm) razoacuten por la que se le conoce como una teacutecnica de amplitudes ldquograndesrdquo El teacutermino

ldquograndesrdquo es relativo cuando se compra a otras teacutecnicas dinaacutemicas en la que la micropalanca puede

vibrar en el rango de los angstroms como en el caso de modulacioacuten de frecuencia en alto vaciacuteo

(Gross et al 2009)

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El AFM de contacto intermitente funciona con un circuito que controla la amplitud y se encarga

de mantenerla a un valor preestablecido (setpoint) En el circuito de modulacioacuten de amplitud ver

figura 417 la amplitud es calculada internamente con los valores de pendiente de la micropalanca

que lee el fotodetector Luego esa amplitud se compara con el valor preestablecido de amplitud y

si existe una diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal al escaacutener este se encarga de hacer la

correccioacuten en el eje ldquozrdquo para poder alcanzar el valor preestablecido y de esta forma mantener la

variable control (amplitud) constante Al igual que el meacutetodo de contacto las exploraciones en

ejes ldquoxyrdquo asiacute como los cambios en el eje ldquozrdquo generan una imagen topograacutefica de la superficie

estudiada (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitente (Fuente Loacutepez y Solares)

Los cambios topograacuteficos generan cambios en la amplitud de oscilacioacuten Por ejemplo si la

micropalanca se encuentra con una protuberancia la amplitud de la punta se veraacute reducida

temporalmente luego para compensar por esa peacuterdida de amplitud el escaacutener recibiraacute a traveacutes del

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circuito la sentildeal para mover la muestra hacia abajo con el objetivo de mantener la amplitud

preestablecida (setpoint) Es importante mencionar que en este modo se escoge una amplitud en el

experimento correspondiente a una fraccioacuten de la amplitud libre ver figura 417) Tanto la

amplitud libre de la punta como la fraccioacuten de la amplitud libre se escogen durante el experimento

la eleccioacuten de estos paraacutemetros antildeade complejidad si lo comparamos con el modo contacto donde

el usuario uacutenicamente se preocupa de una variable que es la deflexioacuten de la micropalanca (Loacutepez

y Solares 2014) Es por ello que en general el aumento del grado de sofisticacioacuten del meacutetodo en

AFM permite la recopilacioacuten de mayor informacioacuten pero al mismo tiempo requiere de mayor

juicio conocimiento y experiencia del usuario

Existen ecuaciones que sirven para determinar los distintos paraacutemetros de rugosidad de las

muestras a analizar de las cuales soacutelo se usaron dos en este trabajo de tesis que son

Desviacioacuten Promedio

119929119938 =120783

119951 sum|119962119946|

119951

120783

120786 120783120782

Desviacioacuten Estaacutendar

119929119954 = radic120783

119951 sum 119962119946

120784

119951

120783

120786 120783120783

Donde

119962119946 Distancia vertical desde la liacutenea principal hasta el i-eacutesimo punto de dato

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119951 Orden de los perfiles de rugosidad

119929119938 Desviacioacuten Promedio (Rugosidad Media)

119929119954 Desviacioacuten Estaacutendar (Rugosidad Cuadraacutetica Media)

Los anaacutelisis de rugosidad de las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

se realizaron con el equipo de Microscopiacutea de fuerza atoacutemica marca Bruker y modelo Dimension

Edge V-T 102

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CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

51 Difraccioacuten de Rayos X

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano

En la figura 51 se observan los picos de difraccioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

sintetizada a 300 y de las recocidas a las temperaturas de 400 450 119910 500 respectivamente

Los picos de difraccioacuten teoacutericos se encuentran en el anexo A Todas las muestras presentan

naturaleza policristalina y estructura hexagonal wurtzita con una clara orientacioacuten preferencial en

el plano (002) no se presentaron picos caracteriacutesticos del cobre debido al bajo porcentaje de

dopaje La intensidad del pico del plano (002) en las peliacuteculas sometidas a temperaturas de

recocido son mayores en comparacioacuten a la de la peliacutecula sin recocido presentando el mayor pico

a 450 mientras que el plano (100) aparece uacutenicamente en la peliacutecula recocida a 400 S

observoacute una disminucioacuten del tamantildeo del cristalito con la primera temperatura de recocido de alliacute

en adelante fue aumentando en cambio el paraacutemetro de red c fue disminuyendo con la temperatura

de recocido Todo esto puede ser quizaacutes a la sustitucioacuten de iones de cobre en los sitios del zinc

ingreso de iones de cobre a los intersticios (ya que el radio ioacutenico del zinc es casi del mismo tamantildeo

que el del cobre) o vacancias de iones de zinc u oxiacutegeno produciendo una deformacioacuten en la red

seguacuten Filali Torchynska Diacuteaz amp Morales (2015) Si iones Cu1 sustituyen a iones Zn2 en la

estructura cristalina existe un incremento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como

se observa en las peliacuteculas recocidas a 450 119910 500 pero si es el ion Cu2 el que sustituye a iones

Zn2 se observa un decrecimiento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como sucede en

las peliacuteculas de 300 400 119910 450

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Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con recocido (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la tabla 1 se muestran los valores calculados para el aacutengulo de Bragg del plano (002) la

distancia interplanar el paraacutemetro c el ancho completo de la mitad del maacuteximo y el tamantildeo del

cristalito

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Tabla 1

Tabla de valores para las propiedades estructurales

Datos obtenidos mediante DRX y caacutelculos (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra

120784120637(deg)

119941119945119948119949(Aring)

119836 (Aring)

FWHM 119811 (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3441 2604 5208 03221 2582

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 3448 2599 5198 04430 1878

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 3463 2588 5176 03161 2633

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 3458 2592 5184 02847 2923

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En la figura 52 se observa la relacioacuten entre el tamantildeo del cristalito y la temperatura de recocido

el recocido a 400 no fue suficiente para lograr aumentar el tamantildeo del cristalito es por eso que

disminuye considerablemente a partir de alliacute aumenta a medida que lo hace la temperatura

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica

521 Morfologiacutea y rugosidad

La figura 53 a-d muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas tomadas en AFM en dos

dimensiones barridas en un aacuterea de 5120583119898 119909 5120583119898 La superficie de las peliacuteculas no son homogeacuteneas

son rugosas con tamantildeo de grano variable Para a) se observa que el crecimiento del grano se dio

en forma de montantildeas en b) el crecimiento del grano cambioacute draacutesticamente y se dio en forma de

espiral esto puede ser debido al reordenamiento de los aacutetomos que se dio al someter la peliacutecula a

la temperatura de recocido para c) mejoroacute la cristalinidad y la forma de crecimiento fue

nuevamente como montantildea esto concuerda con el aumento del valor del tamantildeo del cristalito y

para d) la cristalinidad volvioacute a mejorar en concordancia con el tamantildeo del cristalito que aumento

un poco maacutes Esto es debido a que el incremento del tamantildeo del cristalito causa un aumento en la

rugosidad seguacuten Saidani et al (2006)

Para cada peliacutecula se hicieron tres mediciones en diferentes zonas para determinar los

paraacutemetros de rugosidad siendo sus valores promedio Rugosidad Promedio (119877119886) 000611 120583119898 y

la Rugosidad Cuadraacutetica Media (119877119902) 0007843 120583119898 que son mostrados en la tabla 2

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Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 ordmC c) rec a 450 ordmC

y d) rec a 500 ordmC (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la figura 54 a b c y d se muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas ahora en tres

dimensiones en estas imaacutegenes se observa mucho mejor el cambio de la cristalinidad y la

morfologiacutea para cada peliacutecula la rugosidad (Ra) aumenta en funcioacuten de la temperatura de recocido

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 c) rec a 450 y

d) rec a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

En la tabla 2 se han registrado los valores de la rugosidad media (Ra) y la rugosidad cuadraacutetica

media (Rq) para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

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Tabla 2

Tabla de valores de las rugosidades

Datos obtenidos mediante el software del equipo de afm (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra 119929119954 (120641119950) 119929119938 (120641119950)

ZnOCu 3 vol sin recocido 0007843 0006110

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 0006960 0005336

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 0011033 0008840

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 0011933 00095733

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En la figura 55 se observa la rugosidad media (Ra) en funcioacuten de la temperatura de recocido

con lo cual se puede confirmar que a medida que aumenta la temperatura de recocido aumenta la

rugosidad de la peliacutecula a partir de 400

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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53 Espectrometriacutea UV-Vis

531 Transmitancia

En la figura 56 se observan los espectros de transmitancia oacuteptica de las peliacuteculas delgadas de

ZnOCu 3 vol sintetizadas por el meacutetodo de rociado piroliacutetico a 300 ordmC y las sometidas a

temperaturas de recocido de 400 ordmC 450 ordmC y 500 ordmC obtenidas por espectrofotometriacutea UV-Vis

en el rango de longitudes de onda de 300 a 750 nm

Las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin recocido y con recocido presentan alta

transmitancia (gt80) esto se debe al dopaje con cobre seguacuten Bunyod Allabergenov et al (1946)

La muestra recocida a 500 ordmC presenta la mayor transmitancia (gt80) en el rango de 500 a 600

nm

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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532 Absorbancia y energiacutea del gap

En la figura 57 se puede ver el espectro de absorbancia para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol

sin y con recocido

El pico de absorbancia para todas las peliacuteculas se tiene aproximadamente en 375 nm luego

decae hasta hacerse casi nula para todas las peliacuteculas esto se debe al dopaje con cobre seguacuten

Bunyod Allabergenov (1946)

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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Se utilizoacute el modelo de Tauc para calcular la energiacutea del gap en cada peliacutecula El dopaje con

cobre disminuyoacute la energiacutea del gap a 3256 eV comparaacutendola con el valor teoacuterico (337 eV)

mientras que al someter las peliacuteculas a temperaturas de recocido se observa que el valor de la

energiacutea del gap cambia ligeramente siendo 3256 3263 y 3257 eV para las peliacuteculas recocidas a

400 450 119910 500 respectivamente a diferencia de lo reportado por Mathew (2015) esto se deba

quizaacutes a que la cantidad de cobre no fue la suficiente para lograr la disminucioacuten de la energiacutea del

gap

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para la peliacutecula recocida a

400 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y derecha para la peliacutecula

recocida a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la tabla 3 se han registrado los valores de la energiacutea del gap para las muestras sin y con

recocido de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol

Tabla 3

Tabla de valores de la Energiacutea del Gap

Datos obtenidos usando la relacioacuten de Tauc (Fuente Elaboracioacuten Propia)

Muestra Energiacutea del Gap (eV)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 400 deg119914 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 450 deg119914 3263

ZnOCu 3 vol recocido a 500 deg119914 3257

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CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES

bull Utilizando la teacutecnica de rociado piroliacutetico se obtuvo la peliacutecula delgada de ZnOCu

3 vol siendo la temperatura de siacutentesis de 300ordmC sobre un sustrato de vidrio marca

Pearl

bull Los patrones de difraccioacuten de rayos X nos ayudaron a determinar los picos de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol obtenieacutendose como resultado

un crecimiento preferencial en la direccioacuten del plano (002) siendo la muestra recocida

a 450 ordmC la que presentoacute el pico maacutes elevado Esto es caracteriacutestico de la estructura

hexagonal wurtzita

bull El tamantildeo del cristalito aumenta a medida con la temperatura de recocido a partir de

400 ordmC

bull El paraacutemetro c disminuye a medida que aumenta la temperatura de recocido

bull Las imaacutegenes obtenidas por AFM muestran que la rugosidad media (Ra) de las

peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol aumentaron a medida que aumenta la

temperatura de recocido a partir de 400 ordmC

bull La espectrofotometriacutea UV-Vis revela que todas las muestras de ZnOCu 3 vol

presentan alta transmitancia (gt80) a partir de 400 nm hasta los 750 nm siendo la

muestra recocida a 500ordmC la que presenta mayor transmitancia (gt90) en el rango de

500 a 600 nm

bull La absorbancia a partir de 400 nm es casi nula en todas las muestras

bull La energiacutea del gap se mantiene casi constante con la temperatura de recocido

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CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS

bull Se sugiere incrementar el nuacutemero de capas de la peliacutecula delgada ya que se si bien es

cierto que si se pudieron observar los patrones de difraccioacuten estos presentan ruido en

su graacutefica y se cree que esto puedo mejorar haciendo maacutes gruesa la peliacutecula

bull Se sugiere incrementar el rango de temperaturas de recocidos para poder obtener maacutes

detalles acerca de la influencia de eacutesta temperatura en las propiedades que se quieran

analizar de las peliacuteculas delgadas

bull Se sugiere realizar el dopaje con otros porcentajes de cobre para obtener maacutes

informacioacuten acerca de la influencia de esto en las propiedades a estudiar

bull Se sugiere calcular los esfuerzos por deformacioacuten

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71

REFERENCIAS

Acosta D R y Magantildea C R (2012) Oacutexidos conductores transparentes (119885119899119874 minus 1198781198991198742) Para

Remediacioacuten Ambiental Por Procesos Fotocataliacuteticos Muestra de proyectos ambientales

de tu ciudad Instituto de Fiacutesica de la Universidad Nacional Autoacutenoma de Meacutexico

Meacutexico DF

Alamri S N y Brinkman W A (2000) The effect of the transparent conductive oxide on the

performance of thin film CdSCdTe Solar cells J Phys D Appl Phys 33(1)

Aacutelvaro A D (2014) Estudio de Peliacuteculas Delgadas de 1198821198743 depositadas por la teacutecnica de

Sputtering Reactivo (tesis de pregrado) Cimav Chihuahua Meacutexico

American Society For Testing Materials Copper and Copper Alloys Annual Book of ASTM

Standards Vol21 (2) (ASTM International West Conshohocken PA) Revisado

anualmente

Askeland D (1998)Ciencia e Ingenieriacutea de los MaterialesUsa Thomson

Bedia F Z Bedia A N Maloufi N Aillerie M Gent F y Benyoucef B (2014) Effect

of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray

pyrolysis technique Journal of Alloys and Compounds 616 312ndash318

Benharrats F Zitouni K Kadri A y Gil B (2010) Determination of piezoelectric and

spontaneous polarization fields in CdxZn1ndashxOZnO quantum wells grown along the polar

(0001) direction Superlattices and Microstructures 47 592ndash596

Bubert H y Jenett H (2002) Surface and Thin Films Analysis Alemania Wiley

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

72

Bunyod A Oybek T Amir I A Jeong S W y Sungjin K (1946) Study of optical

properties in cu-doped zno thin films fabricated by dc magnetron sputtering Kumoh

National Institute of Technology (KIT) Metallkunde 37 40-4

Caglar Y Aksoy S Ilican S y Caglar M (2009) Crystalline structure and morphological

properties of undoped and Sn doped ZnO thin films Superlattices and Microstructures

46 469-475

Crystallography Open Database (2018) Recuperado de

httpwwwcrystallographynetcod1011258html

Deinert J (2016) Zinc Oxide Surfaces and Interfaces Electronic Structure and Dynamics of

Excited States (tesis postdoctoral) Department of Physics Technische Universitaumlt

Berlin Berlin Alemania

Filali B E Torchynska T V Diacuteaz C A y Morales R M (2015) Structural and raman

scattering studies of ZnO Cu nanocrystals grown by spray pyrolysis Revista Mexicana

de Ingenieriacutea Quiacutemica 14(3) 781-788

Gross L Mohn F Liljeroth P Repp J Giessibl FG y Meyer G (2009) Measuring the

charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy Science 324(5933)

1428-1431

Gurumurugan y Mangalaraj (1995) Structural Characterization of zinc oxide thin films

deposited by sol-gel Journal of Crystal Growth 147 335-360

Hafdallah A Herissi I Chergui N Kebaili Z Aida M y Attaf N (2018) Structural and

optical properties of ZnO thin films deposited by pyrolysis spray method effect of Al

doping Nanotechnology Letters

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BIBLI

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IENCIA

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

73

Hernaacutendez S S (2014) Preparacioacuten y Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de ZnO y

ZnOAl por la teacutecnica de Rociacuteo Piroliacutetico Para su Aplicacioacuten en Celdas Solares (tesis de

maestriacutea) Instituto Politeacutecnico Nacional Altamira Meacutexico

Hirata G A McKittrick J Siqueiros J Loacutepez O A Cheeks T Contreras O y Yi J Y

(1996) High transmittance-low resistivity ZnOGa films by laser ablation Journal of

Vacuum Science amp Technology A Vacuum surfaces and films 14(3) 791-794

Jeong S H Park B N Yoo D G y Boo J H (2007) Al-ZnO thin films as transparent

conductive oxides synthesis characterization and application tests Journal of the

Korean Physical Society 50(3) 622-625

Jijoy P M Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties of

Transition Metal Doped ZnO Thin Films IOP Conf Series Materials Science and

Engineering 731-5 doi 1010881757-899X

Kane J Schweizer H P y Kern W (1976) Chemical Vapor Deposition of Antimony-Doped

Tin Oxide Films Formed from Dibutyl Tin Diacetate Journal of the Electrochemical

Society 126(2) 270-277

Koumllble Ch Greiner D Klaer J Klenk R Meeder A y Ruske F (2009) DC reactive

sputtering of aluminum doped zinc oxide films for solar modules controlled by target

voltage Thin Solid Films 520 1913-1917

Leoacuten L H (2014) Efecto de la temperatura de recocido en la resistividad eleacutectrica de las

peliacuteculas de SnO2 sintetizadas por rociado piroliacutetico (tesis de pregrado) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

74

Liu H Avrutin V Izyumskaya N Oumlzguumlr Uuml y Morkoccedil H (2010) Transparent conducting

oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices Superlattices

and Microstructures 48 458ndash484

Loacutepez W Castro P Molina J y Arbey J (2011) Estabilidad y estructura electroacutenica del

ZnO Revista Colombiana de Fiacutesica 43 (I)

Loacutepez G Morales R Olea O Saacutenchez V Trujillo J Varela V y Vilchis A (2013)

Nanoestructuras metaacutelicas Siacutentesis caracterizacioacuten y aplicaciones Meacutexico DF

Meacutexico Reverteacute

Loacutepez E A y Solares S D (2014) El microscopio de fuerza atoacutemica meacutetodos y aplicaciones

Revista 28 de la Universidad del Valle de Guatemala 14-23

Mathew J P Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties

of Transition Metal Doped ZnO Thin Films Mat Sci and Eng 73 1-5

Minami T (2008) Present status of transparent conducting oxide thin-film development for

Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes Thin Solid Films 516 5822-5828

Mizuhashi M (1980) Electrical properties of vacuum-deposited indium oxide and indium tin

oxide films Thin Solid Films 70(1) 91-100

Mooney J B amp Rading S B (1982) Spray Pyrolysis Processing Annual Reviews of

Materials Science 12 81-101

Noriega D E (2015) Efecto de la temperatura del sustrato en los esfuerzos residuales de las

peliacuteculas de ZnO sintetizadas por Rociado Piroliacutetico (tesis de Maestriacutea) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

Pan C A y Ma T P (1980) High-quality transparent conductive indium oxide films

prepared by thermal evaporation Applied Physics Letter 37(2) 163

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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BIBLI

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ICAS

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AS

75

Peacuterez M L (2005) Fabricacioacuten y Caracterizacioacuten Oacuteptica Estructural y Eleacutectrica de Peliacuteculas

Delgadas Transparentes de Oacutexidos de Estantildeo Circonio y Zinc (tesis de doctorado)

Instituto Politeacutecnico Nacional Meacutexico DF Meacutexico

Rahmani M B Keshmiri S H Shafiei M Latham K Wloarski W Plessis J du y

Kalantar-Zadeh K (2009) Transition from n- to p- Type of Spray Pyrolysis Deposited

Cu Doped ZnO Thin Films for NO2 Sensing ASP 7 1-8

Ramiacuterez C M (2015) Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de 119885119899119874 1198661198863+ Obtenidas Por La

Teacutecnica de Sol-Gel (tesis de pregrado) Universidad Tecnoloacutegica de la Mixteca

OaxacaMeacutexico

Rojas F S (2013) Influencia de la temperatura de recocido de las peliacuteculas de ZnO

compuestas con nanopartiacuteculas de Au sobre el crecimiento de Nanorods (tesis de

pregrado) Universidad Nacional de Trujillo Trujillo La Libertad Peruacute

Rozati S M (2008) Effect of film thickness on the physical properties of ZnOAl thin films

deposited using a spray pyrolysis technique Canadian J Phys 86 379ndash382

Ruumlcker N y Becker K J (1978) Life stability of transparent semiconducting oxide films

deposited onto cold substrates Thin Solids Films 53(2) 163-167

Sahay PP y Nath RK (2008) Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG)

sensors Sensors and ActuatorsB(133) 222ndash227

Saidani T Zaabat M Aida M S Benoboud A Benzitouni S y Boudine A (2014)

Influence of annealing temperature on the structural morphological and optical properties

of Cu doped ZnO thin films deposited by the sol-gel method Superlattices and

Microstructures 75 47-53

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

76

Ghandi S K Field R J y Shealy J R (1980) Highly oriented zinc oxide films grown by the

oxidation of diethylzinc Applied Physics Letters 37(5) 449

Waal H y Simons F (1981) Tin oxide coatings Physical properties and applications Thin

Solid Films 77 253-258

Wang L Zhang X Zhao S Zhou G Zhou Y y Qi J (2005) Synthesis of well-aligned

ZnO nanowires by simple physical vapor deposition on c-oriented ZnO thin films without

catalyst or additives App Phy Lett 86(2)

Wolgamott J C (2017) Analysis of Zinc Oxide Thin Films Synthesized by Sol-Gel via Spin

Coating (tesis de maestriacutea) The University of Wisconsin-Milwaukee USA

Yan Y Al-Jassim M M y Wei S (2006) Doping of ZnO by group-IB element Applied

Physics Letters 89

Zhon L W (2004) Nanostructures of Zinc Oxide Materials today 7 26-33

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ANEXOS

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ANEXO A

Valores Teoacutericos Del Zno

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnO (Fuente En liacutenea)

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

79

ANEXO B

Caacutelculo de la distancia interplanar

La distancia interplanar fue calculada a partir de la Ley de Bragg

119941 =120640

120784 119852119842119847 120637

Doacutende d es la distancia interplanar 120582 es la longitud de onda de rayos X (15405981 A) y 120579 es

el aacutengulo de Bragg

Se tomoacute como plano de referencia el (002)

Para la muestra sin tratamiento de recocido el aacutengulo fue 2120579 = 3441deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120782120787deg

119941 = 120784 120788120782120786 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3448deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120786deg

119941 = 120784 120787120791120791 119808

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

80

Para la muestra recocida a 450deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3463deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120785120783120787deg

119941 = 120784 120787120790120790 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3458deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120791deg

119941 = 120784 120787120791120784 119808

Caacutelculo del paraacutemetro c

El paraacutemetro de red C fue calculado para cada muestra con la foacutermula

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784

Doacutende h=k=0 y l=2 reemplazando estos datos tenemos

119940 = 119949 119941119945119948119949

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

81

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119940 = (120784)120784 120788120782120786 119808

119940 = 120787 120784120782120790 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120791 119808

119940 = 120787 120783120791120790 119808

Para la muestra recocida a 450deg119862

119940 = (120784)120784 120787120790120790 119808

119940 = 120787 120783120789120788 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120784 119808

119940 = 120787 120783120790120786 119808

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S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

82

Caacutelculo del tamantildeo de grano

Para calcular el tamantildeo del cristalito se utilizoacute la ecuacioacuten de Debye-Scherrer

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637

Doacutende K es la constante que es 09 para partiacuteculas esfeacutericas 120582 es la longitud de onda de los

rayos X (15405981 A) 120573 es la mitad del ancho del maacuteximo (FWHM) pico que para nuestro caso

fue el que correspondiacutea al plano (002) y estaacute dado en radianes y 120579 es el aacutengulo de Bragg

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120788120784120783) 119836119848119852 120783120789 120784120782120787deg119808

119915 = 120784120787 120790120784 119951119950

Para la muestra recocida a 400deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120789120789120785120783) 119836119848119852 120783120789 120784120786deg119808

119915 = 120783120790 120789120790 119951119950

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S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

83

Para la muestra recocida a 450deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120787120783120789) 119836119848119852 120783120789 120785120783120787deg119808

119915 = 120784120788 120785120785 119951119950

Para la muestra recocida a 500deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120786120791120788120789) 119836119848119852 120783120789 120784120791deg119808

119915 = 120784120791 120784120785 119951119950

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S FIacuteS

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84

ANEXO C

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada

Se realizoacute una pequentildea incisioacuten en la peliacutecula con una navaja de tal forma que la peliacutecula pueda

ser desprendida pero que no produzca rayaduras en el sustrato y utilizando el Meacutetodo Section del

Software NanoScope Analysis version 140 se calculoacute la distancia vertical y horizontal en tres

regiones para obtener un promedio con lo cual seriacutea el espesor aproximado de la peliacutecula

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b) Imagen 3D del escaloacuten

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S FIacuteS

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AS

85

Tabla 4

Tabla de datos de las alturas horizontales y verticales

Datos obtenidos para calcular el espesor de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 (Elaboracioacuten Propia)

Calculando el promedio de las distancias verticales

(189441 + 184037 + 170941)119899119898 = 544419 119899119898

544419119899119898

3= 181473 119899119898

El grosor de la peliacutecula fue 181 473 nm

Este proceso se realizoacute para todas las muestras en la tabla 5 se muestran los valores

correspondientes cada peliacutecula

Tabla 5

Tabla de valores del espesor de cada peliacutecula

Muestra Espesor (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 181473

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 179596

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 181210

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 183498

Datos calculados para el espesor de cada peliacutecula (Fuente Elaboracioacuten propia)

N Distancia Horizontal Distancia Vertical

1 3249 (microm) 189441 (nm)

2 3679 (microm) 184037 (nm)

3 3914 (microm) 170941 (nm)

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86

ANEXO D

Caacutelculo de los valores de Rugosidad

Se calculoacute el promedio de la rugosidad media y la rugosidad cuadraacutetica media para cada

peliacutecula El aacuterea de anaacutelisis en todas las muestras fue 3um x 1um y los valores fueron obtenidos

por el sensor de altura en el software de AFM Dimension Edge VT-112

Muestra Sin Rec

Figura D 1 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra sin rec

Tabla 6

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rec

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000751 000589

ZONA 2 000849 000646

ZONA 3 000753 000598

PROMEDIO 000784 000611

Datos para el promedio de la rugosidad de ZnOCu 3 vol Sin Rec (Elaboracioacuten Propia)

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87

Muestra Rec a 120786120782120782

Figura D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 400 ordmC

Tabla 7

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

Muestra Rec a 120786120787120782

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000634 000506

ZONA 2 000769 000590

ZONA 3 000685 000505

PROMEDIO 000696 000534

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88

Figura D3 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 450 ordmC

Tabla 8

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00112 000903

ZONA 2 00110 000872

ZONA 3 00109 000877

PROMEDIO 00110 000884

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89

Muestra Rec a 120787120782120782

Figura D4 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 500 ordmC

Tabla 9

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec 500 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00119 000956

ZONA 2 00120 000969

ZONA 3 00119 000947

PROMEDIO 00119 000957

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90

ANEXO E

Caacutelculo de la energiacutea del gap

Se utilizoacute la foacutermula 46

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material que es igual a la absorbancia dividida por

el espesor de la peliacutecula 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ es la constante de Planck 120584 es

la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

Haciendo los caacutelculos respectivos en Excel obtuvimos los valores de ℎ120584 y (120572ℎ120584)2

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauc

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AS

91

Luego graficamos esto usando Origin 8 y trazando la recta hasta el intercepto con el eje x

obtuvimos el valor de la energiacutea del gap Esto se hizo para todas las peliacuteculas

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas las peliacuteculas

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Page 3: FÍSICAS INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO …

iii

PRESENTACIOacuteN

Sentildeores miembros del jurado

En conformidad con lo establecido por el reglamento de Grados y Tiacutetulos de la

Escuela Acadeacutemico Profesional de Fiacutesica de la prestigiosa Universidad Nacional de Trujillo

presento ante ustedes el presente trabajo de investigacioacuten intitulado ldquoInfluencia de la

temperatura de recocido sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnO dopadas con Cu obtenidas por rociado piroliacuteticordquo mediante el cual

postulo a optar el tiacutetulo de Licenciado en Fiacutesica

El presente trabajo se realizoacute en el Laboratorio de Fiacutesica de Materiales seccioacuten de

Nanociencia y Nanomateriales ldquoDr Lennart Hasselgrenrdquo de la Escuela de Fiacutesica de la Universidad

Nacional de Trujillo

Bach E Isaac Castro Campos

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DEDICATORIA

A mi amada madre Marleny Campos por

Todo el amor brindado y su esfuerzo constante

de guiarnos a miacute y a mis hermanos en los

caminos de Dios A mi Padre Eberth Castro

por sus consejos recibidos y su apoyo para

poder terminar la carrera A mis hermanos

Eliacuteas Gabriel y Benjamiacuten

A mi tiacutea Mariacutea Castro que a pesar de

la distancia se daba un tiempo para

aconsejarme

A mi abuela Olguita por su amor carintildeo

y tiempo para conmigo

A mi prima Denisse Mariacuten Campos

por ser como una hermana y apoyarme

siempre

E Isaac Castro Campos

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por sobre todas las cosas porque gracias a Eacutel pude completar este

desafiacuteo a mi familia por estar a mi lado en todos estos momentos

A mi asesor y amigo el Lic Wilder M Aguilar Castro Jefe del Laboratorio de Fiacutesica de

Materiales ldquoLennart Hasselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo por las mediciones

hechas con el microscopio de fuerza atoacutemica (AFM) por su apoyo ensentildeanzas y consejos

que permitieron culminar este trabajo de tesis con eacutexito

Al Mg Henry Leoacuten Leoacuten integrante del grupo de investigacioacuten del Laboratorio de

Investigacioacuten Multidisciplinario (LABINM) de la Universidad Privada Antenor Orrego

por su apoyo en las mediciones oacutepticas de las peliacuteculas delgadas

Al Dr Segundo Jaacuteuregui Rosas por su apoyo con las mediciones de los patrones de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas

A mis amigos Daniel Chaacutevez Susanita Moreno Joseacute del Aacutengel Joseacute De la Cruz

Mauricio Matta por los antildeos compartidos dentro de la carrera y su amistad sincera

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vi

RESUMEN

En el presente trabajo de tesis se estudioacute la influencia de la temperatura de recocido sobre las

propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de las peliacuteculas delgadas de ZnO dopada con

cobre a 3 en volumen dichas peliacuteculas fueron sintetizadas sobre substratos de vidrio mediante

el meacutetodo de rociado piroliacutetico usando como soluciones precursoras el acetato de zinc

dihidratado[119885119899(11986211986731198621198742)2 21198672119874] y el cloruro de cobre dihidratado [1198621198972119862119906 21198672119874] disueltas en

etanol Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 Vol sin recocido y

recocidas a 400 450 y 500 indican que todas las muestras son poli cristalinas con estructura

hexagonal wurtzita el plano preferente de crecimiento fue el (002) disminuyendo la intensidad

de su pico uacutenicamente en la muestra recocida a 400 El tamantildeo del cristalito para la muestra sin

recocido fue de 2582 nm y para las muestras recocidas a 400 450 y 500 de 1878 2633 y

2923 nm respectivamente Las imaacutegenes obtenidas por microscopiacutea de fuerza atoacutemica indican que

la rugosidad media (Ra) aumenta con la temperatura de recocido a excepcioacuten de la muestra

recocida a 400 que disminuye Los anaacutelisis en el espectroacutemetro UV-Vis indican que estas

peliacuteculas tienen alta transmitancia mayor del 80 y que la absorbancia es miacutenima La energiacutea del

gap para la muestra sin recocido fue de 3256 eV y para las muestras recocidas a 400 450 y

500 de 3256 3263 y 3257 eV respectivamente

Palabras clave Temperatura de recocido peliacutecula delgada rociado piroliacutetico policristalina

rugosidad media energiacutea del gap

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ABSTRACT

In this thesis work Iacuteve studied the influence of annealing temperature over to rugosity

transmitance and cristallite size of ZnOCu 3 thin films The ZnOCu 3 thin films was

synthetisized over glass substrates by spray pyrolisys technique using zinc acetate

dyhidrate[119885119899(11986211986731198621198742)2 21198672119874] and copper chloride dyhidrate[1198621198972119862119906 21198672119874] as precursor

solutions mixed in ethanol The diffraction patterns of ZnOCu 3 thin films both without

annealing and annealed at 400 450 and 500 indicates that all samples are polycrystalline with

wurtzita hexagonal structure The preferred plane of growth was (002) decreasing the intensity of

its peak only in the sample annealed at 400 The crystallite size for the sample without annealing

was 2582 nm and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 1878 2633 and 2923 nm

respectively The images obtained by atomic force microscopy indicate that the average roughness

(Ra) increases with annealing temperature except for the sample annealed at 400 which

decreases Analyzes in the UV-Vis indicate that these films have high transmittance greater than

80 and that the absorbance is minimal The band gap for sample without annealing was 3256

eV and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 3256 3263 and 3257 eV respectively

Keywords Annealing temperature thin film spray pyrolysis polycrystalline average roughness

band gap

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viii

IacuteNDICE GENERAL

PRESENTACIOacuteN iii

DEDICATORIA iv

AGRADECIMIENTOS v

RESUMEN vi

ABSTRACT vii

IacuteNDICE GENERAL viii

IacuteNDICE DE FIGURAS xii

Capiacutetulo 2 xii

Capiacutetulo 3 xii

Capiacutetulo 4 xiii

Capiacutetulo 5 xiv

Anexos xiv

IacuteNDICE DE TABLAS xvi

CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1

CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 5

21 Oacutexido de Zinc 5

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO 5

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ix

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO 7

24 El Cobre y Sus Propiedades 8

25 Dopado al Oacutexido de Zinc 9

CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE PELIacuteCULAS DELGADAS 12

31 Procesos Fiacutesicos 14

311 Evaporacioacuten teacutermica 14

312 Sputtering 15

32 Procesos Quiacutemicos 17

321 CVD 17

322 Sol-Gel 19

323 Rociado Piroliacutetico 20

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas 24

331 Modo de crecimiento capa por capa Δ120574 gt 0 26

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas 26

333 Modo de crecimiento por islas Δ120574 lt 0 26

CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO 27

41 Materiales Equipos e Instrumentos 27

42 Meacutetodo 30

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos 30

422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol 32

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x

43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol 38

44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten 40

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX) 40

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis) 43

443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) 47

CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 55

51 Difraccioacuten de Rayos X 55

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano 55

52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 59

521 Morfologiacutea y rugosidad 59

53 Espectrometriacutea UV-Vis 64

531 Transmitancia 64

532 Absorbancia y energiacutea del gap 65

CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES 69

CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS 70

REFERENCIAS 71

ANEXOS 77

ANEXO A 78

Valores Teoacutericos Del Zno 78

ANEXO B 79

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xi

Caacutelculo de la distancia interplanar 79

Caacutelculo del paraacutemetro c 80

Caacutelculo del tamantildeo de grano 82

ANEXO C 84

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada 84

ANEXO D 86

Caacutelculo de los valores de Rugosidad 86

Muestra Sin Rec 86

Muestra Rec a 400 87

Muestra Rec a 450 87

Muestra Rec a 500 89

ANEXO E 90

Caacutelculo de la energiacutea del gap 90

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xii

IacuteNDICE DE FIGURAS

Capiacutetulo 2

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn

de color gris oscurohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnOhelliphelliphelliphelliphellip8

Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles

de fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Capiacutetulo 3

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipohelliphelliphellip16

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica de para un proceso de CVDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

Figura 34 Ruta Quiacutemica para el proceso de Sol-Gelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

Figura 35 Esquema del equipo de Rociado Piroliacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes

isla y (c) por islashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

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xiii

Capiacutetulo 4

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

Figura 43 Sustratos en detergentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenicohelliphellip31

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en hornohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica33

Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip34

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphellip35

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula

delgada de ZnOCu 3 vol helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

Figura 411 Diagrama de flujo del Proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadashelliphelliphellip39

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del

sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta

con la superficie del sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitentehelliphelliphelliphelliphelliphellip52

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xiv

Capiacutetulo 5

Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con

recocidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip58

Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 ordmC c) rec a 450 ordmC y d) rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 c) rec a 450 y d) rec a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y

con recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con

recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para

la peliacutecula recocida a 400 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y

derecha para la peliacutecula recocida a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

Anexos

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b)

Imagen 3D del escaloacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84

Figura D1 a Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra sin rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

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xv

Figura D2 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 400 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87

Figura D3 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 450 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88

Figura D4 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 500 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas

las peliacuteculashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91

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xvi

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de valores para las propiedades estructuraleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

Tabla 2 Tabla de valores de las rugosidadeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

Tabla 3 Tabla de valores de la Energiacutea del Gaphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

Tabla 4 Tabla de datos de las alturas horizontales y verticaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 5 Tabla de valores del espesor de cada peliacuteculahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 6 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

Tabla 7 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87

Tabla 8 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88

Tabla 9 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

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1

CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN

Los materiales desarrollados a base de oacutexidos transparentes y conductores (por sus siglas en

ingleacutes TCOs) han recibido una gran aceptacioacuten en la comunidad cientiacutefica debido a sus muacuteltiples

aplicaciones en la industria optoelectroacutenica ya que sus propiedades de alta transparencia y baja

resistividad los hacen aptos para aplicaciones en celdas solares sensores de gases (Koumllble et al

2009) pantallas planas pantallas de cristal liacutequido ventanas electro-croacutemicas entre otros

Los TCOs son semiconductores que se caracterizan por tener altos valores de transmisioacuten oacuteptica

(~ 80 ) en el intervalo visible y bajas resistividades (lt 10minus3Ω119888119898) seguacuten Minami (2008)

Algunos de los oacutexidos metaacutelicos preparados en forma de peliacutecula delgada que son o pueden ser

utilizados como conductores transparentes son oacutexido de cadmio (119862119889119874) oacutexido de estantildeo (1198781198991198742)

ITO (11986811989921198743 119878119899) FTO (1198781198991198742 119865) y AZO (119885119899119874 119860119897)(Alamri amp Brinkman 2000)

Uno de los oacutexidos conductores transparentes comuacutenmente utilizados debido a su alta

transmitancia en el visible gt 80 y su baja resistividad del orden de 10minus4Ω119888119898 es el oacutexido de

indio dopado con estantildeo (ITO) seguacuten Minami (2008) Pero debido a la rareza del indio en la tierra

su costo es elevado Otro oacutexido conductor transparente que ha llamado fuertemente la atencioacuten es

el CdO que es un semiconductor degenerado porque los estados en el fondo de la banda de

conduccioacuten se encuentran ocupados por lo tanto presenta alta conductividad sin necesidad de ser

dopado (Bhosale Kambale Kokate amp Rajpure 2005)

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2

Sin embargo ya que el Cd es muy toacutexico la unioacuten europea a traveacutes de la directiva de restriccioacuten

de sustancias peligrosas lo catalogoacute entre los 6 elementos restringidos para su uso en dispositivos

eleacutectricos y optoelectroacutenicos Debido a esta restriccioacuten es necesario buscar otras alternativas una

de ellas es el ZnO ya que presenta alta conductividad eleacutectrica seguacuten Jeon Park Yoo amp Boo

(2007) altos valores de transmitancia en la regioacuten visible del espectro electromagneacutetico (Hirata et

al 1996) bajo costo alta disponibilidad y no toxicidad

El oacutexido de Zinc es reconocido como un semiconductor porque tiene un ancho de banda de 337

eV a temperatura ambiente posee una gran energiacutea libre de unioacuten de excitones alta estabilidad

propiedades fiacutesicas oacutepticas etc (Benharrats Zitouni Kadri y Gil 2010)

Una peliacutecula delgada se encuentra en el rango de 1 119886 100 119899119898 (Loacutepez et al 2013) Para que

una peliacutecula delgada sea considerada como eficaz debe ser quiacutemicamente estable en el entorno a

usar debe adherirse bien a la superficie que cubre (sustrato) debe tener un espesor uniforme y

debe tener una baja densidad de imperfecciones (Leoacuten 2014)

Dentro de los diversos meacutetodos para obtener peliacuteculas delgadas tenemos el de rociado piroliacutetico

que puede ser maacutes barato simple y versaacutetil a comparacioacuten de otros meacutetodos Las propiedades de

las peliacuteculas rociadas pueden faacutecilmente adaptarse para las aplicaciones requeridas

Adicionalmente tambieacuten es un meacutetodo de deposicioacuten adecuado cuando se necesitan peliacuteculas de

grandes aacutereas (Rahmani et al 2009)

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3

El meacutetodo de rociado piroliacutetico es un proceso en el cual una peliacutecula delgada es depositada

mediante el rociado de una solucioacuten en una superficie caliente donde los constituyentes reaccionan

para formar un compuesto quiacutemico Los reactantes quiacutemicos son seleccionados de tal forma que

los productos distintos al del compuesto deseado sean volaacutetiles a la temperatura de deposicioacuten

(Mooney amp Rading 1982)

Las caracteriacutesticas estructurales eleacutectricas y oacutepticas de las peliacuteculas delgadas de ZnO han sido

ampliamente investigadas mientras que el efecto del dopado sobre estas propiedades auacuten estaacuten

siendo estudiadas (Rozati 2008 Caglar Ilikan y Caglar 2009) Las peliacuteculas de ZnO pueden

doparse con Al3+ (Sahay amp Nath 2008) Sn4+ y Sn5+ (Bedia et al 2014) F1- Cu1+ Ag1+ Ga3+

In3+ (Liu Avrutin Izyumskaya Oumlzguumlr y Morkoccedil 2010)

Elegir el Cu como dopante para las peliacuteculas delgadas de ZnO es una buena opcioacuten ya que

influye en las propiedades oacutepticas estructurales quiacutemicas y eleacutectricas del ZnO y el estudio del

estado electroacutenico del Cu en ZnO ha venido siendo el tema de intereacutes por mucho tiempo ya que

son uno de los componentes principales en celdas fotovoltaicas (Bunyod 1946)

El efecto de la temperatura de recocido sobre las peliacuteculas delgadas de ZnOCu estaacute siendo

estudiada minuciosamente debido a que se han reportado casos en los cuales disminuye la banda

del gap y aumenta el esfuerzo a medida que aumenta dicha temperatura (Jijoy Varguese amp

Mathew 2015)

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4

En el presente trabajo de investigacioacuten se realizoacute la siacutentesis de peliacuteculas delgadas de ZnOCu

3 por el meacutetodo de rociado piroliacutetico sobre un sustrato de vidrio a una temperatura de 300 ordmC y

luego sometida a temperaturas de recocido entre 400- 500 ordmC La caracterizacioacuten de las peliacuteculas

antes y despueacutes del recocido se realizoacute mediante DR-X UV-Vis y AFM

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CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO

21 Oacutexido de Zinc

El oacutexido de zinc es un compuesto inorgaacutenico relativamente abundante quiacutemicamente estable

y no toacutexico es insoluble en agua pero soluble en aacutecidos y bases diluidas su punto de fusioacuten es de

1975 ordmC temperatura a la que tambieacuten se descompone es un semiconductor formado por los

elementos del grupo-II ( 119885119899)30 y el grupo-VI ( 1198748

) El zinc tiene cinco isoacutetopos estables de los

cuales los maacutes comunes son el zinc 64 (4889 ) zinc 66 (2781 ) y el zinc 68 (1857 )

mientras que el oxiacutegeno consiste casi puramente en el isoacutetopo de oxiacutegeno 16 (9976 ) seguacuten

Loacutepez Castro Molina y Arbey (2011)

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO

Cada aacutetomo de zinc se encuentra rodeado por un tetraedro de 4 aacutetomos de oxiacutegeno y viceversa

tal y como se muestra en la figura 21 formando de esta manera una combinacioacuten alternada de

planos de aacutetomos oxiacutegeno y de planos de aacutetomos de zinc las cuales se encuentran a lo largo del

eje c con un desplazamiento entre ellos de 038c siendo c su paraacutemetro de red en la direccioacuten

vertical Los valores de los paraacutemetros de red para dicho material en condiciones normales de

presioacuten y temperatura son a = 032495 nm y c = 052069 nm (Hernaacutendez 2014)

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6

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn de color gris oscuro

(Fuente Hernaacutendez)

Su estructura puede describirse como un nuacutemero de planos alternantes que estaacuten compuestos

por iones de oxiacutegeno 1198742minus e iones de zinc 1198851198992+ que se encuentran alternados en el eje c esta

estructura tetraeacutedrica es la que le confiere su baja simetriacutea y lo que resulta en sus propiedades de

piezoelectricidad (Hernaacutendez 2014)

Otra importante caracteriacutestica del ZnO es su superficie polar siendo la maacutes comuacuten la del plano

basal Los iones de zinc y oxiacutegeno generan superficies cargadas positiva para (119885119899 minus (0001)) y

negativa para (119874 minus (0001)) lo que resulta en un momento dipolar normal y una polarizacioacuten

espontaacutenea La estabilidad de la superficie polar 119885119899119874 plusmn (0001) es materia de estudio tambieacuten es

atoacutemicamente plana y estable sin reconstruccioacuten (Hafdallah et al 2018 Zhon 2004)

El zinc tiene una configuracioacuten electroacutenica (1119904)2(2119904)2(2119901)6(3119904)2(3119901)6(3119889)10(4119904)2 mientras

que la configuracioacuten electroacutenica del oxiacutegeno es (1119904)2(2119904)2(2119901)4 El enlace de ZnO en su red

cristalina involucra una hibridacioacuten 1199041199013 de los estados electroacutenicos lo cual lleva a cuatro orbitales

equivalentes en una geometriacutea tetraeacutedrica En el cristal semiconductor resultante los estados de

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enlace 1199041199013 constituyen la banda de valencia mientras que la banda de conduccioacuten se origina de su

contraparte de anti-enlace seguacuten Deinert (2016)

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO

Estructuralmente el oacutexido de zinc tiene tres tipos de direcciones raacutepidas de crecimiento las

cuales son lang2110rang ( plusmn[2110] plusmn[1210] plusmn[1120] ) lang0110rang ( plusmn[0110] plusmn[1010]

plusmn[1100] ) y plusmn[0001] El ZnO exhibe un amplio rango de nuevas estructuras que pueden ser

desarrolladas ajustando las tasas de crecimiento a lo largo de esas direcciones Uno de los mayores

factores que determinan la morfologiacutea implican las actividades superficiales relativas de diversas

facetas de crecimiento bajo condiciones dadas Macroscoacutepicamente un cristal tiene diferentes

paraacutemetros cineacuteticos para diferentes planos del cristal los cuales son controlados bajo condiciones

de crecimiento Asiacute despueacutes de un periodo inicial de incubacioacuten y nucleacioacuten un cristalito

comuacutenmente se convertiraacute en un objeto tridimensional bien definido con caras cristalograacuteficas de

bajo iacutendice La figura 2 de a) al c) muestran unas morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento en una

dimensioacuten para el ZnO dichas estructuras tienden a maximizar las aacutereas de las caras (2110) y

(0110) debido a la maacutes baja energiacutea y la morfologiacutea mostrada en la parte d) es dominada por las

superficies polares las cuales pueden ser crecidos mediante la introduccioacuten de defectos planares

paralelos a las superficies polares Los defectos planares y gemelos son observados ocasionalmente

paralelos al plano (0001) pero rara vez se pueden observar dislocaciones (Zhon 2004)

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Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnO (Fuente Zhon)

24 El Cobre y Sus Propiedades

El cobre con nuacutemero atoacutemico 29 y peso atoacutemico de 6354 exhibe una estructura cristalina cuacutebica

centrada en las caras El cobre es un elemento de transicioacuten y al ser un metal noble tiene

propiedades inherentes similares a las de la plata y el oro Tambieacuten posee excelente conductividad

maleabilidad resistencia a la corrosioacuten y biofuncionalidad El cobre tiene alta solubilidad para

otros elementos tales como el niacutequel el zinc el estantildeo y el aluminio Esta solucioacuten soacutelida de la

fase alfa (120572) es la responsable de la alta ductilidad exhibida para aleaciones de cobre Las adiciones

maacutes allaacute del liacutemite de solubilidad resultan en la fase beta (120573) la cual exhibe una estructura cuacutebica

de cuerpo centrado esta fase beta tiene alta estabilidad de temperatura y las aleaciones que exhiben

una estructura 120572 + 120573 tienen una excelente capacidad de formacioacuten en caliente La densidad del

cobre es 889 1198921198881198983 y su punto de fusioacuten es 1083 Seguacuten American Society For Testing

Materials la cual es revisada anualmente

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25 Dopado al Oacutexido de Zinc

Los elementos del grupo IB como el cobre la plata y el oro no parecen de tanto intereacutes como

sus contrapartes del grupo IA y VA pero actualmente se vienen trabajando con estos elementos

ya que cambian las propiedades del ZnO esto podriacutea significar que una sustitucioacuten con zinc podriacutea

resultar un defecto de aniquilador de electrones Aunque estos pueden ser considerados costosos

la plata y el cobre podriacutea ser una alternativa maacutes econoacutemica en comparacioacuten con otros elementos

que han sido usados como dopantes al fin de cuentas estas poseen una conductividad uacutenica

(Wolgamott 2017)

Las figuras 23 24 y2 5 muestran las energiacuteas de formacioacuten por defecto para el ZnO dopado

con cobre plata y oro estas cifras junto con un caacutelculo hecho por Yan Al-Jassim ampWei (2006)

muestran que bajo condiciones ricas en oxiacutegeno los elementos del grupo IB tienen una baja energiacutea

de formacioacuten para la sustitucioacuten del zinc Esta misma condicioacuten rica en oxiacutegeno tambieacuten suprime

la formacioacuten de defectos nativos en el agujero de perforacioacuten aumentando asiacute la posibilidad de

una peliacutecula delgada de ZnO dopado del tipo p (Wolgamott 2017)

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Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

El cobre y la plata ofrecen una mejor ruta para la reproduccioacuten de peliacuteculas delgadas de ZnO

del tipo p El dopaje con nitroacutegeno solo es favorable en condiciones ricas en zinc esto aumenta la

probabilidad de que se formen defectos por la formacioacuten de agujeros para compensar Para

ajustarse a esto teacutecnicas de procesamiento novedoso y no equilibrado deben ser usadas esta

dificultad aumenta los costos de procesamiento y reduce la reproduccioacuten de tales (Wolgamott

2017)

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Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

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CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE

PELIacuteCULAS DELGADAS

Una variedad de teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas han sido empleadas para el

depoacutesito de oacutexidos conductores trasparentes tales como el oacutexido de estantildeo (SnO2) dopado con

antimonio (SnO2 ∶ Sb) o con fluorina (SnO2 ∶ F) el oacutexido de indio(In2O3) dopado con estantildeo

(In2O3 ∶ Sn) el oacutexido de zinc (ZnO) dopado con indio (ZnO ∶ In) Ya que el transporte oacuteptico y

eleacutectrico en estas peliacuteculas depende fuertemente de su estequiometria su microestructura y de la

naturaleza de las impurezas presentes por lo tanto cada teacutecnica de deposicioacuten con los paraacutemetros

asociados produce peliacuteculas con diferentes propiedades Dependiendo de queacute teacutecnica de

deposicioacuten se use el sustrato influiraacute significativamente en las propiedades de las peliacuteculas Los

sustratos de vidrio son los de uso comuacuten para estos procesos Los procesos a baja temperatura tales

como la pulverizacioacuten catoacutedica con magnetroacuten la pulverizacioacuten ioacutenica con haz de iones y el

recubrimiento ioacutenico reactivo permiten la deposicioacuten de las peliacuteculas de oacutexido sobre el sustrato de

poliacutemero como el plaacutestico Mylar y poly (Teraftalato de etileno) Seguacuten Waal amp Simons (1981)

el coeficiente de expansioacuten teacutermica del sustrato afecta las propiedades eleacutectricas de las peliacuteculas

especialmente en procesos como los de rociado piroliacutetico y de inmersioacuten en los cuales las tensiones

intriacutensecas son inducidas dentro de la peliacutecula El coeficiente de expansioacuten teacutermica influye en la

orientacioacuten preferente del cristalito en las peliacuteculas de ZnO (Ghandhi Field amp Shealy 1980)

El proceso que implica deposiciones a altas temperaturas el efecto de la difusioacuten de iones

alcalinos desde el sustrato de vidrio hacia la peliacutecula se vuelve extremadamente importante (Kane

Schweizer amp Kern 1976) Los cationes actuacutean como agentes dopantes de tipo-p y compensan los

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donantes nativos El problema es grave en los sustratos de vidrio Soda-lime los cuales tienen un

alto contenido en sodio alrededor del 10-15 peso 1198731198862119874 En La figura 31 podemos observar

los tipos de procesos para la obtencioacuten de peliacuteculas delgadas

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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31 Procesos Fiacutesicos

311 Evaporacioacuten teacutermica

Peliacuteculas delgadas de IO (oacutexido de indio) (Pan amp Ma 1980) ITO (oacutexido de indio dopado con

estantildeo) (Mizuhashi 1980) y ZnO (Wang et al 2005) han sido depositadas por evaporacioacuten

teacutermica o por haz de electrones de fuentes de oacutexido Debido a su alto punto de fusioacuten el TO

(oacutexido de estantildeo) ha sido depositado por haz de electrones (Mizuhashi 1980) Cuando los oacutexidos

puros o mixtos se evaporan se reducen y forman peliacuteculas opacas de oacutexidos inferiores Por lo tanto

los oacutexidos transparentes conductores son obtenidos por post-oxidacioacuten de peliacuteculas inferiores o

por introduccioacuten del oxiacutegeno durante la evaporacioacuten (Ruumlcker amp Becker 1978)

La cineacutetica de oxidacioacuten de sub-oacutexidos la dependencia de la resistividad y la transmisioacuten en el

sustrato y las temperaturas de oxidacioacuten han sido estudiadas para peliacuteculas de ITO (Mizuhashi

1980) La opacidad de las peliacuteculas depositadas ha sido atribuida a la presencia de indio libre en

una matriz de In2O3 que resulta de la reduccioacuten de especies de In2O que estaacuten presentes en la

fase de vapor

La post-oxidacioacuten del indio libre es a traveacutes de un proceso controlado por difusioacuten y las

propiedades eleacutectricas y oacutepticas finales de las peliacuteculas estaacuten determinadas por las tasas relativas

de oxidacioacuten y difusioacuten del indio (Mizuhashi 1980)

En el caso de la oxidacioacuten durante la deposicioacuten la temperatura del sustrato y la presioacuten parcial

de oxiacutegeno son los principales paraacutemetros de control para el proceso que han sido estudiados por

Mizuhashi (1980) que obtuvo peliacuteculas de ITO de buena calidad con una presioacuten parcial de

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oxiacutegeno de 10minus4 Torr y una temperatura de sustrato de 400 con una tasa de deposicioacuten de

aproximadamente 50 Å 119898119894119899minus1 para el O2 puro

De lo anterior se puede concluir que para obtener peliacuteculas altamente transparentes y

conductoras por evaporacioacuten es necesario que la presioacuten parcial del oxiacutegeno sea alta (suficiente

para oxidar casi todo el indio) que la temperatura del sustrato sea la adecuada y que la tasa de

evaporacioacuten sea raacutepida (para suprimir la disociacioacuten de In2O3)

312 Sputtering

El Sputtering o pulverizacioacuten catoacutedica es una de las teacutecnicas maacutes usadas para la deposicioacuten de

peliacuteculas conductoras transparentes Esta teacutecnica se basa esencialmente en un bombardeo intenso

de un material con iones producidos en una descarga eleacutectrica en forma de plasma cuando la

energiacutea de los iones incidentes es suficientemente elevada entonces la interaccioacuten con la superficie

del material a traveacutes de intercambio de momento cineacutetico hace que los aacutetomos de la superficie

sean arrancados para pasar a la fase de vapor La figura 32 muestra un esquema de las etapas del

proceso El caacutetodo el cual estaacute conectado a la terminal negativa de la fuente de alimentacioacuten estaacute

formado por el material a evaporar que tambieacuten es llamado blanco o sputtering target estaacute

sometido al bombardeo intenso de los iones positivos de la descarga una vez que son acelerados

desde el plasma como consecuencia de la caiacuteda de potencial asociada El bombardeo de los iones

produce no solo el efecto de sputtering o pulverizacioacuten del blanco sino tambieacuten la emisioacuten de

electrones secundarios que son acelerados hacia el plasma Una vez en el plasma estos electrones

tienen la energiacutea suficiente para producir nuevos iones mediante procesos de ionizacioacuten en cascada

por impacto con los aacutetomos del gas compensando asiacute la perdida de carga producida por colisiones

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de las especies cargadas en las paredes de la caacutemara de vaciacuteo Se dice que la descarga es auto

mantenida (Aacutelvaro 2014)

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipo (Fuente Aacutelvaro)

El gas de la descarga suele ser un gas inerte de masa elevada con el objeto de aumentar la

transferencia del momento cineacutetico a los aacutetomos del blanco por razones de precio en la mayoriacutea

de las aplicaciones el gas utilizado es argoacuten con una masa atoacutemica de 40 los sustratos a recubrir

estaacuten colocados sobre el aacutenodo aunque se pueden situar sobre un soporte auxiliar frente al caacutetodo

El electrodo que actuacutea de aacutenodo suele estar conectado al potencial de tierra junto con la caacutemara

de vaciacuteo por razones de seguridad A diferencia de la teacutecnica de evaporacioacuten teacutermica la trayectoria

de las partiacuteculas pulverizadas no es rectiliacutenea ya que a presiones de trabajo alrededor de

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10minus3 mbar el recorrido libre medio es del orden de unos pocos mm Los aacutetomos evaporados

pueden alcanzar al sustrato desde cualquier direccioacuten despueacutes de sufrir una serie de colisiones en

la atmosfera de sputtering en las cuales sufren una peacuterdida de su energiacutea inicial Por lo tanto los

problemas de direccionalidad y los de homogeneidad del espesor de la capa depositada son

menores que en la evaporacioacuten teacutermica Al mismo tiempo los aacutetomos del gas inerte y la radiacioacuten

procedente del plasma tambieacuten interaccionan con la superficie de los sustratos produciendo

efectos laterales De hecho existe la posibilidad de que aacutetomos del gas inerte puedan contaminar

la capa depositada en el sustrato al quedar atrapados en su interior durante el crecimiento (Aacutelvaro

2014)

32 Procesos Quiacutemicos

321 CVD

La deposicioacuten quiacutemica por vapor (Chemical Vapor Deposition) es un proceso antiguo que data

del 1800 En este tiempo esta teacutecnica fue usada principalmente para producir materiales

refractores de alta pureza tales como el zirconio y el titanio Despueacutes de la segunda guerra mundial

los investigadores comenzaron a darse cuenta de las ventajas potenciales que ofreciacutea el CVD

Esta teacutecnica consiste en la deposicioacuten por vapor sobre una superficie caliente Esto pertenece a

las teacutecnicas de transferencia de vapor Con esta teacutecnica la liacutenea de visioacuten con la superficie de

recubrimiento no es necesaria por lo tanto permite la deposicioacuten en superficies complejas tambieacuten

posee una alta tasa de deposicioacuten y puede ser usado para recubrimientos gruesos esto permite la

co-deposicioacuten de los elementos y no requiere de un proceso de alto vaciacuteo

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La figura 33 muestra un CVD tiacutepico El primer paso es la activacioacuten teacutermica de los precursores

quiacutemicos para formar el vapor este a su vez es transportado a traveacutes de una caacutemara caliente en

donde el sustrato estaacute colocado en esta caacutemara la reaccioacuten gaseosa ocurre y los reactantes son

depositados en la superficie del sustrato con lo cual resulta la formacioacuten de la peliacutecula Los

subproductos volaacutetiles son desorbidos desde la peliacutecula y removidos de la caacutemara por medio de la

conveccioacuten

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica para un proceso de cvd (Fuente En liacutenea)

Un proceso tiacutepico de CVD requiere de temperaturas altas que la reaccioacuten de fase gaseosa ocurra

esto no soacutelo aumenta los costos de proceso sino que tambieacuten limita los tipos de sustratos donde la

peliacutecula delgada puede ser depositada Los precursores quiacutemicos con alta presioacuten de vapor que se

necesitan para el CVD son en su mayoriacutea toacutexicos y peligrosos para trabajar con ellos Finalmente

los subproductos de la reaccioacuten gaseosa que no permanecen en el sustrato pueden ser toacutexicos e

incluso corrosivos La neutralizacioacuten de estos subproductos implicariacutea un aumento del costo de

produccioacuten

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322 Sol-Gel

Esta teacutecnica de crecimiento es un proceso quiacutemico huacutemedo realizado a bajas temperaturas que

permite fabricar materiales amorfos y poli cristalinos estos uacuteltimos se obtienen despueacutes de un

tratamiento teacutermico En el meacutetodo Sol-Gel se puede controlar la composicioacuten quiacutemica estructura

cristalina y morfologiacutea superficial de las peliacuteculas ajustando los paraacutemetros de procesamiento tales

como relacioacuten molar entre los reactivos cantidad y naturaleza de los precursores disolventes

catalizadores aditivos e impurificantes Este proceso sigue la ruta quiacutemica que muestra en la figura

34 este parte de una solucioacuten inicial compuesta por un alcoacutexido metaacutelico por agua y por un

disolvente al que se le agrega un catalizador que puede ser tanto aacutecido como baacutesico Las reacciones

de hidroacutelisis y condensacioacuten se desencadenan a fin de sintetizar una suspensioacuten coloidal de

partiacuteculas soacutelidas o cuacutemulos en un liacutequido llamado Sol A medida que la reaccioacuten continua aumenta

la viscosidad de la solucioacuten hasta la forma del Gel el cual estaacute constituido de dos partes una soacutelida

que corresponde a las partiacuteculas de oacutexido y una liacutequida que es el disolvente inicial del Sol Luego

de esto se inicia un periodo de secado en condiciones normales de presioacuten y temperatura en el cual

se lleva a cabo la eliminacioacuten del disolvente y del agua residual de tal modo que el Gel se encogeraacute

obtenieacutendose un xerogel Al teacutermino del tiempo de secado generalmente se tienen disolventes y

agua para solucionar esto se somete a un tratamiento teacutermico (Ramiacuterez 2015)

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Figura 34 Ruta quiacutemica para el proceso de sol-gel (Fuente Ramiacuterez)

323 Rociado Piroliacutetico

Esta teacutecnica consiste en la pulverizacioacuten de una solucioacuten que contiene los iones metaacutelicos del

oacutexido que se quiere producir sobre un sustrato que se encuentra a una temperatura elevada El

precursor del material a ser fabricado se disuelve en metanol o etanol esta solucioacuten denominada

solucioacuten precursora es transformada en partiacuteculas muy finas mediante un nebulizador formando

una especie de vapor la solucioacuten nebulizada se transporta hacia el sustrato caliente con ayuda de

un gas portador (aire comprimido) de tal manera que llega al sustrato en forma de gota pequentildea

La pirolisis se produce en la superficie caliente del sustrato dando lugar a la peliacutecula delgada como

producto de la descomposicioacuten del compuesto quiacutemico por accioacuten del calor los componentes

reactivos de la solucioacuten precursora se seleccionan de tal modo que los productos de la reaccioacuten

quiacutemica que no intervienen en la formacioacuten de la peliacutecula sean volaacutetiles a la temperatura de trabajo

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Esto requiere del anaacutelisis del precursor quiacutemico tanto de la fase liacutequida como de la fase gaseosa

y una exploracioacuten de las reacciones superficiales que llevan a la formacioacuten de la peliacutecula delgada

En este proceso de fabricacioacuten de peliacuteculas delgadas un factor muy importante es la uniformidad

del tamantildeo de las gotas generadas

Cuando el vapor de la solucioacuten se aproxima al sustrato en condiciones ideales se espera que el

solvente se vaporice totalmente provocando la descomposicioacuten de los componentes no volaacutetiles

(Leoacuten 2014) En la figura 35 se muestra un esquema del equipo detallando cada parte

componente del mismo

Figura 35 Esquema del equipo de rociado piroliacutetico (Fuente Acosta amp Magantildea)

Piroacutelisis La reaccioacuten piroliacutetica la cual determina la cineacutetica del depoacutesito se efectuacutea cuando el

rociacuteo entra en contacto con el sustrato caliente y seguacuten el tamantildeo de las gotas se produciraacute

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diferentes procesos dependientes del comportamiento teacutermico de las gotas A continuacioacuten se

detallan 4 procesos diferentes seguacuten el tamantildeo de la gota

Gotas de tamantildeo muy pequentildeo

La reaccioacuten se completa durante el transporte antes de llegar al sustrato y se produce un polvo

del material sobre el sustrato la facilidad de este proceso es que puede ser faacutecilmente removido

Gotas de tamantildeo ideal

El solvente pasa a la fase gaseosa completamente antes de alcanzar el sustrato las partiacuteculas

precipitadas se fusionan vaporizan y se difunden sobre la superficie del sustrato En este proceso

las partiacuteculas producidas sufren procesos de adsorcioacuten difusioacuten superficial reaccioacuten de

nucleacioacuten por lo tanto determinan el crecimiento del recubrimiento El resto de los productos de

la reaccioacuten se volatilizan y se difunden fuera del sustrato

Gotas de tamantildeo mediano

El solvente de las gotas se vaporiza al llegar al sustrato dejando partiacuteculas precipitadas de los

reactantes los cuales se fusionan en la superficie del sustrato y causan enfriamiento localizado

obtenieacutendose recubrimientos de baja calidad

Gotas de tamantildeo grande

La energiacutea teacutermica absorbida por la gota durante el transporte al sustrato no es suficiente para

que el solvente se pueda evaporar por completo El solvente residual se evaporaraacute en el sustrato

formando estructuras no homogeacuteneas

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Para lograr la selectividad de las gotas que llegaraacuten al sustrato se graduacutea la longitud entre lo

boquilla y el sustrato Considerando que la fuerza gravitacional es proporcional a 1199033 siendo r el

radio de la gota Las gotas de radios mayores al valor criacutetico no pueden ser transportadas por el

gas portador y por lo tanto regresan al nebulizador En las cercaniacuteas del sustrato se forma una

niebla de la solucioacuten con una distribucioacuten uniforme de gotas de tamantildeo pequentildeo requisito

importante para la obtencioacuten de recubrimientos delgados de buena calidad

Las fuerzas que determinan el recorrido de las gotas por la tobera son la gravitacional y la fuerza

de Stokes debido a la friccioacuten entre la gota y las moleacuteculas de aire seguacuten Silva (2013)

119917119956 = 120788120645120636119955(119959119941 + 119959119938) [120783 +120785

120790119929119942] 120784 120783

119917 = 119950119944 120784 120784

En donde 120578 es la viscosidad de la gota 119903 es el radio de la gota 119907119889 es la velocidad de la gota 119907119886

es la velocidad del aire y 119877119890 es el nuacutemero de Reynolds

El nuacutemero de Reynolds para partiacuteculas esfeacutericas en un flujo gaseoso es

119929119942 = 120784119955(119959119941 + 119959119938)

120636120633119938 120784 120785

En donde 120575119886 es la densidad del aire

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Cuando estas dos fuerzas alcanzan el equilibrio (119865 = 119865119904) las gotas viajan con velocidad

constante denominada velocidad liacutemite (119907119889119897) Al resolver la ecuacioacuten cuadraacutetica que nos da el

igualar las ecuaciones 21 y 22 tenemos

119959119941119949 = minus (119939

120784) + (

119939120784

120786minus 119940)

120783120784

120784 120786

En donde

119939 =120786120636

120785119955120633119938minus 120784119959119938 119962 119940 = 119959119938

120784 minus120786120636

120785119955120633119938119959119938 + (120633(119931) +

119924119956119924

120783120782120785)

120790119955

120784120789120633119938

Siendo 120575(119879) la densidad del solvente a temperatura T 119872119904 el peso molar del soluto y M la

molaridad de la solucioacuten (Leoacuten 2014)

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas

Los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas en sus etapas iniciales se

pueden ver en la figura 36 una vez que la partiacutecula se ha condensado de la fase gaseosa puede

inmediatamente re-evaporarse o difundirse sobre la superficie este proceso de difusioacuten puede

conducir a la adsorcioacuten especialmente en sitios como orillas y otros defectos (M Peacuterez 2005)

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Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas delgadas (Fuente M

Peacuterez)

Las energiacuteas de activacioacuten para la adsorcioacuten y difusioacuten dependen de los detalles atoacutemicos del

proceso en particular y la nucleacioacuten de maacutes de una partiacutecula adsorbida puede ocurrir En equilibrio

termodinaacutemico todos los procesos ocurren o proceden en dos direcciones opuestas a la misma

rapidez Por lo tanto en el equilibrio no hay un crecimiento neto de una partiacutecula y por lo tanto el

crecimiento del cristal debe ser un proceso cineacutetico de no equilibrio Desde un enfoque

fenomenoloacutegico existen tres modos diferentes del crecimiento de peliacuteculas como se observa en la

figura 37 (M Peacuterez 2005)

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes isla y (c) por islas

(Fuente M Peacuterez)

El crecimiento de peliacuteculas delgadas es descrito por minimizacioacuten de la energiacutea libre superficial

de la capa superior (120574119904119906119901) del sustrato (120574119904) y de la energiacutea libre de la interfase (120574119894119899119905) el cual

estaacute descrito por Δ120574 = 120574119904 minus 120574119904119906119901 minus 120574119894119899119905 (Leoacuten 2014 Aacutelvaro 2014)

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331 Modo de crecimiento capa por capa (120491120632 gt 120782)

Donde la interaccioacuten entre el sustrato y los aacutetomos de las capas es maacutes fuerte que entre los

mismos aacutetomos de las capas (Leoacuten 2014)

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas

Corresponde a un caso intermedio despueacutes de la formacioacuten de una o de muchas mono-capas

completas ocurre la formacioacuten de islas El crecimiento de islas 3D crece sobre la primera o la

uacuteltima mono capa (Leoacuten 2014 Ramiacuterez 2015)

333 Modo de crecimiento por islas (120491120632 lt 120782)

Es el caso en el que la interaccioacuten entre los aacutetomos que conforman las peliacuteculas es maacutes fuerte

(Leoacuten 2014)

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CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO

Realizar la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas sobre el sustrato requiere una cuidadosa

optimizacioacuten La siacutentesis de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se realizoacute por el meacutetodo de rociado

piroliacutetico con paraacutemetros optimizados como son la molaridad del precursor la temperatura del

sustrato la presioacuten de aire del compresor el flujo de aire y la distancia de la boquilla al sustrato

El objetivo de este trabajo de tesis fue analizar el efecto de la temperatura de recocido en un

rango de 400 minus 500 sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

En este capiacutetulo se detalla el procedimiento que se utilizoacute para la siacutentesis de las peliacuteculas

delgadas La limpieza del sustrato tambieacuten es una parte importante en la fabricacioacuten de las peliacuteculas

delgadas ya que es en donde se realizaraacute el depoacutesito y por lo tanto debe encontrarse libre de

impurezas y grasa

41 Materiales Equipos e Instrumentos

Como sustrato en donde se depositoacute la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se usoacute un vidrio

(Figura 41) con un aacuterea de 762 times 254 1198981198982

Para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol se utilizaron como precursores el Acetato de Zinc

Dihidratado [119885119899(1198621198673119862119874119874)2 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995) el Cloruro de Cobre

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dihidratado [1198621199061198621198972 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995 ) y como solvente etanol absoluto

[C2H5OH] del laboratorio Merck (998)

Para la limpieza de los sustratos se utilizoacute un agitador ultrasoacutenico (figura 42) y un horno

eleacutectrico marca Oster (119879119898aacute119909 = 400 )

Para lograr la uniformidad al momento de mezclar los materiales precursores se utilizoacute un

agitador magneacutetico (Hot Plate Stirring VWR)

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearl (Fuente Elaboracioacuten Propia)

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Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratos (Fuente Elaboracioacuten propia)

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42 Meacutetodo

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos

Para una buena deposicioacuten de la peliacutecula el sustrato a utilizar debe estar libre de impurezas

asegurando una oacuteptima adherencia

El proceso de limpieza de los sustratos empezoacute por la colocacioacuten de eacutestos en un depoacutesito que

conteniacutea agua potable y detergente marca Ariel por un tiempo de 5 minutos (Figura 43) luego se

trasladoacute a otro depoacutesito que conteniacutea aacutecido niacutetrico [1198671198731198743] al 65 durante 15 minutos en seguida

se procedioacute a enjuagarlos con agua ultrapura despueacutes se colocoacute en recipiente que conteniacutea agua

ultrapura y fueron puestos en el agitador ultrasoacutenico por 15 minutos (Figura 44) Pasado este

tiempo se retiraron los sustratos y se colocaron dentro del horno marca Oster por 10 min a 205

(Figura 45)

Figura 43 Sustratos en detergente (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenico (Fuente Elaboracioacuten propia)

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en horno (Fuente Elaboracioacuten propia)

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422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

Preparacioacuten de la solucioacuten precursora

Para la preparacioacuten de la solucioacuten se calculoacute la cantidad en gramos que debemos tener del

precursor en nuestro caso el acetato de zinc di-hidratado Para ello se utilizoacute la siguiente foacutermula

119950(119944) = 119924 times 119917119934 times 119933119952119949(119930119952119949 ) times 119927119958119955119942119963119938 120786 120783

Doacutende

m (g) Masa en gramos del precursor

M Molaridad (molLitro)

FW masa molar (gmol)

Vol (Sol) Volumen de la solucioacuten (Litros)

Pureza Porcentaje de pureza del precursor

La masa molar del acetato de zinc di-hidratado es de 21949 gmol el volumen de etanol que

se preparoacute fue 0020 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120784120783120791 120786120791

119944

119950119952119949) (120782 120782120784120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120786120785120790120789120788

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33

La masa del precursor fue medida con una balanza analiacutetica marca Mettler Toledo (plusmn01 119898119892)

ver figura 46

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica (Fuente Elaboracioacuten propia)

En un recipiente se mezclaron la masa medida del acetato de zinc di-hidratado y los 20 ml de

etanol que llamaremos mezcla 1

Para lograr uniformidad en la solucioacuten esta fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a una

temperatura de 60 durante 2 h (Figura 47) resultando transparente y homogeacutenea

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Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

La masa molar del cloruro de cobre di-hidratado es de 17048 gmol el volumen que se preparoacute

fue 0010 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120783120789120782 120786120790

119944

119950119952119949) (120782 120782120783120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120783120789120782120785120791

La masa de los precursores fue medida nuevamente con la balanza analiacutetica marca Mettler

Toledo (plusmn01 119898119892)

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En otro recipiente se combinaron la masa medida del cloruro de cobre dihidratado y los 10 ml

de etanol que llamaremos mezcla 2 luego fue colocado en el agitador magneacutetico a temperatura

ambiente durante 15 min

Despueacutes de haber agitado magneacuteticamente cada precursor en otro recipiente se colocoacute 194 ml

de la mezcla 1 y se le agregoacute 06 ml de la mezcla 2 de tal forma que se pueda tenerse una

proporcioacuten 119881119900119897119862119906

119881119900119897119885119899= 3 A esta nueva solucioacuten llamaremos mezcla 3

Para lograr uniformidad la nueva solucioacuten fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a

temperatura ambiente durante 15 min (Figura 48) para lograr su homogeneidad

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Proceso de siacutentesis

Para la obtencioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se utilizoacute el equipo de rociado

piroliacutetico que se encuentra en la seccioacuten de Nanociencia y Nanomateriales del Laboratorio de

Fiacutesica de Materiales ldquoDr Lennart Haselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo ver figura

49

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3

vol (Fuente Elaboracioacuten propia)

Este equipo de rociado piroliacutetico utilizado en la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas consiste de

los siguientes componentes Compresor de aire (1) Controlador de presioacuten en el rango de 0 ndash 80

psi (2) Controlador de flujo de aire en el rango de 1 ndash 15 Lmin (3) Caacutemara de vidrio (4)

Termoacutemetro (5) Nebulizador (6) Boquilla o Tobera (7) Platea caliente (8) Soporte universal (9)

Dispositivo moacutevil con una rapidez de 2311990910minus3 119888119898 119904frasl (10) Fuente de alimentacioacuten DC de 0 ndash 12

V (11) Fuente de alimentacioacuten AC de 0- 40 V (12) y Termocupla y controlador de temperatura en

el rango de 0 minus 500 (13)

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Sobre el nebulizador se colocoacute una tobera de vidrio piacuterex por la que ascienden las gotas maacutes

pequentildeas hasta llegar al sustrato caliente sobre el cual se produjo el proceso de piroacutelisis El

conjunto nebulizador y tobera estaacute acoplado a un dispositivo moacutevil el cual se va desplazando en

la direccioacuten del sustrato con el fin de obtener un recubrimiento uniforme

Las siacutentesis de la peliacutecula se hizo a la temperatura de 300 plusmn 10 La presioacuten del compresor

y el flujo de aire se mantuvieron a 30 119901119904119894(~207 119896119875119886) 119910 5 119871119898119894119899 respectivamente La distancia

boquilla sustrato se mantuvo a 30 cm con el fin de que el flujo nebulizado dirigido hacia la

superficie del sustrato se mantenga laminar El desplazamiento de la tobera-boquilla a lo largo del

sustrato se hizo con una rapidez aproximada de 04 mms con intervalos de 40 plusmn 05 119898119894119899 entre

cada ida y vuelta tiempo necesario para mantener la temperatura estable y mejor cristalizacioacuten del

soacutelido El nuacutemero de capas que consideramos oacuteptimas en este trabajo fue de 6 seguacuten E Noriega

(2015)

Al teacutermino del proceso el sistema compuesto peliacuteculasustrato se dejoacute enfriar lentamente dentro

de la caacutemara hasta la temperatura ambiente por 15 horas con el fin de lograr una buena

cristalizacioacuten

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol

Para el tratamiento teacutermico se dividioacute el sustrato que conteniacutea la peliacutecula en 4 partes usando

una como muestra testigo (300 ) y las tres restantes sometieacutendolas por dos horas de

mantenimiento a las temperaturas de recocido de 400 450 119910 500 El horno donde se hizo el

recocido fue un Horno eleacutectrico Marca Brasimet ver figura 410 con una incertidumbre de plusmn5

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la figura 411 se puede ver un diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas

delgadas de ZnO Cu 3 vol

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Figura 411 Diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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40

44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten

Para caracterizar las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol se emplearon las teacutecnicas de

difraccioacuten de rayos X (DRX) para determinar el tamantildeo del cristalito y la estructura la

espectrofotometriacutea ultravioleta visible (UV-Vis) para determinar la transmitancia absorbancia y

energiacutea del gap y por el uacuteltimo se utilizoacute el Microscopio de Fuerza Atoacutemica (AFM) para

determinar la morfologiacutea y rugosidad A continuacioacuten se describiraacuten brevemente estas teacutecnicas

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX)

La difraccioacuten de rayos X es una teacutecnica de caracterizacioacuten que sirve para analizar espectros

relacionados con la estructura de los materiales que son la constante de red estructura cristalina

identificacioacuten de materiales orientacioacuten de monocristales y orientaciones preferenciales de

policristales Los rayos X se caracterizan porque su longitud de onda variacutea de 01 minus 100 Å (Rayos

X fluorescencia online) En la figura 412 se puede ver un esquema de difraccioacuten de rayos X

basado en la ley de Bragg

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos x (Fuente Rojas)

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41

Cuando un haz de rayos X de una longitud de onda especiacutefica del mismo orden de magnitud de

las distancias interatoacutemicas del material llega a este los rayos X se dispersan en todas las

direcciones La mayor parte de la radiacioacuten dispersada por un aacutetomo anula la radiacioacuten dispersada

en otros aacutetomos Los rayos X que llegan a ciertos planos cristalograacuteficos formando aacutengulos

especiacuteficos con ellos se refuerzan en lugar de aniquilarse a este fenoacutemeno se llama difraccioacuten

Los rayos X se difractan o el haz se refuerza cuando las condiciones satisfacen la Ley de Bragg

119852119842119847 120637 =119951120640

120784119941119945119948119949 120786 120783

Donde 120579 es la mitad del aacutengulo que forman el haz difractado y el haz original n es el orden de

difraccioacuten 120582 es la longitud de onda de los rayos X 119889ℎ119896119897 es la distancia interplanar que produce

refuerzo del haz ℎ119896119897 son los iacutendices de Miller (Askeland 1998) La difraccioacuten ocurre siempre y

cuando se satisfaga la ley de Bragg por lo que no necesariamente cualquier direccioacuten arbitraria

produciraacute difraccioacuten

La informacioacuten obtenida se presenta en un graacutefico de intensidad en funcioacuten de 2120579 llamado

patroacuten de difraccioacuten Cada sustancia produce siempre un patroacuten de difraccioacuten caracteriacutestico

independientemente de que si se encuentra en un estado puro o formando parte de una mezcla de

sustancias (Askeland 1998)

Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

fueron obtenidos con el difractoacutemetro RIGAKU Miniflex-600 que opera en la geometriacutea Bragg-

Brentano donde la radiacioacuten 119862119906 119896120572 (120582 = 15406 Aring) fue utilizada como fuente de rayos X El

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equipo operoacute a 30 KV de voltaje y 10 mA de corriente el barrido se realizoacute en un aacutengulo de 2120579

con rango desde 20deg a 70deg con velocidad de escaneo de 5 deg119898119894119899

La identificacioacuten de los picos de difraccioacuten se comparoacute con la base de datos Card info 00-900-

8877 de la Crystallography Open Database mostrado en el anexo A

La distancia interplanar se calculoacute con la ley de Bragg para el primer orden (n=1) de difraccioacuten

de acuerdo a la ecuacioacuten 41 tendriacuteamos

119837 =120640

120784 119852119842119847 120637 120786 120784

En donde 120579 es el aacutengulo de incidencia y 120582 = 15405981 Aring

Paraacutemetros de red

Para identificar la constante de red c de la estructura de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se tomoacute

en cuenta la estructura hexagonal wurtzita cuya distancia interplanar estaacute relacionada con los

iacutendices de Miller de los planos (hkl) y las constantes de red a y c a traveacutes de la ecuacioacuten 43

(Askeland 1998) y con el tamantildeo de cristalito (119863)

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784 120786 120785

A partir de la ecuacioacuten 43 es posible determinar los paraacutemetros de la red cristalina Cuando se

incide sobre un cristal muy pequentildeo del orden de nanoacutemetros se produce un ensanchamiento del

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pico de difraccioacuten esto permite determinar el tamantildeo promedio del cristal (119863) por medio de la

ecuacioacuten de Scherrer (Gurumurugan amp Mangalaraj 1995)

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637 120786 120786

Donde D es el tamantildeo del cristalito K es el factor de forma (K=09 para esferas) 120582 es la longitud

de onda de los rayos X (120582 = 15405981 Aring ) 120573 es el ancho completo de la mitad del maacuteximo y se

encuentra en radianes por lo tanto hay que convertir los valores de (FWHM) que se encuentran en

grados multiplicaacutendolos por 120587 180degfrasl y 120579 es el aacutengulo de Bragg

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectrometriacutea UV-Vis se basa en la absorcioacuten de radiacioacuten UV o visible por parte de las

moleacuteculas y se emplea para analizar muestras en fase liacutequida o soacutelida La espectrometriacutea de

absorcioacuten implica la medida de la fraccioacuten de la luz de una longitud de onda que pasa a traveacutes de

una muestra la figura 413 muestra la geometriacutea del equipo la muestra no emite luz por siacute misma

por lo que se debe incluir una fuente de radiacioacuten El paso de la luz a traveacutes de un monocromador

o un filtro selecciona la longitud de onda para el anaacutelisis (Hernaacutendez 2014)

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Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vis (Fuente Hernaacutendez)

Durante el anaacutelisis de la muestra se hacen dos mediciones en la primera se mide la cantidad de

luz en funcioacuten de la longitud de onda que llega al transductor cuando se ha colocado un blanco

(vidrio) Se denomina 1198680 del blanco cuando la concentracioacuten del material analizado es cero

La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras (vidrio + peliacutecula) con la

medida del blanco (vidrio) Llamamos 119868 a la intensidad que se mide con las muestras o con el

estaacutendar La comparacioacuten que se hace implica la relacioacuten 1198681198680 con ambas intensidades medidas

en las mismas condiciones del instrumento (longitud de onda geometriacutea) Se utilizan tres teacuterminos

diferentes para expresar esta relacioacuten

El primero es simplemente la relacioacuten 1198681198680 y se denomina Transmitancia que es denotada por

la letra T

119931 =119920

119920120782 120786 120785

El segundo es el porcentaje de transmitancia

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119931 = 119931 lowast 120783120782120782 120786 120786

El tercero es el logaritmo negativo de T que se denomina Absorbancia y se denota con la letra

A

119912 = minus 119845119848119840119920

119920120782= minus 119845119848119840 119931 120786 120787

Para la determinacioacuten del ancho de banda de energiacutea prohibida la energiacutea del gap (119864119892) es

determinada del espectro experimental del coeficiente de absorcioacuten (120572) como una funcioacuten de la

energiacutea del fotoacuten (ℎ120592)

En los materiales de gap directo como el ZnO se utiliza la siguiente ecuacioacuten

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ

es la constante de Planck 120584 es la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

En una graacutefica (120572ℎ120584)2 119907119904 ℎ120584 el ajuste a una recta de la parte proacutexima a 120572 = 0 el intercepto

para la ordenada nula es el valor de la energiacutea prohibida Esta recta tiene una expresioacuten de la forma

119910 = 119898119909 + 119887 lo que se tiene que buscar es el valor de 119909 para 119910 = 0 esto es 119909 = minus119887119898

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La conversioacuten de la energiacutea del fotoacuten en funcioacuten de la longitud de onda se realiza mediante la

constante de Planck(ℎ) y la de la velocidad de la luz (119888) La frecuencia del fotoacuten se relaciona con

la longitud de onda a traveacutes de la siguiente ecuacioacuten

119940 = 120642120640 120786 120789

Entonces la energiacutea del fotoacuten se puede escribir en funcioacuten de la longitud de onda como

119916 =119945119940

120640 120786 120790

Por lo tanto la energiacutea del fotoacuten puede calcularse como 12398

120582(119899119898) Aplicando al caso del ZnO se

adquieren los valores de la longitud de onda y la transmitancia del vidrio y la medida se divide la

transmitancia medida entre la del vidrio para obtener la transmitancia de la peliacutecula Se transforma

la transmitancia en coeficiente de absorcioacuten y la longitud de onda en energiacutea (H Bubert amp Jenett

2002)

Los anaacutelisis de absorbancia y transmitancia para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con

tratamiento de recocido se realizaron con el espectroacutemetro UV-Vis marca Analytik Jena Modelo

Specord Plus 250 y con un barrido de longitud de onda de 300 nm a 800 nm

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443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)

Este meacutetodo inventado en 1985 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer pertenece al grupo de

teacutecnicas de microscopiacutea de fuerza de barrido un grupo de teacutecnicas que estaacuten basadas en la

medicioacuten de diferentes fuerzas como son la fuerza atractiva la gravitatoria la repulsiva la

magneacutetica la de Van Der Walls y la electrostaacutetica esta medicioacuten es hecha entre la punta fina y la

superficie de la muestra

La formacioacuten de la imagen se lleva a cabo mediante la medicioacuten de la fuerza de interaccioacuten a

traveacutes de la deflexioacuten de un cantileacutever Aunque diversos tipos de fuerzas se encuentran cuando una

punta se aproxima a la superficie de la muestra la generacioacuten de la sentildeal en el AFM se basa

esencialmente en fuerzas repulsivas interatoacutemicas que son de naturaleza de corto alcance

En el caso ideal se puede asumir ver figura 414 lo que significa que el contacto directo de la

punta con la superficie se la muestra se limita a un aacuterea muy pequentildea Como resultado de esto

siempre hay una fuerza repulsiva interatoacutemica en esta pequentildea aacuterea de contacto debido a la

penetracioacuten de las capas electroacutenicas de los aacutetomos de la punta y los de la superficie de la muestra

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Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del sustrato (Fuente Rojas)

La fuerza repulsiva interatoacutemica estaacute influenciada por la densidad total de electrones alrededor

de un aacutetomo y no soacutelo por los estados particulares de la energiacutea La interaccioacuten entre la punta y la

muestra puede ser descrita por una graacutefica fuerza vs distancia esta graacutefica mostrada en la figura

415 permite ver los cambios de fuerza cuando la punta se acerca a la muestra si hay una gran

separacioacuten no hay interaccioacuten por lo tanto la fuerza seriacutea cero (en la liacutenea entre 1 y 2 no habriacutea

fuerzas electrostaacuteticas) En la posicioacuten 2 la punta pasa a estar en contacto debido a la fuerza

atractiva de Van Der Walls como la punta se mueve hacia la muestra entonces la fuerza total que

actuacutea sobre el cantileacutever es repulsiva Cuando la punta es arrastrada sobre la muestra las fuerzas

se reducen a lo largo de la liacutenea pasando de la posicioacuten 3 a la posicioacuten 4

Por debajo de la liacutenea de fuerza del diagrama dicha fuerza que actuacutea sobre el cantileacutever se

vuelve atractiva debido a la adhesioacuten En el punto 4 la fuerza es de adhesioacuten y la carga del

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cantileacutever apenas estaacute equilibrada la punta es tirada hacia afuera de la superficie debido a las

fuerzas de repulsioacuten

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta con la superficie del

sustrato (Fuente Rojas)

Modos de trabajo de un microscopio de fuerza atoacutemica

El AFM puede funcionar en distintos arreglos o modos experimentales estos modos se dividen

baacutesicamente en dos grupos modos de contacto continuo y modos dinaacutemicos Los modos de

contacto continuo fueron los primeros utilizados en los antildeos tempranos del AFM y su uso apenas

insinuaba la resolucioacuten nanomeacutetrica de la que el instrumento era capaz El meacutetodo dinaacutemico de

maacutes uso es el meacutetodo de contacto intermitente o tapping mode (Loacutepez y Solares 2014)

Modo contacto

El modo contacto es el disentildeo experimental maacutes simple en este modo la punta de la sonda se

encuentra en contacto perpetuo con la muestra por lo que tambieacuten es llamado modo estaacutetico La

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figura 416 muestra el funcionamiento del AFM en modo contacto Durante la toma de imaacutegenes

en modo contacto la variable control es la deflexioacuten de la micropalanca (anaacutelogo a la compresioacuten

o estiramiento de un resorte) La variable control es mantenida constante por medio de un circuito

de retroalimentacioacuten (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemica (Fuente Loacutepez y Solares)

El escaacutener sobre el que descansa la muestra se encarga de moverla con respecto a la

micropalanca en direccioacuten ldquoxyrdquo para realizar distintas liacuteneas de escaneo La micropalanca al

interactuar con la muestra sufre una deflexioacuten proporcional a la fuerza de interaccioacuten con la

superficie obedeciendo a la ley de Hooke (ecuacioacuten 49) En este circuito la sentildeal de deflexioacuten es

leiacuteda en el fotodetector y transmitida a la caja electroacutenica donde se compara el valor actual con el

punto de ajuste (setpoint) De acuerdo a esa diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal de salida

al escaacutener para ajustar la posicioacuten en el eje ldquozrdquo de la muestra si fuera necesario para mantener la

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variable control constante Como consecuencia de las exploraciones en ejes ldquoxyrdquo asiacute como los

cambios en ldquozrdquo se genera una imagen topograacutefica de la superficie de la muestra estudiada (Loacutepez

y Solares 2014)

= 119948119963∆119937 120786 120791

Donde

Fuerza arbitraria de magnitud F

∆119937 Compresioacuten del resorte

119948119963 Constante elaacutestica

Modo contacto intermitente

Eacuteste meacutetodo es comuacutenmente conocido como ldquotapping moderdquo en ingleacutes es el meacutetodo maacutes baacutesico

de los meacutetodos dinaacutemicos ademaacutes es el meacutetodo maacutes frecuente utilizado en AFM En este meacutetodo

la micropalanca se hace vibrar con amplitudes en el rango nanomeacutetrico (aproximadamente entre 5

y 200 nm) razoacuten por la que se le conoce como una teacutecnica de amplitudes ldquograndesrdquo El teacutermino

ldquograndesrdquo es relativo cuando se compra a otras teacutecnicas dinaacutemicas en la que la micropalanca puede

vibrar en el rango de los angstroms como en el caso de modulacioacuten de frecuencia en alto vaciacuteo

(Gross et al 2009)

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El AFM de contacto intermitente funciona con un circuito que controla la amplitud y se encarga

de mantenerla a un valor preestablecido (setpoint) En el circuito de modulacioacuten de amplitud ver

figura 417 la amplitud es calculada internamente con los valores de pendiente de la micropalanca

que lee el fotodetector Luego esa amplitud se compara con el valor preestablecido de amplitud y

si existe una diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal al escaacutener este se encarga de hacer la

correccioacuten en el eje ldquozrdquo para poder alcanzar el valor preestablecido y de esta forma mantener la

variable control (amplitud) constante Al igual que el meacutetodo de contacto las exploraciones en

ejes ldquoxyrdquo asiacute como los cambios en el eje ldquozrdquo generan una imagen topograacutefica de la superficie

estudiada (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitente (Fuente Loacutepez y Solares)

Los cambios topograacuteficos generan cambios en la amplitud de oscilacioacuten Por ejemplo si la

micropalanca se encuentra con una protuberancia la amplitud de la punta se veraacute reducida

temporalmente luego para compensar por esa peacuterdida de amplitud el escaacutener recibiraacute a traveacutes del

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circuito la sentildeal para mover la muestra hacia abajo con el objetivo de mantener la amplitud

preestablecida (setpoint) Es importante mencionar que en este modo se escoge una amplitud en el

experimento correspondiente a una fraccioacuten de la amplitud libre ver figura 417) Tanto la

amplitud libre de la punta como la fraccioacuten de la amplitud libre se escogen durante el experimento

la eleccioacuten de estos paraacutemetros antildeade complejidad si lo comparamos con el modo contacto donde

el usuario uacutenicamente se preocupa de una variable que es la deflexioacuten de la micropalanca (Loacutepez

y Solares 2014) Es por ello que en general el aumento del grado de sofisticacioacuten del meacutetodo en

AFM permite la recopilacioacuten de mayor informacioacuten pero al mismo tiempo requiere de mayor

juicio conocimiento y experiencia del usuario

Existen ecuaciones que sirven para determinar los distintos paraacutemetros de rugosidad de las

muestras a analizar de las cuales soacutelo se usaron dos en este trabajo de tesis que son

Desviacioacuten Promedio

119929119938 =120783

119951 sum|119962119946|

119951

120783

120786 120783120782

Desviacioacuten Estaacutendar

119929119954 = radic120783

119951 sum 119962119946

120784

119951

120783

120786 120783120783

Donde

119962119946 Distancia vertical desde la liacutenea principal hasta el i-eacutesimo punto de dato

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119951 Orden de los perfiles de rugosidad

119929119938 Desviacioacuten Promedio (Rugosidad Media)

119929119954 Desviacioacuten Estaacutendar (Rugosidad Cuadraacutetica Media)

Los anaacutelisis de rugosidad de las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

se realizaron con el equipo de Microscopiacutea de fuerza atoacutemica marca Bruker y modelo Dimension

Edge V-T 102

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CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

51 Difraccioacuten de Rayos X

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano

En la figura 51 se observan los picos de difraccioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

sintetizada a 300 y de las recocidas a las temperaturas de 400 450 119910 500 respectivamente

Los picos de difraccioacuten teoacutericos se encuentran en el anexo A Todas las muestras presentan

naturaleza policristalina y estructura hexagonal wurtzita con una clara orientacioacuten preferencial en

el plano (002) no se presentaron picos caracteriacutesticos del cobre debido al bajo porcentaje de

dopaje La intensidad del pico del plano (002) en las peliacuteculas sometidas a temperaturas de

recocido son mayores en comparacioacuten a la de la peliacutecula sin recocido presentando el mayor pico

a 450 mientras que el plano (100) aparece uacutenicamente en la peliacutecula recocida a 400 S

observoacute una disminucioacuten del tamantildeo del cristalito con la primera temperatura de recocido de alliacute

en adelante fue aumentando en cambio el paraacutemetro de red c fue disminuyendo con la temperatura

de recocido Todo esto puede ser quizaacutes a la sustitucioacuten de iones de cobre en los sitios del zinc

ingreso de iones de cobre a los intersticios (ya que el radio ioacutenico del zinc es casi del mismo tamantildeo

que el del cobre) o vacancias de iones de zinc u oxiacutegeno produciendo una deformacioacuten en la red

seguacuten Filali Torchynska Diacuteaz amp Morales (2015) Si iones Cu1 sustituyen a iones Zn2 en la

estructura cristalina existe un incremento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como

se observa en las peliacuteculas recocidas a 450 119910 500 pero si es el ion Cu2 el que sustituye a iones

Zn2 se observa un decrecimiento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como sucede en

las peliacuteculas de 300 400 119910 450

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Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con recocido (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la tabla 1 se muestran los valores calculados para el aacutengulo de Bragg del plano (002) la

distancia interplanar el paraacutemetro c el ancho completo de la mitad del maacuteximo y el tamantildeo del

cristalito

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Tabla 1

Tabla de valores para las propiedades estructurales

Datos obtenidos mediante DRX y caacutelculos (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra

120784120637(deg)

119941119945119948119949(Aring)

119836 (Aring)

FWHM 119811 (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3441 2604 5208 03221 2582

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 3448 2599 5198 04430 1878

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 3463 2588 5176 03161 2633

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 3458 2592 5184 02847 2923

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En la figura 52 se observa la relacioacuten entre el tamantildeo del cristalito y la temperatura de recocido

el recocido a 400 no fue suficiente para lograr aumentar el tamantildeo del cristalito es por eso que

disminuye considerablemente a partir de alliacute aumenta a medida que lo hace la temperatura

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica

521 Morfologiacutea y rugosidad

La figura 53 a-d muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas tomadas en AFM en dos

dimensiones barridas en un aacuterea de 5120583119898 119909 5120583119898 La superficie de las peliacuteculas no son homogeacuteneas

son rugosas con tamantildeo de grano variable Para a) se observa que el crecimiento del grano se dio

en forma de montantildeas en b) el crecimiento del grano cambioacute draacutesticamente y se dio en forma de

espiral esto puede ser debido al reordenamiento de los aacutetomos que se dio al someter la peliacutecula a

la temperatura de recocido para c) mejoroacute la cristalinidad y la forma de crecimiento fue

nuevamente como montantildea esto concuerda con el aumento del valor del tamantildeo del cristalito y

para d) la cristalinidad volvioacute a mejorar en concordancia con el tamantildeo del cristalito que aumento

un poco maacutes Esto es debido a que el incremento del tamantildeo del cristalito causa un aumento en la

rugosidad seguacuten Saidani et al (2006)

Para cada peliacutecula se hicieron tres mediciones en diferentes zonas para determinar los

paraacutemetros de rugosidad siendo sus valores promedio Rugosidad Promedio (119877119886) 000611 120583119898 y

la Rugosidad Cuadraacutetica Media (119877119902) 0007843 120583119898 que son mostrados en la tabla 2

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Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 ordmC c) rec a 450 ordmC

y d) rec a 500 ordmC (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la figura 54 a b c y d se muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas ahora en tres

dimensiones en estas imaacutegenes se observa mucho mejor el cambio de la cristalinidad y la

morfologiacutea para cada peliacutecula la rugosidad (Ra) aumenta en funcioacuten de la temperatura de recocido

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 c) rec a 450 y

d) rec a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

En la tabla 2 se han registrado los valores de la rugosidad media (Ra) y la rugosidad cuadraacutetica

media (Rq) para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

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Tabla 2

Tabla de valores de las rugosidades

Datos obtenidos mediante el software del equipo de afm (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra 119929119954 (120641119950) 119929119938 (120641119950)

ZnOCu 3 vol sin recocido 0007843 0006110

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 0006960 0005336

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 0011033 0008840

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 0011933 00095733

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En la figura 55 se observa la rugosidad media (Ra) en funcioacuten de la temperatura de recocido

con lo cual se puede confirmar que a medida que aumenta la temperatura de recocido aumenta la

rugosidad de la peliacutecula a partir de 400

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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53 Espectrometriacutea UV-Vis

531 Transmitancia

En la figura 56 se observan los espectros de transmitancia oacuteptica de las peliacuteculas delgadas de

ZnOCu 3 vol sintetizadas por el meacutetodo de rociado piroliacutetico a 300 ordmC y las sometidas a

temperaturas de recocido de 400 ordmC 450 ordmC y 500 ordmC obtenidas por espectrofotometriacutea UV-Vis

en el rango de longitudes de onda de 300 a 750 nm

Las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin recocido y con recocido presentan alta

transmitancia (gt80) esto se debe al dopaje con cobre seguacuten Bunyod Allabergenov et al (1946)

La muestra recocida a 500 ordmC presenta la mayor transmitancia (gt80) en el rango de 500 a 600

nm

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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532 Absorbancia y energiacutea del gap

En la figura 57 se puede ver el espectro de absorbancia para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol

sin y con recocido

El pico de absorbancia para todas las peliacuteculas se tiene aproximadamente en 375 nm luego

decae hasta hacerse casi nula para todas las peliacuteculas esto se debe al dopaje con cobre seguacuten

Bunyod Allabergenov (1946)

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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Se utilizoacute el modelo de Tauc para calcular la energiacutea del gap en cada peliacutecula El dopaje con

cobre disminuyoacute la energiacutea del gap a 3256 eV comparaacutendola con el valor teoacuterico (337 eV)

mientras que al someter las peliacuteculas a temperaturas de recocido se observa que el valor de la

energiacutea del gap cambia ligeramente siendo 3256 3263 y 3257 eV para las peliacuteculas recocidas a

400 450 119910 500 respectivamente a diferencia de lo reportado por Mathew (2015) esto se deba

quizaacutes a que la cantidad de cobre no fue la suficiente para lograr la disminucioacuten de la energiacutea del

gap

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para la peliacutecula recocida a

400 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y derecha para la peliacutecula

recocida a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la tabla 3 se han registrado los valores de la energiacutea del gap para las muestras sin y con

recocido de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol

Tabla 3

Tabla de valores de la Energiacutea del Gap

Datos obtenidos usando la relacioacuten de Tauc (Fuente Elaboracioacuten Propia)

Muestra Energiacutea del Gap (eV)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 400 deg119914 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 450 deg119914 3263

ZnOCu 3 vol recocido a 500 deg119914 3257

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CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES

bull Utilizando la teacutecnica de rociado piroliacutetico se obtuvo la peliacutecula delgada de ZnOCu

3 vol siendo la temperatura de siacutentesis de 300ordmC sobre un sustrato de vidrio marca

Pearl

bull Los patrones de difraccioacuten de rayos X nos ayudaron a determinar los picos de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol obtenieacutendose como resultado

un crecimiento preferencial en la direccioacuten del plano (002) siendo la muestra recocida

a 450 ordmC la que presentoacute el pico maacutes elevado Esto es caracteriacutestico de la estructura

hexagonal wurtzita

bull El tamantildeo del cristalito aumenta a medida con la temperatura de recocido a partir de

400 ordmC

bull El paraacutemetro c disminuye a medida que aumenta la temperatura de recocido

bull Las imaacutegenes obtenidas por AFM muestran que la rugosidad media (Ra) de las

peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol aumentaron a medida que aumenta la

temperatura de recocido a partir de 400 ordmC

bull La espectrofotometriacutea UV-Vis revela que todas las muestras de ZnOCu 3 vol

presentan alta transmitancia (gt80) a partir de 400 nm hasta los 750 nm siendo la

muestra recocida a 500ordmC la que presenta mayor transmitancia (gt90) en el rango de

500 a 600 nm

bull La absorbancia a partir de 400 nm es casi nula en todas las muestras

bull La energiacutea del gap se mantiene casi constante con la temperatura de recocido

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CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS

bull Se sugiere incrementar el nuacutemero de capas de la peliacutecula delgada ya que se si bien es

cierto que si se pudieron observar los patrones de difraccioacuten estos presentan ruido en

su graacutefica y se cree que esto puedo mejorar haciendo maacutes gruesa la peliacutecula

bull Se sugiere incrementar el rango de temperaturas de recocidos para poder obtener maacutes

detalles acerca de la influencia de eacutesta temperatura en las propiedades que se quieran

analizar de las peliacuteculas delgadas

bull Se sugiere realizar el dopaje con otros porcentajes de cobre para obtener maacutes

informacioacuten acerca de la influencia de esto en las propiedades a estudiar

bull Se sugiere calcular los esfuerzos por deformacioacuten

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AS

71

REFERENCIAS

Acosta D R y Magantildea C R (2012) Oacutexidos conductores transparentes (119885119899119874 minus 1198781198991198742) Para

Remediacioacuten Ambiental Por Procesos Fotocataliacuteticos Muestra de proyectos ambientales

de tu ciudad Instituto de Fiacutesica de la Universidad Nacional Autoacutenoma de Meacutexico

Meacutexico DF

Alamri S N y Brinkman W A (2000) The effect of the transparent conductive oxide on the

performance of thin film CdSCdTe Solar cells J Phys D Appl Phys 33(1)

Aacutelvaro A D (2014) Estudio de Peliacuteculas Delgadas de 1198821198743 depositadas por la teacutecnica de

Sputtering Reactivo (tesis de pregrado) Cimav Chihuahua Meacutexico

American Society For Testing Materials Copper and Copper Alloys Annual Book of ASTM

Standards Vol21 (2) (ASTM International West Conshohocken PA) Revisado

anualmente

Askeland D (1998)Ciencia e Ingenieriacutea de los MaterialesUsa Thomson

Bedia F Z Bedia A N Maloufi N Aillerie M Gent F y Benyoucef B (2014) Effect

of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray

pyrolysis technique Journal of Alloys and Compounds 616 312ndash318

Benharrats F Zitouni K Kadri A y Gil B (2010) Determination of piezoelectric and

spontaneous polarization fields in CdxZn1ndashxOZnO quantum wells grown along the polar

(0001) direction Superlattices and Microstructures 47 592ndash596

Bubert H y Jenett H (2002) Surface and Thin Films Analysis Alemania Wiley

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

72

Bunyod A Oybek T Amir I A Jeong S W y Sungjin K (1946) Study of optical

properties in cu-doped zno thin films fabricated by dc magnetron sputtering Kumoh

National Institute of Technology (KIT) Metallkunde 37 40-4

Caglar Y Aksoy S Ilican S y Caglar M (2009) Crystalline structure and morphological

properties of undoped and Sn doped ZnO thin films Superlattices and Microstructures

46 469-475

Crystallography Open Database (2018) Recuperado de

httpwwwcrystallographynetcod1011258html

Deinert J (2016) Zinc Oxide Surfaces and Interfaces Electronic Structure and Dynamics of

Excited States (tesis postdoctoral) Department of Physics Technische Universitaumlt

Berlin Berlin Alemania

Filali B E Torchynska T V Diacuteaz C A y Morales R M (2015) Structural and raman

scattering studies of ZnO Cu nanocrystals grown by spray pyrolysis Revista Mexicana

de Ingenieriacutea Quiacutemica 14(3) 781-788

Gross L Mohn F Liljeroth P Repp J Giessibl FG y Meyer G (2009) Measuring the

charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy Science 324(5933)

1428-1431

Gurumurugan y Mangalaraj (1995) Structural Characterization of zinc oxide thin films

deposited by sol-gel Journal of Crystal Growth 147 335-360

Hafdallah A Herissi I Chergui N Kebaili Z Aida M y Attaf N (2018) Structural and

optical properties of ZnO thin films deposited by pyrolysis spray method effect of Al

doping Nanotechnology Letters

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BIBLI

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

73

Hernaacutendez S S (2014) Preparacioacuten y Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de ZnO y

ZnOAl por la teacutecnica de Rociacuteo Piroliacutetico Para su Aplicacioacuten en Celdas Solares (tesis de

maestriacutea) Instituto Politeacutecnico Nacional Altamira Meacutexico

Hirata G A McKittrick J Siqueiros J Loacutepez O A Cheeks T Contreras O y Yi J Y

(1996) High transmittance-low resistivity ZnOGa films by laser ablation Journal of

Vacuum Science amp Technology A Vacuum surfaces and films 14(3) 791-794

Jeong S H Park B N Yoo D G y Boo J H (2007) Al-ZnO thin films as transparent

conductive oxides synthesis characterization and application tests Journal of the

Korean Physical Society 50(3) 622-625

Jijoy P M Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties of

Transition Metal Doped ZnO Thin Films IOP Conf Series Materials Science and

Engineering 731-5 doi 1010881757-899X

Kane J Schweizer H P y Kern W (1976) Chemical Vapor Deposition of Antimony-Doped

Tin Oxide Films Formed from Dibutyl Tin Diacetate Journal of the Electrochemical

Society 126(2) 270-277

Koumllble Ch Greiner D Klaer J Klenk R Meeder A y Ruske F (2009) DC reactive

sputtering of aluminum doped zinc oxide films for solar modules controlled by target

voltage Thin Solid Films 520 1913-1917

Leoacuten L H (2014) Efecto de la temperatura de recocido en la resistividad eleacutectrica de las

peliacuteculas de SnO2 sintetizadas por rociado piroliacutetico (tesis de pregrado) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

74

Liu H Avrutin V Izyumskaya N Oumlzguumlr Uuml y Morkoccedil H (2010) Transparent conducting

oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices Superlattices

and Microstructures 48 458ndash484

Loacutepez W Castro P Molina J y Arbey J (2011) Estabilidad y estructura electroacutenica del

ZnO Revista Colombiana de Fiacutesica 43 (I)

Loacutepez G Morales R Olea O Saacutenchez V Trujillo J Varela V y Vilchis A (2013)

Nanoestructuras metaacutelicas Siacutentesis caracterizacioacuten y aplicaciones Meacutexico DF

Meacutexico Reverteacute

Loacutepez E A y Solares S D (2014) El microscopio de fuerza atoacutemica meacutetodos y aplicaciones

Revista 28 de la Universidad del Valle de Guatemala 14-23

Mathew J P Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties

of Transition Metal Doped ZnO Thin Films Mat Sci and Eng 73 1-5

Minami T (2008) Present status of transparent conducting oxide thin-film development for

Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes Thin Solid Films 516 5822-5828

Mizuhashi M (1980) Electrical properties of vacuum-deposited indium oxide and indium tin

oxide films Thin Solid Films 70(1) 91-100

Mooney J B amp Rading S B (1982) Spray Pyrolysis Processing Annual Reviews of

Materials Science 12 81-101

Noriega D E (2015) Efecto de la temperatura del sustrato en los esfuerzos residuales de las

peliacuteculas de ZnO sintetizadas por Rociado Piroliacutetico (tesis de Maestriacutea) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

Pan C A y Ma T P (1980) High-quality transparent conductive indium oxide films

prepared by thermal evaporation Applied Physics Letter 37(2) 163

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BIBLI

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ICAS

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AS

75

Peacuterez M L (2005) Fabricacioacuten y Caracterizacioacuten Oacuteptica Estructural y Eleacutectrica de Peliacuteculas

Delgadas Transparentes de Oacutexidos de Estantildeo Circonio y Zinc (tesis de doctorado)

Instituto Politeacutecnico Nacional Meacutexico DF Meacutexico

Rahmani M B Keshmiri S H Shafiei M Latham K Wloarski W Plessis J du y

Kalantar-Zadeh K (2009) Transition from n- to p- Type of Spray Pyrolysis Deposited

Cu Doped ZnO Thin Films for NO2 Sensing ASP 7 1-8

Ramiacuterez C M (2015) Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de 119885119899119874 1198661198863+ Obtenidas Por La

Teacutecnica de Sol-Gel (tesis de pregrado) Universidad Tecnoloacutegica de la Mixteca

OaxacaMeacutexico

Rojas F S (2013) Influencia de la temperatura de recocido de las peliacuteculas de ZnO

compuestas con nanopartiacuteculas de Au sobre el crecimiento de Nanorods (tesis de

pregrado) Universidad Nacional de Trujillo Trujillo La Libertad Peruacute

Rozati S M (2008) Effect of film thickness on the physical properties of ZnOAl thin films

deposited using a spray pyrolysis technique Canadian J Phys 86 379ndash382

Ruumlcker N y Becker K J (1978) Life stability of transparent semiconducting oxide films

deposited onto cold substrates Thin Solids Films 53(2) 163-167

Sahay PP y Nath RK (2008) Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG)

sensors Sensors and ActuatorsB(133) 222ndash227

Saidani T Zaabat M Aida M S Benoboud A Benzitouni S y Boudine A (2014)

Influence of annealing temperature on the structural morphological and optical properties

of Cu doped ZnO thin films deposited by the sol-gel method Superlattices and

Microstructures 75 47-53

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AS

76

Ghandi S K Field R J y Shealy J R (1980) Highly oriented zinc oxide films grown by the

oxidation of diethylzinc Applied Physics Letters 37(5) 449

Waal H y Simons F (1981) Tin oxide coatings Physical properties and applications Thin

Solid Films 77 253-258

Wang L Zhang X Zhao S Zhou G Zhou Y y Qi J (2005) Synthesis of well-aligned

ZnO nanowires by simple physical vapor deposition on c-oriented ZnO thin films without

catalyst or additives App Phy Lett 86(2)

Wolgamott J C (2017) Analysis of Zinc Oxide Thin Films Synthesized by Sol-Gel via Spin

Coating (tesis de maestriacutea) The University of Wisconsin-Milwaukee USA

Yan Y Al-Jassim M M y Wei S (2006) Doping of ZnO by group-IB element Applied

Physics Letters 89

Zhon L W (2004) Nanostructures of Zinc Oxide Materials today 7 26-33

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ANEXOS

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ANEXO A

Valores Teoacutericos Del Zno

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnO (Fuente En liacutenea)

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ANEXO B

Caacutelculo de la distancia interplanar

La distancia interplanar fue calculada a partir de la Ley de Bragg

119941 =120640

120784 119852119842119847 120637

Doacutende d es la distancia interplanar 120582 es la longitud de onda de rayos X (15405981 A) y 120579 es

el aacutengulo de Bragg

Se tomoacute como plano de referencia el (002)

Para la muestra sin tratamiento de recocido el aacutengulo fue 2120579 = 3441deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120782120787deg

119941 = 120784 120788120782120786 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3448deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120786deg

119941 = 120784 120787120791120791 119808

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80

Para la muestra recocida a 450deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3463deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120785120783120787deg

119941 = 120784 120787120790120790 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3458deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120791deg

119941 = 120784 120787120791120784 119808

Caacutelculo del paraacutemetro c

El paraacutemetro de red C fue calculado para cada muestra con la foacutermula

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784

Doacutende h=k=0 y l=2 reemplazando estos datos tenemos

119940 = 119949 119941119945119948119949

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S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

81

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119940 = (120784)120784 120788120782120786 119808

119940 = 120787 120784120782120790 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120791 119808

119940 = 120787 120783120791120790 119808

Para la muestra recocida a 450deg119862

119940 = (120784)120784 120787120790120790 119808

119940 = 120787 120783120789120788 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120784 119808

119940 = 120787 120783120790120786 119808

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AS

82

Caacutelculo del tamantildeo de grano

Para calcular el tamantildeo del cristalito se utilizoacute la ecuacioacuten de Debye-Scherrer

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637

Doacutende K es la constante que es 09 para partiacuteculas esfeacutericas 120582 es la longitud de onda de los

rayos X (15405981 A) 120573 es la mitad del ancho del maacuteximo (FWHM) pico que para nuestro caso

fue el que correspondiacutea al plano (002) y estaacute dado en radianes y 120579 es el aacutengulo de Bragg

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120788120784120783) 119836119848119852 120783120789 120784120782120787deg119808

119915 = 120784120787 120790120784 119951119950

Para la muestra recocida a 400deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120789120789120785120783) 119836119848119852 120783120789 120784120786deg119808

119915 = 120783120790 120789120790 119951119950

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AS

83

Para la muestra recocida a 450deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120787120783120789) 119836119848119852 120783120789 120785120783120787deg119808

119915 = 120784120788 120785120785 119951119950

Para la muestra recocida a 500deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120786120791120788120789) 119836119848119852 120783120789 120784120791deg119808

119915 = 120784120791 120784120785 119951119950

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AS

84

ANEXO C

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada

Se realizoacute una pequentildea incisioacuten en la peliacutecula con una navaja de tal forma que la peliacutecula pueda

ser desprendida pero que no produzca rayaduras en el sustrato y utilizando el Meacutetodo Section del

Software NanoScope Analysis version 140 se calculoacute la distancia vertical y horizontal en tres

regiones para obtener un promedio con lo cual seriacutea el espesor aproximado de la peliacutecula

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b) Imagen 3D del escaloacuten

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85

Tabla 4

Tabla de datos de las alturas horizontales y verticales

Datos obtenidos para calcular el espesor de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 (Elaboracioacuten Propia)

Calculando el promedio de las distancias verticales

(189441 + 184037 + 170941)119899119898 = 544419 119899119898

544419119899119898

3= 181473 119899119898

El grosor de la peliacutecula fue 181 473 nm

Este proceso se realizoacute para todas las muestras en la tabla 5 se muestran los valores

correspondientes cada peliacutecula

Tabla 5

Tabla de valores del espesor de cada peliacutecula

Muestra Espesor (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 181473

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 179596

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 181210

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 183498

Datos calculados para el espesor de cada peliacutecula (Fuente Elaboracioacuten propia)

N Distancia Horizontal Distancia Vertical

1 3249 (microm) 189441 (nm)

2 3679 (microm) 184037 (nm)

3 3914 (microm) 170941 (nm)

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86

ANEXO D

Caacutelculo de los valores de Rugosidad

Se calculoacute el promedio de la rugosidad media y la rugosidad cuadraacutetica media para cada

peliacutecula El aacuterea de anaacutelisis en todas las muestras fue 3um x 1um y los valores fueron obtenidos

por el sensor de altura en el software de AFM Dimension Edge VT-112

Muestra Sin Rec

Figura D 1 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra sin rec

Tabla 6

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rec

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000751 000589

ZONA 2 000849 000646

ZONA 3 000753 000598

PROMEDIO 000784 000611

Datos para el promedio de la rugosidad de ZnOCu 3 vol Sin Rec (Elaboracioacuten Propia)

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87

Muestra Rec a 120786120782120782

Figura D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 400 ordmC

Tabla 7

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

Muestra Rec a 120786120787120782

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000634 000506

ZONA 2 000769 000590

ZONA 3 000685 000505

PROMEDIO 000696 000534

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88

Figura D3 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 450 ordmC

Tabla 8

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00112 000903

ZONA 2 00110 000872

ZONA 3 00109 000877

PROMEDIO 00110 000884

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89

Muestra Rec a 120787120782120782

Figura D4 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 500 ordmC

Tabla 9

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec 500 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00119 000956

ZONA 2 00120 000969

ZONA 3 00119 000947

PROMEDIO 00119 000957

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90

ANEXO E

Caacutelculo de la energiacutea del gap

Se utilizoacute la foacutermula 46

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material que es igual a la absorbancia dividida por

el espesor de la peliacutecula 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ es la constante de Planck 120584 es

la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

Haciendo los caacutelculos respectivos en Excel obtuvimos los valores de ℎ120584 y (120572ℎ120584)2

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauc

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AS

91

Luego graficamos esto usando Origin 8 y trazando la recta hasta el intercepto con el eje x

obtuvimos el valor de la energiacutea del gap Esto se hizo para todas las peliacuteculas

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas las peliacuteculas

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AS

Page 4: FÍSICAS INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO …

iv

DEDICATORIA

A mi amada madre Marleny Campos por

Todo el amor brindado y su esfuerzo constante

de guiarnos a miacute y a mis hermanos en los

caminos de Dios A mi Padre Eberth Castro

por sus consejos recibidos y su apoyo para

poder terminar la carrera A mis hermanos

Eliacuteas Gabriel y Benjamiacuten

A mi tiacutea Mariacutea Castro que a pesar de

la distancia se daba un tiempo para

aconsejarme

A mi abuela Olguita por su amor carintildeo

y tiempo para conmigo

A mi prima Denisse Mariacuten Campos

por ser como una hermana y apoyarme

siempre

E Isaac Castro Campos

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v

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por sobre todas las cosas porque gracias a Eacutel pude completar este

desafiacuteo a mi familia por estar a mi lado en todos estos momentos

A mi asesor y amigo el Lic Wilder M Aguilar Castro Jefe del Laboratorio de Fiacutesica de

Materiales ldquoLennart Hasselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo por las mediciones

hechas con el microscopio de fuerza atoacutemica (AFM) por su apoyo ensentildeanzas y consejos

que permitieron culminar este trabajo de tesis con eacutexito

Al Mg Henry Leoacuten Leoacuten integrante del grupo de investigacioacuten del Laboratorio de

Investigacioacuten Multidisciplinario (LABINM) de la Universidad Privada Antenor Orrego

por su apoyo en las mediciones oacutepticas de las peliacuteculas delgadas

Al Dr Segundo Jaacuteuregui Rosas por su apoyo con las mediciones de los patrones de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas

A mis amigos Daniel Chaacutevez Susanita Moreno Joseacute del Aacutengel Joseacute De la Cruz

Mauricio Matta por los antildeos compartidos dentro de la carrera y su amistad sincera

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vi

RESUMEN

En el presente trabajo de tesis se estudioacute la influencia de la temperatura de recocido sobre las

propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de las peliacuteculas delgadas de ZnO dopada con

cobre a 3 en volumen dichas peliacuteculas fueron sintetizadas sobre substratos de vidrio mediante

el meacutetodo de rociado piroliacutetico usando como soluciones precursoras el acetato de zinc

dihidratado[119885119899(11986211986731198621198742)2 21198672119874] y el cloruro de cobre dihidratado [1198621198972119862119906 21198672119874] disueltas en

etanol Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 Vol sin recocido y

recocidas a 400 450 y 500 indican que todas las muestras son poli cristalinas con estructura

hexagonal wurtzita el plano preferente de crecimiento fue el (002) disminuyendo la intensidad

de su pico uacutenicamente en la muestra recocida a 400 El tamantildeo del cristalito para la muestra sin

recocido fue de 2582 nm y para las muestras recocidas a 400 450 y 500 de 1878 2633 y

2923 nm respectivamente Las imaacutegenes obtenidas por microscopiacutea de fuerza atoacutemica indican que

la rugosidad media (Ra) aumenta con la temperatura de recocido a excepcioacuten de la muestra

recocida a 400 que disminuye Los anaacutelisis en el espectroacutemetro UV-Vis indican que estas

peliacuteculas tienen alta transmitancia mayor del 80 y que la absorbancia es miacutenima La energiacutea del

gap para la muestra sin recocido fue de 3256 eV y para las muestras recocidas a 400 450 y

500 de 3256 3263 y 3257 eV respectivamente

Palabras clave Temperatura de recocido peliacutecula delgada rociado piroliacutetico policristalina

rugosidad media energiacutea del gap

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vii

ABSTRACT

In this thesis work Iacuteve studied the influence of annealing temperature over to rugosity

transmitance and cristallite size of ZnOCu 3 thin films The ZnOCu 3 thin films was

synthetisized over glass substrates by spray pyrolisys technique using zinc acetate

dyhidrate[119885119899(11986211986731198621198742)2 21198672119874] and copper chloride dyhidrate[1198621198972119862119906 21198672119874] as precursor

solutions mixed in ethanol The diffraction patterns of ZnOCu 3 thin films both without

annealing and annealed at 400 450 and 500 indicates that all samples are polycrystalline with

wurtzita hexagonal structure The preferred plane of growth was (002) decreasing the intensity of

its peak only in the sample annealed at 400 The crystallite size for the sample without annealing

was 2582 nm and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 1878 2633 and 2923 nm

respectively The images obtained by atomic force microscopy indicate that the average roughness

(Ra) increases with annealing temperature except for the sample annealed at 400 which

decreases Analyzes in the UV-Vis indicate that these films have high transmittance greater than

80 and that the absorbance is minimal The band gap for sample without annealing was 3256

eV and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 3256 3263 and 3257 eV respectively

Keywords Annealing temperature thin film spray pyrolysis polycrystalline average roughness

band gap

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viii

IacuteNDICE GENERAL

PRESENTACIOacuteN iii

DEDICATORIA iv

AGRADECIMIENTOS v

RESUMEN vi

ABSTRACT vii

IacuteNDICE GENERAL viii

IacuteNDICE DE FIGURAS xii

Capiacutetulo 2 xii

Capiacutetulo 3 xii

Capiacutetulo 4 xiii

Capiacutetulo 5 xiv

Anexos xiv

IacuteNDICE DE TABLAS xvi

CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1

CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 5

21 Oacutexido de Zinc 5

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO 5

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AS

ix

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO 7

24 El Cobre y Sus Propiedades 8

25 Dopado al Oacutexido de Zinc 9

CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE PELIacuteCULAS DELGADAS 12

31 Procesos Fiacutesicos 14

311 Evaporacioacuten teacutermica 14

312 Sputtering 15

32 Procesos Quiacutemicos 17

321 CVD 17

322 Sol-Gel 19

323 Rociado Piroliacutetico 20

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas 24

331 Modo de crecimiento capa por capa Δ120574 gt 0 26

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas 26

333 Modo de crecimiento por islas Δ120574 lt 0 26

CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO 27

41 Materiales Equipos e Instrumentos 27

42 Meacutetodo 30

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos 30

422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol 32

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AS

x

43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol 38

44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten 40

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX) 40

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis) 43

443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) 47

CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 55

51 Difraccioacuten de Rayos X 55

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano 55

52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 59

521 Morfologiacutea y rugosidad 59

53 Espectrometriacutea UV-Vis 64

531 Transmitancia 64

532 Absorbancia y energiacutea del gap 65

CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES 69

CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS 70

REFERENCIAS 71

ANEXOS 77

ANEXO A 78

Valores Teoacutericos Del Zno 78

ANEXO B 79

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AS

xi

Caacutelculo de la distancia interplanar 79

Caacutelculo del paraacutemetro c 80

Caacutelculo del tamantildeo de grano 82

ANEXO C 84

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada 84

ANEXO D 86

Caacutelculo de los valores de Rugosidad 86

Muestra Sin Rec 86

Muestra Rec a 400 87

Muestra Rec a 450 87

Muestra Rec a 500 89

ANEXO E 90

Caacutelculo de la energiacutea del gap 90

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IacuteNDICE DE FIGURAS

Capiacutetulo 2

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn

de color gris oscurohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnOhelliphelliphelliphelliphellip8

Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles

de fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Capiacutetulo 3

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipohelliphelliphellip16

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica de para un proceso de CVDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

Figura 34 Ruta Quiacutemica para el proceso de Sol-Gelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

Figura 35 Esquema del equipo de Rociado Piroliacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes

isla y (c) por islashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

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Capiacutetulo 4

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

Figura 43 Sustratos en detergentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenicohelliphellip31

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en hornohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica33

Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip34

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphellip35

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula

delgada de ZnOCu 3 vol helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

Figura 411 Diagrama de flujo del Proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadashelliphelliphellip39

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del

sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta

con la superficie del sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitentehelliphelliphelliphelliphelliphellip52

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Capiacutetulo 5

Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con

recocidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip58

Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 ordmC c) rec a 450 ordmC y d) rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 c) rec a 450 y d) rec a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y

con recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con

recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para

la peliacutecula recocida a 400 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y

derecha para la peliacutecula recocida a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

Anexos

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b)

Imagen 3D del escaloacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84

Figura D1 a Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra sin rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

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Figura D2 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 400 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87

Figura D3 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 450 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88

Figura D4 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 500 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas

las peliacuteculashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91

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IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de valores para las propiedades estructuraleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

Tabla 2 Tabla de valores de las rugosidadeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

Tabla 3 Tabla de valores de la Energiacutea del Gaphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

Tabla 4 Tabla de datos de las alturas horizontales y verticaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 5 Tabla de valores del espesor de cada peliacuteculahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 6 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

Tabla 7 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87

Tabla 8 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88

Tabla 9 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

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CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN

Los materiales desarrollados a base de oacutexidos transparentes y conductores (por sus siglas en

ingleacutes TCOs) han recibido una gran aceptacioacuten en la comunidad cientiacutefica debido a sus muacuteltiples

aplicaciones en la industria optoelectroacutenica ya que sus propiedades de alta transparencia y baja

resistividad los hacen aptos para aplicaciones en celdas solares sensores de gases (Koumllble et al

2009) pantallas planas pantallas de cristal liacutequido ventanas electro-croacutemicas entre otros

Los TCOs son semiconductores que se caracterizan por tener altos valores de transmisioacuten oacuteptica

(~ 80 ) en el intervalo visible y bajas resistividades (lt 10minus3Ω119888119898) seguacuten Minami (2008)

Algunos de los oacutexidos metaacutelicos preparados en forma de peliacutecula delgada que son o pueden ser

utilizados como conductores transparentes son oacutexido de cadmio (119862119889119874) oacutexido de estantildeo (1198781198991198742)

ITO (11986811989921198743 119878119899) FTO (1198781198991198742 119865) y AZO (119885119899119874 119860119897)(Alamri amp Brinkman 2000)

Uno de los oacutexidos conductores transparentes comuacutenmente utilizados debido a su alta

transmitancia en el visible gt 80 y su baja resistividad del orden de 10minus4Ω119888119898 es el oacutexido de

indio dopado con estantildeo (ITO) seguacuten Minami (2008) Pero debido a la rareza del indio en la tierra

su costo es elevado Otro oacutexido conductor transparente que ha llamado fuertemente la atencioacuten es

el CdO que es un semiconductor degenerado porque los estados en el fondo de la banda de

conduccioacuten se encuentran ocupados por lo tanto presenta alta conductividad sin necesidad de ser

dopado (Bhosale Kambale Kokate amp Rajpure 2005)

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Sin embargo ya que el Cd es muy toacutexico la unioacuten europea a traveacutes de la directiva de restriccioacuten

de sustancias peligrosas lo catalogoacute entre los 6 elementos restringidos para su uso en dispositivos

eleacutectricos y optoelectroacutenicos Debido a esta restriccioacuten es necesario buscar otras alternativas una

de ellas es el ZnO ya que presenta alta conductividad eleacutectrica seguacuten Jeon Park Yoo amp Boo

(2007) altos valores de transmitancia en la regioacuten visible del espectro electromagneacutetico (Hirata et

al 1996) bajo costo alta disponibilidad y no toxicidad

El oacutexido de Zinc es reconocido como un semiconductor porque tiene un ancho de banda de 337

eV a temperatura ambiente posee una gran energiacutea libre de unioacuten de excitones alta estabilidad

propiedades fiacutesicas oacutepticas etc (Benharrats Zitouni Kadri y Gil 2010)

Una peliacutecula delgada se encuentra en el rango de 1 119886 100 119899119898 (Loacutepez et al 2013) Para que

una peliacutecula delgada sea considerada como eficaz debe ser quiacutemicamente estable en el entorno a

usar debe adherirse bien a la superficie que cubre (sustrato) debe tener un espesor uniforme y

debe tener una baja densidad de imperfecciones (Leoacuten 2014)

Dentro de los diversos meacutetodos para obtener peliacuteculas delgadas tenemos el de rociado piroliacutetico

que puede ser maacutes barato simple y versaacutetil a comparacioacuten de otros meacutetodos Las propiedades de

las peliacuteculas rociadas pueden faacutecilmente adaptarse para las aplicaciones requeridas

Adicionalmente tambieacuten es un meacutetodo de deposicioacuten adecuado cuando se necesitan peliacuteculas de

grandes aacutereas (Rahmani et al 2009)

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El meacutetodo de rociado piroliacutetico es un proceso en el cual una peliacutecula delgada es depositada

mediante el rociado de una solucioacuten en una superficie caliente donde los constituyentes reaccionan

para formar un compuesto quiacutemico Los reactantes quiacutemicos son seleccionados de tal forma que

los productos distintos al del compuesto deseado sean volaacutetiles a la temperatura de deposicioacuten

(Mooney amp Rading 1982)

Las caracteriacutesticas estructurales eleacutectricas y oacutepticas de las peliacuteculas delgadas de ZnO han sido

ampliamente investigadas mientras que el efecto del dopado sobre estas propiedades auacuten estaacuten

siendo estudiadas (Rozati 2008 Caglar Ilikan y Caglar 2009) Las peliacuteculas de ZnO pueden

doparse con Al3+ (Sahay amp Nath 2008) Sn4+ y Sn5+ (Bedia et al 2014) F1- Cu1+ Ag1+ Ga3+

In3+ (Liu Avrutin Izyumskaya Oumlzguumlr y Morkoccedil 2010)

Elegir el Cu como dopante para las peliacuteculas delgadas de ZnO es una buena opcioacuten ya que

influye en las propiedades oacutepticas estructurales quiacutemicas y eleacutectricas del ZnO y el estudio del

estado electroacutenico del Cu en ZnO ha venido siendo el tema de intereacutes por mucho tiempo ya que

son uno de los componentes principales en celdas fotovoltaicas (Bunyod 1946)

El efecto de la temperatura de recocido sobre las peliacuteculas delgadas de ZnOCu estaacute siendo

estudiada minuciosamente debido a que se han reportado casos en los cuales disminuye la banda

del gap y aumenta el esfuerzo a medida que aumenta dicha temperatura (Jijoy Varguese amp

Mathew 2015)

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En el presente trabajo de investigacioacuten se realizoacute la siacutentesis de peliacuteculas delgadas de ZnOCu

3 por el meacutetodo de rociado piroliacutetico sobre un sustrato de vidrio a una temperatura de 300 ordmC y

luego sometida a temperaturas de recocido entre 400- 500 ordmC La caracterizacioacuten de las peliacuteculas

antes y despueacutes del recocido se realizoacute mediante DR-X UV-Vis y AFM

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CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO

21 Oacutexido de Zinc

El oacutexido de zinc es un compuesto inorgaacutenico relativamente abundante quiacutemicamente estable

y no toacutexico es insoluble en agua pero soluble en aacutecidos y bases diluidas su punto de fusioacuten es de

1975 ordmC temperatura a la que tambieacuten se descompone es un semiconductor formado por los

elementos del grupo-II ( 119885119899)30 y el grupo-VI ( 1198748

) El zinc tiene cinco isoacutetopos estables de los

cuales los maacutes comunes son el zinc 64 (4889 ) zinc 66 (2781 ) y el zinc 68 (1857 )

mientras que el oxiacutegeno consiste casi puramente en el isoacutetopo de oxiacutegeno 16 (9976 ) seguacuten

Loacutepez Castro Molina y Arbey (2011)

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO

Cada aacutetomo de zinc se encuentra rodeado por un tetraedro de 4 aacutetomos de oxiacutegeno y viceversa

tal y como se muestra en la figura 21 formando de esta manera una combinacioacuten alternada de

planos de aacutetomos oxiacutegeno y de planos de aacutetomos de zinc las cuales se encuentran a lo largo del

eje c con un desplazamiento entre ellos de 038c siendo c su paraacutemetro de red en la direccioacuten

vertical Los valores de los paraacutemetros de red para dicho material en condiciones normales de

presioacuten y temperatura son a = 032495 nm y c = 052069 nm (Hernaacutendez 2014)

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Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn de color gris oscuro

(Fuente Hernaacutendez)

Su estructura puede describirse como un nuacutemero de planos alternantes que estaacuten compuestos

por iones de oxiacutegeno 1198742minus e iones de zinc 1198851198992+ que se encuentran alternados en el eje c esta

estructura tetraeacutedrica es la que le confiere su baja simetriacutea y lo que resulta en sus propiedades de

piezoelectricidad (Hernaacutendez 2014)

Otra importante caracteriacutestica del ZnO es su superficie polar siendo la maacutes comuacuten la del plano

basal Los iones de zinc y oxiacutegeno generan superficies cargadas positiva para (119885119899 minus (0001)) y

negativa para (119874 minus (0001)) lo que resulta en un momento dipolar normal y una polarizacioacuten

espontaacutenea La estabilidad de la superficie polar 119885119899119874 plusmn (0001) es materia de estudio tambieacuten es

atoacutemicamente plana y estable sin reconstruccioacuten (Hafdallah et al 2018 Zhon 2004)

El zinc tiene una configuracioacuten electroacutenica (1119904)2(2119904)2(2119901)6(3119904)2(3119901)6(3119889)10(4119904)2 mientras

que la configuracioacuten electroacutenica del oxiacutegeno es (1119904)2(2119904)2(2119901)4 El enlace de ZnO en su red

cristalina involucra una hibridacioacuten 1199041199013 de los estados electroacutenicos lo cual lleva a cuatro orbitales

equivalentes en una geometriacutea tetraeacutedrica En el cristal semiconductor resultante los estados de

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enlace 1199041199013 constituyen la banda de valencia mientras que la banda de conduccioacuten se origina de su

contraparte de anti-enlace seguacuten Deinert (2016)

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO

Estructuralmente el oacutexido de zinc tiene tres tipos de direcciones raacutepidas de crecimiento las

cuales son lang2110rang ( plusmn[2110] plusmn[1210] plusmn[1120] ) lang0110rang ( plusmn[0110] plusmn[1010]

plusmn[1100] ) y plusmn[0001] El ZnO exhibe un amplio rango de nuevas estructuras que pueden ser

desarrolladas ajustando las tasas de crecimiento a lo largo de esas direcciones Uno de los mayores

factores que determinan la morfologiacutea implican las actividades superficiales relativas de diversas

facetas de crecimiento bajo condiciones dadas Macroscoacutepicamente un cristal tiene diferentes

paraacutemetros cineacuteticos para diferentes planos del cristal los cuales son controlados bajo condiciones

de crecimiento Asiacute despueacutes de un periodo inicial de incubacioacuten y nucleacioacuten un cristalito

comuacutenmente se convertiraacute en un objeto tridimensional bien definido con caras cristalograacuteficas de

bajo iacutendice La figura 2 de a) al c) muestran unas morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento en una

dimensioacuten para el ZnO dichas estructuras tienden a maximizar las aacutereas de las caras (2110) y

(0110) debido a la maacutes baja energiacutea y la morfologiacutea mostrada en la parte d) es dominada por las

superficies polares las cuales pueden ser crecidos mediante la introduccioacuten de defectos planares

paralelos a las superficies polares Los defectos planares y gemelos son observados ocasionalmente

paralelos al plano (0001) pero rara vez se pueden observar dislocaciones (Zhon 2004)

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Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnO (Fuente Zhon)

24 El Cobre y Sus Propiedades

El cobre con nuacutemero atoacutemico 29 y peso atoacutemico de 6354 exhibe una estructura cristalina cuacutebica

centrada en las caras El cobre es un elemento de transicioacuten y al ser un metal noble tiene

propiedades inherentes similares a las de la plata y el oro Tambieacuten posee excelente conductividad

maleabilidad resistencia a la corrosioacuten y biofuncionalidad El cobre tiene alta solubilidad para

otros elementos tales como el niacutequel el zinc el estantildeo y el aluminio Esta solucioacuten soacutelida de la

fase alfa (120572) es la responsable de la alta ductilidad exhibida para aleaciones de cobre Las adiciones

maacutes allaacute del liacutemite de solubilidad resultan en la fase beta (120573) la cual exhibe una estructura cuacutebica

de cuerpo centrado esta fase beta tiene alta estabilidad de temperatura y las aleaciones que exhiben

una estructura 120572 + 120573 tienen una excelente capacidad de formacioacuten en caliente La densidad del

cobre es 889 1198921198881198983 y su punto de fusioacuten es 1083 Seguacuten American Society For Testing

Materials la cual es revisada anualmente

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25 Dopado al Oacutexido de Zinc

Los elementos del grupo IB como el cobre la plata y el oro no parecen de tanto intereacutes como

sus contrapartes del grupo IA y VA pero actualmente se vienen trabajando con estos elementos

ya que cambian las propiedades del ZnO esto podriacutea significar que una sustitucioacuten con zinc podriacutea

resultar un defecto de aniquilador de electrones Aunque estos pueden ser considerados costosos

la plata y el cobre podriacutea ser una alternativa maacutes econoacutemica en comparacioacuten con otros elementos

que han sido usados como dopantes al fin de cuentas estas poseen una conductividad uacutenica

(Wolgamott 2017)

Las figuras 23 24 y2 5 muestran las energiacuteas de formacioacuten por defecto para el ZnO dopado

con cobre plata y oro estas cifras junto con un caacutelculo hecho por Yan Al-Jassim ampWei (2006)

muestran que bajo condiciones ricas en oxiacutegeno los elementos del grupo IB tienen una baja energiacutea

de formacioacuten para la sustitucioacuten del zinc Esta misma condicioacuten rica en oxiacutegeno tambieacuten suprime

la formacioacuten de defectos nativos en el agujero de perforacioacuten aumentando asiacute la posibilidad de

una peliacutecula delgada de ZnO dopado del tipo p (Wolgamott 2017)

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Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

El cobre y la plata ofrecen una mejor ruta para la reproduccioacuten de peliacuteculas delgadas de ZnO

del tipo p El dopaje con nitroacutegeno solo es favorable en condiciones ricas en zinc esto aumenta la

probabilidad de que se formen defectos por la formacioacuten de agujeros para compensar Para

ajustarse a esto teacutecnicas de procesamiento novedoso y no equilibrado deben ser usadas esta

dificultad aumenta los costos de procesamiento y reduce la reproduccioacuten de tales (Wolgamott

2017)

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Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

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CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE

PELIacuteCULAS DELGADAS

Una variedad de teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas han sido empleadas para el

depoacutesito de oacutexidos conductores trasparentes tales como el oacutexido de estantildeo (SnO2) dopado con

antimonio (SnO2 ∶ Sb) o con fluorina (SnO2 ∶ F) el oacutexido de indio(In2O3) dopado con estantildeo

(In2O3 ∶ Sn) el oacutexido de zinc (ZnO) dopado con indio (ZnO ∶ In) Ya que el transporte oacuteptico y

eleacutectrico en estas peliacuteculas depende fuertemente de su estequiometria su microestructura y de la

naturaleza de las impurezas presentes por lo tanto cada teacutecnica de deposicioacuten con los paraacutemetros

asociados produce peliacuteculas con diferentes propiedades Dependiendo de queacute teacutecnica de

deposicioacuten se use el sustrato influiraacute significativamente en las propiedades de las peliacuteculas Los

sustratos de vidrio son los de uso comuacuten para estos procesos Los procesos a baja temperatura tales

como la pulverizacioacuten catoacutedica con magnetroacuten la pulverizacioacuten ioacutenica con haz de iones y el

recubrimiento ioacutenico reactivo permiten la deposicioacuten de las peliacuteculas de oacutexido sobre el sustrato de

poliacutemero como el plaacutestico Mylar y poly (Teraftalato de etileno) Seguacuten Waal amp Simons (1981)

el coeficiente de expansioacuten teacutermica del sustrato afecta las propiedades eleacutectricas de las peliacuteculas

especialmente en procesos como los de rociado piroliacutetico y de inmersioacuten en los cuales las tensiones

intriacutensecas son inducidas dentro de la peliacutecula El coeficiente de expansioacuten teacutermica influye en la

orientacioacuten preferente del cristalito en las peliacuteculas de ZnO (Ghandhi Field amp Shealy 1980)

El proceso que implica deposiciones a altas temperaturas el efecto de la difusioacuten de iones

alcalinos desde el sustrato de vidrio hacia la peliacutecula se vuelve extremadamente importante (Kane

Schweizer amp Kern 1976) Los cationes actuacutean como agentes dopantes de tipo-p y compensan los

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donantes nativos El problema es grave en los sustratos de vidrio Soda-lime los cuales tienen un

alto contenido en sodio alrededor del 10-15 peso 1198731198862119874 En La figura 31 podemos observar

los tipos de procesos para la obtencioacuten de peliacuteculas delgadas

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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31 Procesos Fiacutesicos

311 Evaporacioacuten teacutermica

Peliacuteculas delgadas de IO (oacutexido de indio) (Pan amp Ma 1980) ITO (oacutexido de indio dopado con

estantildeo) (Mizuhashi 1980) y ZnO (Wang et al 2005) han sido depositadas por evaporacioacuten

teacutermica o por haz de electrones de fuentes de oacutexido Debido a su alto punto de fusioacuten el TO

(oacutexido de estantildeo) ha sido depositado por haz de electrones (Mizuhashi 1980) Cuando los oacutexidos

puros o mixtos se evaporan se reducen y forman peliacuteculas opacas de oacutexidos inferiores Por lo tanto

los oacutexidos transparentes conductores son obtenidos por post-oxidacioacuten de peliacuteculas inferiores o

por introduccioacuten del oxiacutegeno durante la evaporacioacuten (Ruumlcker amp Becker 1978)

La cineacutetica de oxidacioacuten de sub-oacutexidos la dependencia de la resistividad y la transmisioacuten en el

sustrato y las temperaturas de oxidacioacuten han sido estudiadas para peliacuteculas de ITO (Mizuhashi

1980) La opacidad de las peliacuteculas depositadas ha sido atribuida a la presencia de indio libre en

una matriz de In2O3 que resulta de la reduccioacuten de especies de In2O que estaacuten presentes en la

fase de vapor

La post-oxidacioacuten del indio libre es a traveacutes de un proceso controlado por difusioacuten y las

propiedades eleacutectricas y oacutepticas finales de las peliacuteculas estaacuten determinadas por las tasas relativas

de oxidacioacuten y difusioacuten del indio (Mizuhashi 1980)

En el caso de la oxidacioacuten durante la deposicioacuten la temperatura del sustrato y la presioacuten parcial

de oxiacutegeno son los principales paraacutemetros de control para el proceso que han sido estudiados por

Mizuhashi (1980) que obtuvo peliacuteculas de ITO de buena calidad con una presioacuten parcial de

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oxiacutegeno de 10minus4 Torr y una temperatura de sustrato de 400 con una tasa de deposicioacuten de

aproximadamente 50 Å 119898119894119899minus1 para el O2 puro

De lo anterior se puede concluir que para obtener peliacuteculas altamente transparentes y

conductoras por evaporacioacuten es necesario que la presioacuten parcial del oxiacutegeno sea alta (suficiente

para oxidar casi todo el indio) que la temperatura del sustrato sea la adecuada y que la tasa de

evaporacioacuten sea raacutepida (para suprimir la disociacioacuten de In2O3)

312 Sputtering

El Sputtering o pulverizacioacuten catoacutedica es una de las teacutecnicas maacutes usadas para la deposicioacuten de

peliacuteculas conductoras transparentes Esta teacutecnica se basa esencialmente en un bombardeo intenso

de un material con iones producidos en una descarga eleacutectrica en forma de plasma cuando la

energiacutea de los iones incidentes es suficientemente elevada entonces la interaccioacuten con la superficie

del material a traveacutes de intercambio de momento cineacutetico hace que los aacutetomos de la superficie

sean arrancados para pasar a la fase de vapor La figura 32 muestra un esquema de las etapas del

proceso El caacutetodo el cual estaacute conectado a la terminal negativa de la fuente de alimentacioacuten estaacute

formado por el material a evaporar que tambieacuten es llamado blanco o sputtering target estaacute

sometido al bombardeo intenso de los iones positivos de la descarga una vez que son acelerados

desde el plasma como consecuencia de la caiacuteda de potencial asociada El bombardeo de los iones

produce no solo el efecto de sputtering o pulverizacioacuten del blanco sino tambieacuten la emisioacuten de

electrones secundarios que son acelerados hacia el plasma Una vez en el plasma estos electrones

tienen la energiacutea suficiente para producir nuevos iones mediante procesos de ionizacioacuten en cascada

por impacto con los aacutetomos del gas compensando asiacute la perdida de carga producida por colisiones

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de las especies cargadas en las paredes de la caacutemara de vaciacuteo Se dice que la descarga es auto

mantenida (Aacutelvaro 2014)

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipo (Fuente Aacutelvaro)

El gas de la descarga suele ser un gas inerte de masa elevada con el objeto de aumentar la

transferencia del momento cineacutetico a los aacutetomos del blanco por razones de precio en la mayoriacutea

de las aplicaciones el gas utilizado es argoacuten con una masa atoacutemica de 40 los sustratos a recubrir

estaacuten colocados sobre el aacutenodo aunque se pueden situar sobre un soporte auxiliar frente al caacutetodo

El electrodo que actuacutea de aacutenodo suele estar conectado al potencial de tierra junto con la caacutemara

de vaciacuteo por razones de seguridad A diferencia de la teacutecnica de evaporacioacuten teacutermica la trayectoria

de las partiacuteculas pulverizadas no es rectiliacutenea ya que a presiones de trabajo alrededor de

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10minus3 mbar el recorrido libre medio es del orden de unos pocos mm Los aacutetomos evaporados

pueden alcanzar al sustrato desde cualquier direccioacuten despueacutes de sufrir una serie de colisiones en

la atmosfera de sputtering en las cuales sufren una peacuterdida de su energiacutea inicial Por lo tanto los

problemas de direccionalidad y los de homogeneidad del espesor de la capa depositada son

menores que en la evaporacioacuten teacutermica Al mismo tiempo los aacutetomos del gas inerte y la radiacioacuten

procedente del plasma tambieacuten interaccionan con la superficie de los sustratos produciendo

efectos laterales De hecho existe la posibilidad de que aacutetomos del gas inerte puedan contaminar

la capa depositada en el sustrato al quedar atrapados en su interior durante el crecimiento (Aacutelvaro

2014)

32 Procesos Quiacutemicos

321 CVD

La deposicioacuten quiacutemica por vapor (Chemical Vapor Deposition) es un proceso antiguo que data

del 1800 En este tiempo esta teacutecnica fue usada principalmente para producir materiales

refractores de alta pureza tales como el zirconio y el titanio Despueacutes de la segunda guerra mundial

los investigadores comenzaron a darse cuenta de las ventajas potenciales que ofreciacutea el CVD

Esta teacutecnica consiste en la deposicioacuten por vapor sobre una superficie caliente Esto pertenece a

las teacutecnicas de transferencia de vapor Con esta teacutecnica la liacutenea de visioacuten con la superficie de

recubrimiento no es necesaria por lo tanto permite la deposicioacuten en superficies complejas tambieacuten

posee una alta tasa de deposicioacuten y puede ser usado para recubrimientos gruesos esto permite la

co-deposicioacuten de los elementos y no requiere de un proceso de alto vaciacuteo

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La figura 33 muestra un CVD tiacutepico El primer paso es la activacioacuten teacutermica de los precursores

quiacutemicos para formar el vapor este a su vez es transportado a traveacutes de una caacutemara caliente en

donde el sustrato estaacute colocado en esta caacutemara la reaccioacuten gaseosa ocurre y los reactantes son

depositados en la superficie del sustrato con lo cual resulta la formacioacuten de la peliacutecula Los

subproductos volaacutetiles son desorbidos desde la peliacutecula y removidos de la caacutemara por medio de la

conveccioacuten

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica para un proceso de cvd (Fuente En liacutenea)

Un proceso tiacutepico de CVD requiere de temperaturas altas que la reaccioacuten de fase gaseosa ocurra

esto no soacutelo aumenta los costos de proceso sino que tambieacuten limita los tipos de sustratos donde la

peliacutecula delgada puede ser depositada Los precursores quiacutemicos con alta presioacuten de vapor que se

necesitan para el CVD son en su mayoriacutea toacutexicos y peligrosos para trabajar con ellos Finalmente

los subproductos de la reaccioacuten gaseosa que no permanecen en el sustrato pueden ser toacutexicos e

incluso corrosivos La neutralizacioacuten de estos subproductos implicariacutea un aumento del costo de

produccioacuten

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322 Sol-Gel

Esta teacutecnica de crecimiento es un proceso quiacutemico huacutemedo realizado a bajas temperaturas que

permite fabricar materiales amorfos y poli cristalinos estos uacuteltimos se obtienen despueacutes de un

tratamiento teacutermico En el meacutetodo Sol-Gel se puede controlar la composicioacuten quiacutemica estructura

cristalina y morfologiacutea superficial de las peliacuteculas ajustando los paraacutemetros de procesamiento tales

como relacioacuten molar entre los reactivos cantidad y naturaleza de los precursores disolventes

catalizadores aditivos e impurificantes Este proceso sigue la ruta quiacutemica que muestra en la figura

34 este parte de una solucioacuten inicial compuesta por un alcoacutexido metaacutelico por agua y por un

disolvente al que se le agrega un catalizador que puede ser tanto aacutecido como baacutesico Las reacciones

de hidroacutelisis y condensacioacuten se desencadenan a fin de sintetizar una suspensioacuten coloidal de

partiacuteculas soacutelidas o cuacutemulos en un liacutequido llamado Sol A medida que la reaccioacuten continua aumenta

la viscosidad de la solucioacuten hasta la forma del Gel el cual estaacute constituido de dos partes una soacutelida

que corresponde a las partiacuteculas de oacutexido y una liacutequida que es el disolvente inicial del Sol Luego

de esto se inicia un periodo de secado en condiciones normales de presioacuten y temperatura en el cual

se lleva a cabo la eliminacioacuten del disolvente y del agua residual de tal modo que el Gel se encogeraacute

obtenieacutendose un xerogel Al teacutermino del tiempo de secado generalmente se tienen disolventes y

agua para solucionar esto se somete a un tratamiento teacutermico (Ramiacuterez 2015)

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Figura 34 Ruta quiacutemica para el proceso de sol-gel (Fuente Ramiacuterez)

323 Rociado Piroliacutetico

Esta teacutecnica consiste en la pulverizacioacuten de una solucioacuten que contiene los iones metaacutelicos del

oacutexido que se quiere producir sobre un sustrato que se encuentra a una temperatura elevada El

precursor del material a ser fabricado se disuelve en metanol o etanol esta solucioacuten denominada

solucioacuten precursora es transformada en partiacuteculas muy finas mediante un nebulizador formando

una especie de vapor la solucioacuten nebulizada se transporta hacia el sustrato caliente con ayuda de

un gas portador (aire comprimido) de tal manera que llega al sustrato en forma de gota pequentildea

La pirolisis se produce en la superficie caliente del sustrato dando lugar a la peliacutecula delgada como

producto de la descomposicioacuten del compuesto quiacutemico por accioacuten del calor los componentes

reactivos de la solucioacuten precursora se seleccionan de tal modo que los productos de la reaccioacuten

quiacutemica que no intervienen en la formacioacuten de la peliacutecula sean volaacutetiles a la temperatura de trabajo

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Esto requiere del anaacutelisis del precursor quiacutemico tanto de la fase liacutequida como de la fase gaseosa

y una exploracioacuten de las reacciones superficiales que llevan a la formacioacuten de la peliacutecula delgada

En este proceso de fabricacioacuten de peliacuteculas delgadas un factor muy importante es la uniformidad

del tamantildeo de las gotas generadas

Cuando el vapor de la solucioacuten se aproxima al sustrato en condiciones ideales se espera que el

solvente se vaporice totalmente provocando la descomposicioacuten de los componentes no volaacutetiles

(Leoacuten 2014) En la figura 35 se muestra un esquema del equipo detallando cada parte

componente del mismo

Figura 35 Esquema del equipo de rociado piroliacutetico (Fuente Acosta amp Magantildea)

Piroacutelisis La reaccioacuten piroliacutetica la cual determina la cineacutetica del depoacutesito se efectuacutea cuando el

rociacuteo entra en contacto con el sustrato caliente y seguacuten el tamantildeo de las gotas se produciraacute

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diferentes procesos dependientes del comportamiento teacutermico de las gotas A continuacioacuten se

detallan 4 procesos diferentes seguacuten el tamantildeo de la gota

Gotas de tamantildeo muy pequentildeo

La reaccioacuten se completa durante el transporte antes de llegar al sustrato y se produce un polvo

del material sobre el sustrato la facilidad de este proceso es que puede ser faacutecilmente removido

Gotas de tamantildeo ideal

El solvente pasa a la fase gaseosa completamente antes de alcanzar el sustrato las partiacuteculas

precipitadas se fusionan vaporizan y se difunden sobre la superficie del sustrato En este proceso

las partiacuteculas producidas sufren procesos de adsorcioacuten difusioacuten superficial reaccioacuten de

nucleacioacuten por lo tanto determinan el crecimiento del recubrimiento El resto de los productos de

la reaccioacuten se volatilizan y se difunden fuera del sustrato

Gotas de tamantildeo mediano

El solvente de las gotas se vaporiza al llegar al sustrato dejando partiacuteculas precipitadas de los

reactantes los cuales se fusionan en la superficie del sustrato y causan enfriamiento localizado

obtenieacutendose recubrimientos de baja calidad

Gotas de tamantildeo grande

La energiacutea teacutermica absorbida por la gota durante el transporte al sustrato no es suficiente para

que el solvente se pueda evaporar por completo El solvente residual se evaporaraacute en el sustrato

formando estructuras no homogeacuteneas

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Para lograr la selectividad de las gotas que llegaraacuten al sustrato se graduacutea la longitud entre lo

boquilla y el sustrato Considerando que la fuerza gravitacional es proporcional a 1199033 siendo r el

radio de la gota Las gotas de radios mayores al valor criacutetico no pueden ser transportadas por el

gas portador y por lo tanto regresan al nebulizador En las cercaniacuteas del sustrato se forma una

niebla de la solucioacuten con una distribucioacuten uniforme de gotas de tamantildeo pequentildeo requisito

importante para la obtencioacuten de recubrimientos delgados de buena calidad

Las fuerzas que determinan el recorrido de las gotas por la tobera son la gravitacional y la fuerza

de Stokes debido a la friccioacuten entre la gota y las moleacuteculas de aire seguacuten Silva (2013)

119917119956 = 120788120645120636119955(119959119941 + 119959119938) [120783 +120785

120790119929119942] 120784 120783

119917 = 119950119944 120784 120784

En donde 120578 es la viscosidad de la gota 119903 es el radio de la gota 119907119889 es la velocidad de la gota 119907119886

es la velocidad del aire y 119877119890 es el nuacutemero de Reynolds

El nuacutemero de Reynolds para partiacuteculas esfeacutericas en un flujo gaseoso es

119929119942 = 120784119955(119959119941 + 119959119938)

120636120633119938 120784 120785

En donde 120575119886 es la densidad del aire

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Cuando estas dos fuerzas alcanzan el equilibrio (119865 = 119865119904) las gotas viajan con velocidad

constante denominada velocidad liacutemite (119907119889119897) Al resolver la ecuacioacuten cuadraacutetica que nos da el

igualar las ecuaciones 21 y 22 tenemos

119959119941119949 = minus (119939

120784) + (

119939120784

120786minus 119940)

120783120784

120784 120786

En donde

119939 =120786120636

120785119955120633119938minus 120784119959119938 119962 119940 = 119959119938

120784 minus120786120636

120785119955120633119938119959119938 + (120633(119931) +

119924119956119924

120783120782120785)

120790119955

120784120789120633119938

Siendo 120575(119879) la densidad del solvente a temperatura T 119872119904 el peso molar del soluto y M la

molaridad de la solucioacuten (Leoacuten 2014)

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas

Los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas en sus etapas iniciales se

pueden ver en la figura 36 una vez que la partiacutecula se ha condensado de la fase gaseosa puede

inmediatamente re-evaporarse o difundirse sobre la superficie este proceso de difusioacuten puede

conducir a la adsorcioacuten especialmente en sitios como orillas y otros defectos (M Peacuterez 2005)

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Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas delgadas (Fuente M

Peacuterez)

Las energiacuteas de activacioacuten para la adsorcioacuten y difusioacuten dependen de los detalles atoacutemicos del

proceso en particular y la nucleacioacuten de maacutes de una partiacutecula adsorbida puede ocurrir En equilibrio

termodinaacutemico todos los procesos ocurren o proceden en dos direcciones opuestas a la misma

rapidez Por lo tanto en el equilibrio no hay un crecimiento neto de una partiacutecula y por lo tanto el

crecimiento del cristal debe ser un proceso cineacutetico de no equilibrio Desde un enfoque

fenomenoloacutegico existen tres modos diferentes del crecimiento de peliacuteculas como se observa en la

figura 37 (M Peacuterez 2005)

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes isla y (c) por islas

(Fuente M Peacuterez)

El crecimiento de peliacuteculas delgadas es descrito por minimizacioacuten de la energiacutea libre superficial

de la capa superior (120574119904119906119901) del sustrato (120574119904) y de la energiacutea libre de la interfase (120574119894119899119905) el cual

estaacute descrito por Δ120574 = 120574119904 minus 120574119904119906119901 minus 120574119894119899119905 (Leoacuten 2014 Aacutelvaro 2014)

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331 Modo de crecimiento capa por capa (120491120632 gt 120782)

Donde la interaccioacuten entre el sustrato y los aacutetomos de las capas es maacutes fuerte que entre los

mismos aacutetomos de las capas (Leoacuten 2014)

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas

Corresponde a un caso intermedio despueacutes de la formacioacuten de una o de muchas mono-capas

completas ocurre la formacioacuten de islas El crecimiento de islas 3D crece sobre la primera o la

uacuteltima mono capa (Leoacuten 2014 Ramiacuterez 2015)

333 Modo de crecimiento por islas (120491120632 lt 120782)

Es el caso en el que la interaccioacuten entre los aacutetomos que conforman las peliacuteculas es maacutes fuerte

(Leoacuten 2014)

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CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO

Realizar la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas sobre el sustrato requiere una cuidadosa

optimizacioacuten La siacutentesis de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se realizoacute por el meacutetodo de rociado

piroliacutetico con paraacutemetros optimizados como son la molaridad del precursor la temperatura del

sustrato la presioacuten de aire del compresor el flujo de aire y la distancia de la boquilla al sustrato

El objetivo de este trabajo de tesis fue analizar el efecto de la temperatura de recocido en un

rango de 400 minus 500 sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

En este capiacutetulo se detalla el procedimiento que se utilizoacute para la siacutentesis de las peliacuteculas

delgadas La limpieza del sustrato tambieacuten es una parte importante en la fabricacioacuten de las peliacuteculas

delgadas ya que es en donde se realizaraacute el depoacutesito y por lo tanto debe encontrarse libre de

impurezas y grasa

41 Materiales Equipos e Instrumentos

Como sustrato en donde se depositoacute la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se usoacute un vidrio

(Figura 41) con un aacuterea de 762 times 254 1198981198982

Para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol se utilizaron como precursores el Acetato de Zinc

Dihidratado [119885119899(1198621198673119862119874119874)2 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995) el Cloruro de Cobre

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dihidratado [1198621199061198621198972 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995 ) y como solvente etanol absoluto

[C2H5OH] del laboratorio Merck (998)

Para la limpieza de los sustratos se utilizoacute un agitador ultrasoacutenico (figura 42) y un horno

eleacutectrico marca Oster (119879119898aacute119909 = 400 )

Para lograr la uniformidad al momento de mezclar los materiales precursores se utilizoacute un

agitador magneacutetico (Hot Plate Stirring VWR)

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearl (Fuente Elaboracioacuten Propia)

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Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratos (Fuente Elaboracioacuten propia)

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42 Meacutetodo

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos

Para una buena deposicioacuten de la peliacutecula el sustrato a utilizar debe estar libre de impurezas

asegurando una oacuteptima adherencia

El proceso de limpieza de los sustratos empezoacute por la colocacioacuten de eacutestos en un depoacutesito que

conteniacutea agua potable y detergente marca Ariel por un tiempo de 5 minutos (Figura 43) luego se

trasladoacute a otro depoacutesito que conteniacutea aacutecido niacutetrico [1198671198731198743] al 65 durante 15 minutos en seguida

se procedioacute a enjuagarlos con agua ultrapura despueacutes se colocoacute en recipiente que conteniacutea agua

ultrapura y fueron puestos en el agitador ultrasoacutenico por 15 minutos (Figura 44) Pasado este

tiempo se retiraron los sustratos y se colocaron dentro del horno marca Oster por 10 min a 205

(Figura 45)

Figura 43 Sustratos en detergente (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenico (Fuente Elaboracioacuten propia)

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en horno (Fuente Elaboracioacuten propia)

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422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

Preparacioacuten de la solucioacuten precursora

Para la preparacioacuten de la solucioacuten se calculoacute la cantidad en gramos que debemos tener del

precursor en nuestro caso el acetato de zinc di-hidratado Para ello se utilizoacute la siguiente foacutermula

119950(119944) = 119924 times 119917119934 times 119933119952119949(119930119952119949 ) times 119927119958119955119942119963119938 120786 120783

Doacutende

m (g) Masa en gramos del precursor

M Molaridad (molLitro)

FW masa molar (gmol)

Vol (Sol) Volumen de la solucioacuten (Litros)

Pureza Porcentaje de pureza del precursor

La masa molar del acetato de zinc di-hidratado es de 21949 gmol el volumen de etanol que

se preparoacute fue 0020 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120784120783120791 120786120791

119944

119950119952119949) (120782 120782120784120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120786120785120790120789120788

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La masa del precursor fue medida con una balanza analiacutetica marca Mettler Toledo (plusmn01 119898119892)

ver figura 46

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica (Fuente Elaboracioacuten propia)

En un recipiente se mezclaron la masa medida del acetato de zinc di-hidratado y los 20 ml de

etanol que llamaremos mezcla 1

Para lograr uniformidad en la solucioacuten esta fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a una

temperatura de 60 durante 2 h (Figura 47) resultando transparente y homogeacutenea

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Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

La masa molar del cloruro de cobre di-hidratado es de 17048 gmol el volumen que se preparoacute

fue 0010 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120783120789120782 120786120790

119944

119950119952119949) (120782 120782120783120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120783120789120782120785120791

La masa de los precursores fue medida nuevamente con la balanza analiacutetica marca Mettler

Toledo (plusmn01 119898119892)

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En otro recipiente se combinaron la masa medida del cloruro de cobre dihidratado y los 10 ml

de etanol que llamaremos mezcla 2 luego fue colocado en el agitador magneacutetico a temperatura

ambiente durante 15 min

Despueacutes de haber agitado magneacuteticamente cada precursor en otro recipiente se colocoacute 194 ml

de la mezcla 1 y se le agregoacute 06 ml de la mezcla 2 de tal forma que se pueda tenerse una

proporcioacuten 119881119900119897119862119906

119881119900119897119885119899= 3 A esta nueva solucioacuten llamaremos mezcla 3

Para lograr uniformidad la nueva solucioacuten fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a

temperatura ambiente durante 15 min (Figura 48) para lograr su homogeneidad

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Proceso de siacutentesis

Para la obtencioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se utilizoacute el equipo de rociado

piroliacutetico que se encuentra en la seccioacuten de Nanociencia y Nanomateriales del Laboratorio de

Fiacutesica de Materiales ldquoDr Lennart Haselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo ver figura

49

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3

vol (Fuente Elaboracioacuten propia)

Este equipo de rociado piroliacutetico utilizado en la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas consiste de

los siguientes componentes Compresor de aire (1) Controlador de presioacuten en el rango de 0 ndash 80

psi (2) Controlador de flujo de aire en el rango de 1 ndash 15 Lmin (3) Caacutemara de vidrio (4)

Termoacutemetro (5) Nebulizador (6) Boquilla o Tobera (7) Platea caliente (8) Soporte universal (9)

Dispositivo moacutevil con una rapidez de 2311990910minus3 119888119898 119904frasl (10) Fuente de alimentacioacuten DC de 0 ndash 12

V (11) Fuente de alimentacioacuten AC de 0- 40 V (12) y Termocupla y controlador de temperatura en

el rango de 0 minus 500 (13)

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Sobre el nebulizador se colocoacute una tobera de vidrio piacuterex por la que ascienden las gotas maacutes

pequentildeas hasta llegar al sustrato caliente sobre el cual se produjo el proceso de piroacutelisis El

conjunto nebulizador y tobera estaacute acoplado a un dispositivo moacutevil el cual se va desplazando en

la direccioacuten del sustrato con el fin de obtener un recubrimiento uniforme

Las siacutentesis de la peliacutecula se hizo a la temperatura de 300 plusmn 10 La presioacuten del compresor

y el flujo de aire se mantuvieron a 30 119901119904119894(~207 119896119875119886) 119910 5 119871119898119894119899 respectivamente La distancia

boquilla sustrato se mantuvo a 30 cm con el fin de que el flujo nebulizado dirigido hacia la

superficie del sustrato se mantenga laminar El desplazamiento de la tobera-boquilla a lo largo del

sustrato se hizo con una rapidez aproximada de 04 mms con intervalos de 40 plusmn 05 119898119894119899 entre

cada ida y vuelta tiempo necesario para mantener la temperatura estable y mejor cristalizacioacuten del

soacutelido El nuacutemero de capas que consideramos oacuteptimas en este trabajo fue de 6 seguacuten E Noriega

(2015)

Al teacutermino del proceso el sistema compuesto peliacuteculasustrato se dejoacute enfriar lentamente dentro

de la caacutemara hasta la temperatura ambiente por 15 horas con el fin de lograr una buena

cristalizacioacuten

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol

Para el tratamiento teacutermico se dividioacute el sustrato que conteniacutea la peliacutecula en 4 partes usando

una como muestra testigo (300 ) y las tres restantes sometieacutendolas por dos horas de

mantenimiento a las temperaturas de recocido de 400 450 119910 500 El horno donde se hizo el

recocido fue un Horno eleacutectrico Marca Brasimet ver figura 410 con una incertidumbre de plusmn5

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la figura 411 se puede ver un diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas

delgadas de ZnO Cu 3 vol

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Figura 411 Diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten

Para caracterizar las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol se emplearon las teacutecnicas de

difraccioacuten de rayos X (DRX) para determinar el tamantildeo del cristalito y la estructura la

espectrofotometriacutea ultravioleta visible (UV-Vis) para determinar la transmitancia absorbancia y

energiacutea del gap y por el uacuteltimo se utilizoacute el Microscopio de Fuerza Atoacutemica (AFM) para

determinar la morfologiacutea y rugosidad A continuacioacuten se describiraacuten brevemente estas teacutecnicas

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX)

La difraccioacuten de rayos X es una teacutecnica de caracterizacioacuten que sirve para analizar espectros

relacionados con la estructura de los materiales que son la constante de red estructura cristalina

identificacioacuten de materiales orientacioacuten de monocristales y orientaciones preferenciales de

policristales Los rayos X se caracterizan porque su longitud de onda variacutea de 01 minus 100 Å (Rayos

X fluorescencia online) En la figura 412 se puede ver un esquema de difraccioacuten de rayos X

basado en la ley de Bragg

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos x (Fuente Rojas)

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Cuando un haz de rayos X de una longitud de onda especiacutefica del mismo orden de magnitud de

las distancias interatoacutemicas del material llega a este los rayos X se dispersan en todas las

direcciones La mayor parte de la radiacioacuten dispersada por un aacutetomo anula la radiacioacuten dispersada

en otros aacutetomos Los rayos X que llegan a ciertos planos cristalograacuteficos formando aacutengulos

especiacuteficos con ellos se refuerzan en lugar de aniquilarse a este fenoacutemeno se llama difraccioacuten

Los rayos X se difractan o el haz se refuerza cuando las condiciones satisfacen la Ley de Bragg

119852119842119847 120637 =119951120640

120784119941119945119948119949 120786 120783

Donde 120579 es la mitad del aacutengulo que forman el haz difractado y el haz original n es el orden de

difraccioacuten 120582 es la longitud de onda de los rayos X 119889ℎ119896119897 es la distancia interplanar que produce

refuerzo del haz ℎ119896119897 son los iacutendices de Miller (Askeland 1998) La difraccioacuten ocurre siempre y

cuando se satisfaga la ley de Bragg por lo que no necesariamente cualquier direccioacuten arbitraria

produciraacute difraccioacuten

La informacioacuten obtenida se presenta en un graacutefico de intensidad en funcioacuten de 2120579 llamado

patroacuten de difraccioacuten Cada sustancia produce siempre un patroacuten de difraccioacuten caracteriacutestico

independientemente de que si se encuentra en un estado puro o formando parte de una mezcla de

sustancias (Askeland 1998)

Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

fueron obtenidos con el difractoacutemetro RIGAKU Miniflex-600 que opera en la geometriacutea Bragg-

Brentano donde la radiacioacuten 119862119906 119896120572 (120582 = 15406 Aring) fue utilizada como fuente de rayos X El

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equipo operoacute a 30 KV de voltaje y 10 mA de corriente el barrido se realizoacute en un aacutengulo de 2120579

con rango desde 20deg a 70deg con velocidad de escaneo de 5 deg119898119894119899

La identificacioacuten de los picos de difraccioacuten se comparoacute con la base de datos Card info 00-900-

8877 de la Crystallography Open Database mostrado en el anexo A

La distancia interplanar se calculoacute con la ley de Bragg para el primer orden (n=1) de difraccioacuten

de acuerdo a la ecuacioacuten 41 tendriacuteamos

119837 =120640

120784 119852119842119847 120637 120786 120784

En donde 120579 es el aacutengulo de incidencia y 120582 = 15405981 Aring

Paraacutemetros de red

Para identificar la constante de red c de la estructura de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se tomoacute

en cuenta la estructura hexagonal wurtzita cuya distancia interplanar estaacute relacionada con los

iacutendices de Miller de los planos (hkl) y las constantes de red a y c a traveacutes de la ecuacioacuten 43

(Askeland 1998) y con el tamantildeo de cristalito (119863)

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784 120786 120785

A partir de la ecuacioacuten 43 es posible determinar los paraacutemetros de la red cristalina Cuando se

incide sobre un cristal muy pequentildeo del orden de nanoacutemetros se produce un ensanchamiento del

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pico de difraccioacuten esto permite determinar el tamantildeo promedio del cristal (119863) por medio de la

ecuacioacuten de Scherrer (Gurumurugan amp Mangalaraj 1995)

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637 120786 120786

Donde D es el tamantildeo del cristalito K es el factor de forma (K=09 para esferas) 120582 es la longitud

de onda de los rayos X (120582 = 15405981 Aring ) 120573 es el ancho completo de la mitad del maacuteximo y se

encuentra en radianes por lo tanto hay que convertir los valores de (FWHM) que se encuentran en

grados multiplicaacutendolos por 120587 180degfrasl y 120579 es el aacutengulo de Bragg

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectrometriacutea UV-Vis se basa en la absorcioacuten de radiacioacuten UV o visible por parte de las

moleacuteculas y se emplea para analizar muestras en fase liacutequida o soacutelida La espectrometriacutea de

absorcioacuten implica la medida de la fraccioacuten de la luz de una longitud de onda que pasa a traveacutes de

una muestra la figura 413 muestra la geometriacutea del equipo la muestra no emite luz por siacute misma

por lo que se debe incluir una fuente de radiacioacuten El paso de la luz a traveacutes de un monocromador

o un filtro selecciona la longitud de onda para el anaacutelisis (Hernaacutendez 2014)

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Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vis (Fuente Hernaacutendez)

Durante el anaacutelisis de la muestra se hacen dos mediciones en la primera se mide la cantidad de

luz en funcioacuten de la longitud de onda que llega al transductor cuando se ha colocado un blanco

(vidrio) Se denomina 1198680 del blanco cuando la concentracioacuten del material analizado es cero

La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras (vidrio + peliacutecula) con la

medida del blanco (vidrio) Llamamos 119868 a la intensidad que se mide con las muestras o con el

estaacutendar La comparacioacuten que se hace implica la relacioacuten 1198681198680 con ambas intensidades medidas

en las mismas condiciones del instrumento (longitud de onda geometriacutea) Se utilizan tres teacuterminos

diferentes para expresar esta relacioacuten

El primero es simplemente la relacioacuten 1198681198680 y se denomina Transmitancia que es denotada por

la letra T

119931 =119920

119920120782 120786 120785

El segundo es el porcentaje de transmitancia

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119931 = 119931 lowast 120783120782120782 120786 120786

El tercero es el logaritmo negativo de T que se denomina Absorbancia y se denota con la letra

A

119912 = minus 119845119848119840119920

119920120782= minus 119845119848119840 119931 120786 120787

Para la determinacioacuten del ancho de banda de energiacutea prohibida la energiacutea del gap (119864119892) es

determinada del espectro experimental del coeficiente de absorcioacuten (120572) como una funcioacuten de la

energiacutea del fotoacuten (ℎ120592)

En los materiales de gap directo como el ZnO se utiliza la siguiente ecuacioacuten

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ

es la constante de Planck 120584 es la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

En una graacutefica (120572ℎ120584)2 119907119904 ℎ120584 el ajuste a una recta de la parte proacutexima a 120572 = 0 el intercepto

para la ordenada nula es el valor de la energiacutea prohibida Esta recta tiene una expresioacuten de la forma

119910 = 119898119909 + 119887 lo que se tiene que buscar es el valor de 119909 para 119910 = 0 esto es 119909 = minus119887119898

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La conversioacuten de la energiacutea del fotoacuten en funcioacuten de la longitud de onda se realiza mediante la

constante de Planck(ℎ) y la de la velocidad de la luz (119888) La frecuencia del fotoacuten se relaciona con

la longitud de onda a traveacutes de la siguiente ecuacioacuten

119940 = 120642120640 120786 120789

Entonces la energiacutea del fotoacuten se puede escribir en funcioacuten de la longitud de onda como

119916 =119945119940

120640 120786 120790

Por lo tanto la energiacutea del fotoacuten puede calcularse como 12398

120582(119899119898) Aplicando al caso del ZnO se

adquieren los valores de la longitud de onda y la transmitancia del vidrio y la medida se divide la

transmitancia medida entre la del vidrio para obtener la transmitancia de la peliacutecula Se transforma

la transmitancia en coeficiente de absorcioacuten y la longitud de onda en energiacutea (H Bubert amp Jenett

2002)

Los anaacutelisis de absorbancia y transmitancia para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con

tratamiento de recocido se realizaron con el espectroacutemetro UV-Vis marca Analytik Jena Modelo

Specord Plus 250 y con un barrido de longitud de onda de 300 nm a 800 nm

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443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)

Este meacutetodo inventado en 1985 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer pertenece al grupo de

teacutecnicas de microscopiacutea de fuerza de barrido un grupo de teacutecnicas que estaacuten basadas en la

medicioacuten de diferentes fuerzas como son la fuerza atractiva la gravitatoria la repulsiva la

magneacutetica la de Van Der Walls y la electrostaacutetica esta medicioacuten es hecha entre la punta fina y la

superficie de la muestra

La formacioacuten de la imagen se lleva a cabo mediante la medicioacuten de la fuerza de interaccioacuten a

traveacutes de la deflexioacuten de un cantileacutever Aunque diversos tipos de fuerzas se encuentran cuando una

punta se aproxima a la superficie de la muestra la generacioacuten de la sentildeal en el AFM se basa

esencialmente en fuerzas repulsivas interatoacutemicas que son de naturaleza de corto alcance

En el caso ideal se puede asumir ver figura 414 lo que significa que el contacto directo de la

punta con la superficie se la muestra se limita a un aacuterea muy pequentildea Como resultado de esto

siempre hay una fuerza repulsiva interatoacutemica en esta pequentildea aacuterea de contacto debido a la

penetracioacuten de las capas electroacutenicas de los aacutetomos de la punta y los de la superficie de la muestra

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Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del sustrato (Fuente Rojas)

La fuerza repulsiva interatoacutemica estaacute influenciada por la densidad total de electrones alrededor

de un aacutetomo y no soacutelo por los estados particulares de la energiacutea La interaccioacuten entre la punta y la

muestra puede ser descrita por una graacutefica fuerza vs distancia esta graacutefica mostrada en la figura

415 permite ver los cambios de fuerza cuando la punta se acerca a la muestra si hay una gran

separacioacuten no hay interaccioacuten por lo tanto la fuerza seriacutea cero (en la liacutenea entre 1 y 2 no habriacutea

fuerzas electrostaacuteticas) En la posicioacuten 2 la punta pasa a estar en contacto debido a la fuerza

atractiva de Van Der Walls como la punta se mueve hacia la muestra entonces la fuerza total que

actuacutea sobre el cantileacutever es repulsiva Cuando la punta es arrastrada sobre la muestra las fuerzas

se reducen a lo largo de la liacutenea pasando de la posicioacuten 3 a la posicioacuten 4

Por debajo de la liacutenea de fuerza del diagrama dicha fuerza que actuacutea sobre el cantileacutever se

vuelve atractiva debido a la adhesioacuten En el punto 4 la fuerza es de adhesioacuten y la carga del

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cantileacutever apenas estaacute equilibrada la punta es tirada hacia afuera de la superficie debido a las

fuerzas de repulsioacuten

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta con la superficie del

sustrato (Fuente Rojas)

Modos de trabajo de un microscopio de fuerza atoacutemica

El AFM puede funcionar en distintos arreglos o modos experimentales estos modos se dividen

baacutesicamente en dos grupos modos de contacto continuo y modos dinaacutemicos Los modos de

contacto continuo fueron los primeros utilizados en los antildeos tempranos del AFM y su uso apenas

insinuaba la resolucioacuten nanomeacutetrica de la que el instrumento era capaz El meacutetodo dinaacutemico de

maacutes uso es el meacutetodo de contacto intermitente o tapping mode (Loacutepez y Solares 2014)

Modo contacto

El modo contacto es el disentildeo experimental maacutes simple en este modo la punta de la sonda se

encuentra en contacto perpetuo con la muestra por lo que tambieacuten es llamado modo estaacutetico La

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figura 416 muestra el funcionamiento del AFM en modo contacto Durante la toma de imaacutegenes

en modo contacto la variable control es la deflexioacuten de la micropalanca (anaacutelogo a la compresioacuten

o estiramiento de un resorte) La variable control es mantenida constante por medio de un circuito

de retroalimentacioacuten (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemica (Fuente Loacutepez y Solares)

El escaacutener sobre el que descansa la muestra se encarga de moverla con respecto a la

micropalanca en direccioacuten ldquoxyrdquo para realizar distintas liacuteneas de escaneo La micropalanca al

interactuar con la muestra sufre una deflexioacuten proporcional a la fuerza de interaccioacuten con la

superficie obedeciendo a la ley de Hooke (ecuacioacuten 49) En este circuito la sentildeal de deflexioacuten es

leiacuteda en el fotodetector y transmitida a la caja electroacutenica donde se compara el valor actual con el

punto de ajuste (setpoint) De acuerdo a esa diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal de salida

al escaacutener para ajustar la posicioacuten en el eje ldquozrdquo de la muestra si fuera necesario para mantener la

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variable control constante Como consecuencia de las exploraciones en ejes ldquoxyrdquo asiacute como los

cambios en ldquozrdquo se genera una imagen topograacutefica de la superficie de la muestra estudiada (Loacutepez

y Solares 2014)

= 119948119963∆119937 120786 120791

Donde

Fuerza arbitraria de magnitud F

∆119937 Compresioacuten del resorte

119948119963 Constante elaacutestica

Modo contacto intermitente

Eacuteste meacutetodo es comuacutenmente conocido como ldquotapping moderdquo en ingleacutes es el meacutetodo maacutes baacutesico

de los meacutetodos dinaacutemicos ademaacutes es el meacutetodo maacutes frecuente utilizado en AFM En este meacutetodo

la micropalanca se hace vibrar con amplitudes en el rango nanomeacutetrico (aproximadamente entre 5

y 200 nm) razoacuten por la que se le conoce como una teacutecnica de amplitudes ldquograndesrdquo El teacutermino

ldquograndesrdquo es relativo cuando se compra a otras teacutecnicas dinaacutemicas en la que la micropalanca puede

vibrar en el rango de los angstroms como en el caso de modulacioacuten de frecuencia en alto vaciacuteo

(Gross et al 2009)

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El AFM de contacto intermitente funciona con un circuito que controla la amplitud y se encarga

de mantenerla a un valor preestablecido (setpoint) En el circuito de modulacioacuten de amplitud ver

figura 417 la amplitud es calculada internamente con los valores de pendiente de la micropalanca

que lee el fotodetector Luego esa amplitud se compara con el valor preestablecido de amplitud y

si existe una diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal al escaacutener este se encarga de hacer la

correccioacuten en el eje ldquozrdquo para poder alcanzar el valor preestablecido y de esta forma mantener la

variable control (amplitud) constante Al igual que el meacutetodo de contacto las exploraciones en

ejes ldquoxyrdquo asiacute como los cambios en el eje ldquozrdquo generan una imagen topograacutefica de la superficie

estudiada (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitente (Fuente Loacutepez y Solares)

Los cambios topograacuteficos generan cambios en la amplitud de oscilacioacuten Por ejemplo si la

micropalanca se encuentra con una protuberancia la amplitud de la punta se veraacute reducida

temporalmente luego para compensar por esa peacuterdida de amplitud el escaacutener recibiraacute a traveacutes del

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circuito la sentildeal para mover la muestra hacia abajo con el objetivo de mantener la amplitud

preestablecida (setpoint) Es importante mencionar que en este modo se escoge una amplitud en el

experimento correspondiente a una fraccioacuten de la amplitud libre ver figura 417) Tanto la

amplitud libre de la punta como la fraccioacuten de la amplitud libre se escogen durante el experimento

la eleccioacuten de estos paraacutemetros antildeade complejidad si lo comparamos con el modo contacto donde

el usuario uacutenicamente se preocupa de una variable que es la deflexioacuten de la micropalanca (Loacutepez

y Solares 2014) Es por ello que en general el aumento del grado de sofisticacioacuten del meacutetodo en

AFM permite la recopilacioacuten de mayor informacioacuten pero al mismo tiempo requiere de mayor

juicio conocimiento y experiencia del usuario

Existen ecuaciones que sirven para determinar los distintos paraacutemetros de rugosidad de las

muestras a analizar de las cuales soacutelo se usaron dos en este trabajo de tesis que son

Desviacioacuten Promedio

119929119938 =120783

119951 sum|119962119946|

119951

120783

120786 120783120782

Desviacioacuten Estaacutendar

119929119954 = radic120783

119951 sum 119962119946

120784

119951

120783

120786 120783120783

Donde

119962119946 Distancia vertical desde la liacutenea principal hasta el i-eacutesimo punto de dato

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119951 Orden de los perfiles de rugosidad

119929119938 Desviacioacuten Promedio (Rugosidad Media)

119929119954 Desviacioacuten Estaacutendar (Rugosidad Cuadraacutetica Media)

Los anaacutelisis de rugosidad de las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

se realizaron con el equipo de Microscopiacutea de fuerza atoacutemica marca Bruker y modelo Dimension

Edge V-T 102

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CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

51 Difraccioacuten de Rayos X

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano

En la figura 51 se observan los picos de difraccioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

sintetizada a 300 y de las recocidas a las temperaturas de 400 450 119910 500 respectivamente

Los picos de difraccioacuten teoacutericos se encuentran en el anexo A Todas las muestras presentan

naturaleza policristalina y estructura hexagonal wurtzita con una clara orientacioacuten preferencial en

el plano (002) no se presentaron picos caracteriacutesticos del cobre debido al bajo porcentaje de

dopaje La intensidad del pico del plano (002) en las peliacuteculas sometidas a temperaturas de

recocido son mayores en comparacioacuten a la de la peliacutecula sin recocido presentando el mayor pico

a 450 mientras que el plano (100) aparece uacutenicamente en la peliacutecula recocida a 400 S

observoacute una disminucioacuten del tamantildeo del cristalito con la primera temperatura de recocido de alliacute

en adelante fue aumentando en cambio el paraacutemetro de red c fue disminuyendo con la temperatura

de recocido Todo esto puede ser quizaacutes a la sustitucioacuten de iones de cobre en los sitios del zinc

ingreso de iones de cobre a los intersticios (ya que el radio ioacutenico del zinc es casi del mismo tamantildeo

que el del cobre) o vacancias de iones de zinc u oxiacutegeno produciendo una deformacioacuten en la red

seguacuten Filali Torchynska Diacuteaz amp Morales (2015) Si iones Cu1 sustituyen a iones Zn2 en la

estructura cristalina existe un incremento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como

se observa en las peliacuteculas recocidas a 450 119910 500 pero si es el ion Cu2 el que sustituye a iones

Zn2 se observa un decrecimiento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como sucede en

las peliacuteculas de 300 400 119910 450

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Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con recocido (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la tabla 1 se muestran los valores calculados para el aacutengulo de Bragg del plano (002) la

distancia interplanar el paraacutemetro c el ancho completo de la mitad del maacuteximo y el tamantildeo del

cristalito

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Tabla 1

Tabla de valores para las propiedades estructurales

Datos obtenidos mediante DRX y caacutelculos (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra

120784120637(deg)

119941119945119948119949(Aring)

119836 (Aring)

FWHM 119811 (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3441 2604 5208 03221 2582

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 3448 2599 5198 04430 1878

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 3463 2588 5176 03161 2633

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 3458 2592 5184 02847 2923

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En la figura 52 se observa la relacioacuten entre el tamantildeo del cristalito y la temperatura de recocido

el recocido a 400 no fue suficiente para lograr aumentar el tamantildeo del cristalito es por eso que

disminuye considerablemente a partir de alliacute aumenta a medida que lo hace la temperatura

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica

521 Morfologiacutea y rugosidad

La figura 53 a-d muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas tomadas en AFM en dos

dimensiones barridas en un aacuterea de 5120583119898 119909 5120583119898 La superficie de las peliacuteculas no son homogeacuteneas

son rugosas con tamantildeo de grano variable Para a) se observa que el crecimiento del grano se dio

en forma de montantildeas en b) el crecimiento del grano cambioacute draacutesticamente y se dio en forma de

espiral esto puede ser debido al reordenamiento de los aacutetomos que se dio al someter la peliacutecula a

la temperatura de recocido para c) mejoroacute la cristalinidad y la forma de crecimiento fue

nuevamente como montantildea esto concuerda con el aumento del valor del tamantildeo del cristalito y

para d) la cristalinidad volvioacute a mejorar en concordancia con el tamantildeo del cristalito que aumento

un poco maacutes Esto es debido a que el incremento del tamantildeo del cristalito causa un aumento en la

rugosidad seguacuten Saidani et al (2006)

Para cada peliacutecula se hicieron tres mediciones en diferentes zonas para determinar los

paraacutemetros de rugosidad siendo sus valores promedio Rugosidad Promedio (119877119886) 000611 120583119898 y

la Rugosidad Cuadraacutetica Media (119877119902) 0007843 120583119898 que son mostrados en la tabla 2

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Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 ordmC c) rec a 450 ordmC

y d) rec a 500 ordmC (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la figura 54 a b c y d se muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas ahora en tres

dimensiones en estas imaacutegenes se observa mucho mejor el cambio de la cristalinidad y la

morfologiacutea para cada peliacutecula la rugosidad (Ra) aumenta en funcioacuten de la temperatura de recocido

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 c) rec a 450 y

d) rec a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

En la tabla 2 se han registrado los valores de la rugosidad media (Ra) y la rugosidad cuadraacutetica

media (Rq) para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

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Tabla 2

Tabla de valores de las rugosidades

Datos obtenidos mediante el software del equipo de afm (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra 119929119954 (120641119950) 119929119938 (120641119950)

ZnOCu 3 vol sin recocido 0007843 0006110

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 0006960 0005336

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 0011033 0008840

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 0011933 00095733

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En la figura 55 se observa la rugosidad media (Ra) en funcioacuten de la temperatura de recocido

con lo cual se puede confirmar que a medida que aumenta la temperatura de recocido aumenta la

rugosidad de la peliacutecula a partir de 400

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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53 Espectrometriacutea UV-Vis

531 Transmitancia

En la figura 56 se observan los espectros de transmitancia oacuteptica de las peliacuteculas delgadas de

ZnOCu 3 vol sintetizadas por el meacutetodo de rociado piroliacutetico a 300 ordmC y las sometidas a

temperaturas de recocido de 400 ordmC 450 ordmC y 500 ordmC obtenidas por espectrofotometriacutea UV-Vis

en el rango de longitudes de onda de 300 a 750 nm

Las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin recocido y con recocido presentan alta

transmitancia (gt80) esto se debe al dopaje con cobre seguacuten Bunyod Allabergenov et al (1946)

La muestra recocida a 500 ordmC presenta la mayor transmitancia (gt80) en el rango de 500 a 600

nm

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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532 Absorbancia y energiacutea del gap

En la figura 57 se puede ver el espectro de absorbancia para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol

sin y con recocido

El pico de absorbancia para todas las peliacuteculas se tiene aproximadamente en 375 nm luego

decae hasta hacerse casi nula para todas las peliacuteculas esto se debe al dopaje con cobre seguacuten

Bunyod Allabergenov (1946)

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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Se utilizoacute el modelo de Tauc para calcular la energiacutea del gap en cada peliacutecula El dopaje con

cobre disminuyoacute la energiacutea del gap a 3256 eV comparaacutendola con el valor teoacuterico (337 eV)

mientras que al someter las peliacuteculas a temperaturas de recocido se observa que el valor de la

energiacutea del gap cambia ligeramente siendo 3256 3263 y 3257 eV para las peliacuteculas recocidas a

400 450 119910 500 respectivamente a diferencia de lo reportado por Mathew (2015) esto se deba

quizaacutes a que la cantidad de cobre no fue la suficiente para lograr la disminucioacuten de la energiacutea del

gap

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para la peliacutecula recocida a

400 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y derecha para la peliacutecula

recocida a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la tabla 3 se han registrado los valores de la energiacutea del gap para las muestras sin y con

recocido de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol

Tabla 3

Tabla de valores de la Energiacutea del Gap

Datos obtenidos usando la relacioacuten de Tauc (Fuente Elaboracioacuten Propia)

Muestra Energiacutea del Gap (eV)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 400 deg119914 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 450 deg119914 3263

ZnOCu 3 vol recocido a 500 deg119914 3257

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CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES

bull Utilizando la teacutecnica de rociado piroliacutetico se obtuvo la peliacutecula delgada de ZnOCu

3 vol siendo la temperatura de siacutentesis de 300ordmC sobre un sustrato de vidrio marca

Pearl

bull Los patrones de difraccioacuten de rayos X nos ayudaron a determinar los picos de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol obtenieacutendose como resultado

un crecimiento preferencial en la direccioacuten del plano (002) siendo la muestra recocida

a 450 ordmC la que presentoacute el pico maacutes elevado Esto es caracteriacutestico de la estructura

hexagonal wurtzita

bull El tamantildeo del cristalito aumenta a medida con la temperatura de recocido a partir de

400 ordmC

bull El paraacutemetro c disminuye a medida que aumenta la temperatura de recocido

bull Las imaacutegenes obtenidas por AFM muestran que la rugosidad media (Ra) de las

peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol aumentaron a medida que aumenta la

temperatura de recocido a partir de 400 ordmC

bull La espectrofotometriacutea UV-Vis revela que todas las muestras de ZnOCu 3 vol

presentan alta transmitancia (gt80) a partir de 400 nm hasta los 750 nm siendo la

muestra recocida a 500ordmC la que presenta mayor transmitancia (gt90) en el rango de

500 a 600 nm

bull La absorbancia a partir de 400 nm es casi nula en todas las muestras

bull La energiacutea del gap se mantiene casi constante con la temperatura de recocido

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CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS

bull Se sugiere incrementar el nuacutemero de capas de la peliacutecula delgada ya que se si bien es

cierto que si se pudieron observar los patrones de difraccioacuten estos presentan ruido en

su graacutefica y se cree que esto puedo mejorar haciendo maacutes gruesa la peliacutecula

bull Se sugiere incrementar el rango de temperaturas de recocidos para poder obtener maacutes

detalles acerca de la influencia de eacutesta temperatura en las propiedades que se quieran

analizar de las peliacuteculas delgadas

bull Se sugiere realizar el dopaje con otros porcentajes de cobre para obtener maacutes

informacioacuten acerca de la influencia de esto en las propiedades a estudiar

bull Se sugiere calcular los esfuerzos por deformacioacuten

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AS

71

REFERENCIAS

Acosta D R y Magantildea C R (2012) Oacutexidos conductores transparentes (119885119899119874 minus 1198781198991198742) Para

Remediacioacuten Ambiental Por Procesos Fotocataliacuteticos Muestra de proyectos ambientales

de tu ciudad Instituto de Fiacutesica de la Universidad Nacional Autoacutenoma de Meacutexico

Meacutexico DF

Alamri S N y Brinkman W A (2000) The effect of the transparent conductive oxide on the

performance of thin film CdSCdTe Solar cells J Phys D Appl Phys 33(1)

Aacutelvaro A D (2014) Estudio de Peliacuteculas Delgadas de 1198821198743 depositadas por la teacutecnica de

Sputtering Reactivo (tesis de pregrado) Cimav Chihuahua Meacutexico

American Society For Testing Materials Copper and Copper Alloys Annual Book of ASTM

Standards Vol21 (2) (ASTM International West Conshohocken PA) Revisado

anualmente

Askeland D (1998)Ciencia e Ingenieriacutea de los MaterialesUsa Thomson

Bedia F Z Bedia A N Maloufi N Aillerie M Gent F y Benyoucef B (2014) Effect

of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray

pyrolysis technique Journal of Alloys and Compounds 616 312ndash318

Benharrats F Zitouni K Kadri A y Gil B (2010) Determination of piezoelectric and

spontaneous polarization fields in CdxZn1ndashxOZnO quantum wells grown along the polar

(0001) direction Superlattices and Microstructures 47 592ndash596

Bubert H y Jenett H (2002) Surface and Thin Films Analysis Alemania Wiley

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

72

Bunyod A Oybek T Amir I A Jeong S W y Sungjin K (1946) Study of optical

properties in cu-doped zno thin films fabricated by dc magnetron sputtering Kumoh

National Institute of Technology (KIT) Metallkunde 37 40-4

Caglar Y Aksoy S Ilican S y Caglar M (2009) Crystalline structure and morphological

properties of undoped and Sn doped ZnO thin films Superlattices and Microstructures

46 469-475

Crystallography Open Database (2018) Recuperado de

httpwwwcrystallographynetcod1011258html

Deinert J (2016) Zinc Oxide Surfaces and Interfaces Electronic Structure and Dynamics of

Excited States (tesis postdoctoral) Department of Physics Technische Universitaumlt

Berlin Berlin Alemania

Filali B E Torchynska T V Diacuteaz C A y Morales R M (2015) Structural and raman

scattering studies of ZnO Cu nanocrystals grown by spray pyrolysis Revista Mexicana

de Ingenieriacutea Quiacutemica 14(3) 781-788

Gross L Mohn F Liljeroth P Repp J Giessibl FG y Meyer G (2009) Measuring the

charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy Science 324(5933)

1428-1431

Gurumurugan y Mangalaraj (1995) Structural Characterization of zinc oxide thin films

deposited by sol-gel Journal of Crystal Growth 147 335-360

Hafdallah A Herissi I Chergui N Kebaili Z Aida M y Attaf N (2018) Structural and

optical properties of ZnO thin films deposited by pyrolysis spray method effect of Al

doping Nanotechnology Letters

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BIBLI

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

73

Hernaacutendez S S (2014) Preparacioacuten y Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de ZnO y

ZnOAl por la teacutecnica de Rociacuteo Piroliacutetico Para su Aplicacioacuten en Celdas Solares (tesis de

maestriacutea) Instituto Politeacutecnico Nacional Altamira Meacutexico

Hirata G A McKittrick J Siqueiros J Loacutepez O A Cheeks T Contreras O y Yi J Y

(1996) High transmittance-low resistivity ZnOGa films by laser ablation Journal of

Vacuum Science amp Technology A Vacuum surfaces and films 14(3) 791-794

Jeong S H Park B N Yoo D G y Boo J H (2007) Al-ZnO thin films as transparent

conductive oxides synthesis characterization and application tests Journal of the

Korean Physical Society 50(3) 622-625

Jijoy P M Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties of

Transition Metal Doped ZnO Thin Films IOP Conf Series Materials Science and

Engineering 731-5 doi 1010881757-899X

Kane J Schweizer H P y Kern W (1976) Chemical Vapor Deposition of Antimony-Doped

Tin Oxide Films Formed from Dibutyl Tin Diacetate Journal of the Electrochemical

Society 126(2) 270-277

Koumllble Ch Greiner D Klaer J Klenk R Meeder A y Ruske F (2009) DC reactive

sputtering of aluminum doped zinc oxide films for solar modules controlled by target

voltage Thin Solid Films 520 1913-1917

Leoacuten L H (2014) Efecto de la temperatura de recocido en la resistividad eleacutectrica de las

peliacuteculas de SnO2 sintetizadas por rociado piroliacutetico (tesis de pregrado) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

74

Liu H Avrutin V Izyumskaya N Oumlzguumlr Uuml y Morkoccedil H (2010) Transparent conducting

oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices Superlattices

and Microstructures 48 458ndash484

Loacutepez W Castro P Molina J y Arbey J (2011) Estabilidad y estructura electroacutenica del

ZnO Revista Colombiana de Fiacutesica 43 (I)

Loacutepez G Morales R Olea O Saacutenchez V Trujillo J Varela V y Vilchis A (2013)

Nanoestructuras metaacutelicas Siacutentesis caracterizacioacuten y aplicaciones Meacutexico DF

Meacutexico Reverteacute

Loacutepez E A y Solares S D (2014) El microscopio de fuerza atoacutemica meacutetodos y aplicaciones

Revista 28 de la Universidad del Valle de Guatemala 14-23

Mathew J P Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties

of Transition Metal Doped ZnO Thin Films Mat Sci and Eng 73 1-5

Minami T (2008) Present status of transparent conducting oxide thin-film development for

Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes Thin Solid Films 516 5822-5828

Mizuhashi M (1980) Electrical properties of vacuum-deposited indium oxide and indium tin

oxide films Thin Solid Films 70(1) 91-100

Mooney J B amp Rading S B (1982) Spray Pyrolysis Processing Annual Reviews of

Materials Science 12 81-101

Noriega D E (2015) Efecto de la temperatura del sustrato en los esfuerzos residuales de las

peliacuteculas de ZnO sintetizadas por Rociado Piroliacutetico (tesis de Maestriacutea) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

Pan C A y Ma T P (1980) High-quality transparent conductive indium oxide films

prepared by thermal evaporation Applied Physics Letter 37(2) 163

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ICAS

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AS

75

Peacuterez M L (2005) Fabricacioacuten y Caracterizacioacuten Oacuteptica Estructural y Eleacutectrica de Peliacuteculas

Delgadas Transparentes de Oacutexidos de Estantildeo Circonio y Zinc (tesis de doctorado)

Instituto Politeacutecnico Nacional Meacutexico DF Meacutexico

Rahmani M B Keshmiri S H Shafiei M Latham K Wloarski W Plessis J du y

Kalantar-Zadeh K (2009) Transition from n- to p- Type of Spray Pyrolysis Deposited

Cu Doped ZnO Thin Films for NO2 Sensing ASP 7 1-8

Ramiacuterez C M (2015) Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de 119885119899119874 1198661198863+ Obtenidas Por La

Teacutecnica de Sol-Gel (tesis de pregrado) Universidad Tecnoloacutegica de la Mixteca

OaxacaMeacutexico

Rojas F S (2013) Influencia de la temperatura de recocido de las peliacuteculas de ZnO

compuestas con nanopartiacuteculas de Au sobre el crecimiento de Nanorods (tesis de

pregrado) Universidad Nacional de Trujillo Trujillo La Libertad Peruacute

Rozati S M (2008) Effect of film thickness on the physical properties of ZnOAl thin films

deposited using a spray pyrolysis technique Canadian J Phys 86 379ndash382

Ruumlcker N y Becker K J (1978) Life stability of transparent semiconducting oxide films

deposited onto cold substrates Thin Solids Films 53(2) 163-167

Sahay PP y Nath RK (2008) Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG)

sensors Sensors and ActuatorsB(133) 222ndash227

Saidani T Zaabat M Aida M S Benoboud A Benzitouni S y Boudine A (2014)

Influence of annealing temperature on the structural morphological and optical properties

of Cu doped ZnO thin films deposited by the sol-gel method Superlattices and

Microstructures 75 47-53

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AS

76

Ghandi S K Field R J y Shealy J R (1980) Highly oriented zinc oxide films grown by the

oxidation of diethylzinc Applied Physics Letters 37(5) 449

Waal H y Simons F (1981) Tin oxide coatings Physical properties and applications Thin

Solid Films 77 253-258

Wang L Zhang X Zhao S Zhou G Zhou Y y Qi J (2005) Synthesis of well-aligned

ZnO nanowires by simple physical vapor deposition on c-oriented ZnO thin films without

catalyst or additives App Phy Lett 86(2)

Wolgamott J C (2017) Analysis of Zinc Oxide Thin Films Synthesized by Sol-Gel via Spin

Coating (tesis de maestriacutea) The University of Wisconsin-Milwaukee USA

Yan Y Al-Jassim M M y Wei S (2006) Doping of ZnO by group-IB element Applied

Physics Letters 89

Zhon L W (2004) Nanostructures of Zinc Oxide Materials today 7 26-33

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ANEXOS

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ANEXO A

Valores Teoacutericos Del Zno

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnO (Fuente En liacutenea)

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ANEXO B

Caacutelculo de la distancia interplanar

La distancia interplanar fue calculada a partir de la Ley de Bragg

119941 =120640

120784 119852119842119847 120637

Doacutende d es la distancia interplanar 120582 es la longitud de onda de rayos X (15405981 A) y 120579 es

el aacutengulo de Bragg

Se tomoacute como plano de referencia el (002)

Para la muestra sin tratamiento de recocido el aacutengulo fue 2120579 = 3441deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120782120787deg

119941 = 120784 120788120782120786 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3448deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120786deg

119941 = 120784 120787120791120791 119808

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80

Para la muestra recocida a 450deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3463deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120785120783120787deg

119941 = 120784 120787120790120790 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3458deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120791deg

119941 = 120784 120787120791120784 119808

Caacutelculo del paraacutemetro c

El paraacutemetro de red C fue calculado para cada muestra con la foacutermula

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784

Doacutende h=k=0 y l=2 reemplazando estos datos tenemos

119940 = 119949 119941119945119948119949

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Para la muestra sin tratamiento de recocido

119940 = (120784)120784 120788120782120786 119808

119940 = 120787 120784120782120790 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120791 119808

119940 = 120787 120783120791120790 119808

Para la muestra recocida a 450deg119862

119940 = (120784)120784 120787120790120790 119808

119940 = 120787 120783120789120788 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120784 119808

119940 = 120787 120783120790120786 119808

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Caacutelculo del tamantildeo de grano

Para calcular el tamantildeo del cristalito se utilizoacute la ecuacioacuten de Debye-Scherrer

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637

Doacutende K es la constante que es 09 para partiacuteculas esfeacutericas 120582 es la longitud de onda de los

rayos X (15405981 A) 120573 es la mitad del ancho del maacuteximo (FWHM) pico que para nuestro caso

fue el que correspondiacutea al plano (002) y estaacute dado en radianes y 120579 es el aacutengulo de Bragg

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120788120784120783) 119836119848119852 120783120789 120784120782120787deg119808

119915 = 120784120787 120790120784 119951119950

Para la muestra recocida a 400deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120789120789120785120783) 119836119848119852 120783120789 120784120786deg119808

119915 = 120783120790 120789120790 119951119950

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Para la muestra recocida a 450deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120787120783120789) 119836119848119852 120783120789 120785120783120787deg119808

119915 = 120784120788 120785120785 119951119950

Para la muestra recocida a 500deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120786120791120788120789) 119836119848119852 120783120789 120784120791deg119808

119915 = 120784120791 120784120785 119951119950

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84

ANEXO C

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada

Se realizoacute una pequentildea incisioacuten en la peliacutecula con una navaja de tal forma que la peliacutecula pueda

ser desprendida pero que no produzca rayaduras en el sustrato y utilizando el Meacutetodo Section del

Software NanoScope Analysis version 140 se calculoacute la distancia vertical y horizontal en tres

regiones para obtener un promedio con lo cual seriacutea el espesor aproximado de la peliacutecula

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b) Imagen 3D del escaloacuten

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85

Tabla 4

Tabla de datos de las alturas horizontales y verticales

Datos obtenidos para calcular el espesor de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 (Elaboracioacuten Propia)

Calculando el promedio de las distancias verticales

(189441 + 184037 + 170941)119899119898 = 544419 119899119898

544419119899119898

3= 181473 119899119898

El grosor de la peliacutecula fue 181 473 nm

Este proceso se realizoacute para todas las muestras en la tabla 5 se muestran los valores

correspondientes cada peliacutecula

Tabla 5

Tabla de valores del espesor de cada peliacutecula

Muestra Espesor (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 181473

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 179596

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 181210

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 183498

Datos calculados para el espesor de cada peliacutecula (Fuente Elaboracioacuten propia)

N Distancia Horizontal Distancia Vertical

1 3249 (microm) 189441 (nm)

2 3679 (microm) 184037 (nm)

3 3914 (microm) 170941 (nm)

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86

ANEXO D

Caacutelculo de los valores de Rugosidad

Se calculoacute el promedio de la rugosidad media y la rugosidad cuadraacutetica media para cada

peliacutecula El aacuterea de anaacutelisis en todas las muestras fue 3um x 1um y los valores fueron obtenidos

por el sensor de altura en el software de AFM Dimension Edge VT-112

Muestra Sin Rec

Figura D 1 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra sin rec

Tabla 6

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rec

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000751 000589

ZONA 2 000849 000646

ZONA 3 000753 000598

PROMEDIO 000784 000611

Datos para el promedio de la rugosidad de ZnOCu 3 vol Sin Rec (Elaboracioacuten Propia)

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87

Muestra Rec a 120786120782120782

Figura D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 400 ordmC

Tabla 7

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

Muestra Rec a 120786120787120782

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000634 000506

ZONA 2 000769 000590

ZONA 3 000685 000505

PROMEDIO 000696 000534

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88

Figura D3 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 450 ordmC

Tabla 8

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00112 000903

ZONA 2 00110 000872

ZONA 3 00109 000877

PROMEDIO 00110 000884

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89

Muestra Rec a 120787120782120782

Figura D4 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 500 ordmC

Tabla 9

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec 500 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00119 000956

ZONA 2 00120 000969

ZONA 3 00119 000947

PROMEDIO 00119 000957

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90

ANEXO E

Caacutelculo de la energiacutea del gap

Se utilizoacute la foacutermula 46

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material que es igual a la absorbancia dividida por

el espesor de la peliacutecula 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ es la constante de Planck 120584 es

la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

Haciendo los caacutelculos respectivos en Excel obtuvimos los valores de ℎ120584 y (120572ℎ120584)2

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauc

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AS

91

Luego graficamos esto usando Origin 8 y trazando la recta hasta el intercepto con el eje x

obtuvimos el valor de la energiacutea del gap Esto se hizo para todas las peliacuteculas

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas las peliacuteculas

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AS

Page 5: FÍSICAS INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO …

v

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a Dios por sobre todas las cosas porque gracias a Eacutel pude completar este

desafiacuteo a mi familia por estar a mi lado en todos estos momentos

A mi asesor y amigo el Lic Wilder M Aguilar Castro Jefe del Laboratorio de Fiacutesica de

Materiales ldquoLennart Hasselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo por las mediciones

hechas con el microscopio de fuerza atoacutemica (AFM) por su apoyo ensentildeanzas y consejos

que permitieron culminar este trabajo de tesis con eacutexito

Al Mg Henry Leoacuten Leoacuten integrante del grupo de investigacioacuten del Laboratorio de

Investigacioacuten Multidisciplinario (LABINM) de la Universidad Privada Antenor Orrego

por su apoyo en las mediciones oacutepticas de las peliacuteculas delgadas

Al Dr Segundo Jaacuteuregui Rosas por su apoyo con las mediciones de los patrones de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas

A mis amigos Daniel Chaacutevez Susanita Moreno Joseacute del Aacutengel Joseacute De la Cruz

Mauricio Matta por los antildeos compartidos dentro de la carrera y su amistad sincera

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vi

RESUMEN

En el presente trabajo de tesis se estudioacute la influencia de la temperatura de recocido sobre las

propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de las peliacuteculas delgadas de ZnO dopada con

cobre a 3 en volumen dichas peliacuteculas fueron sintetizadas sobre substratos de vidrio mediante

el meacutetodo de rociado piroliacutetico usando como soluciones precursoras el acetato de zinc

dihidratado[119885119899(11986211986731198621198742)2 21198672119874] y el cloruro de cobre dihidratado [1198621198972119862119906 21198672119874] disueltas en

etanol Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 Vol sin recocido y

recocidas a 400 450 y 500 indican que todas las muestras son poli cristalinas con estructura

hexagonal wurtzita el plano preferente de crecimiento fue el (002) disminuyendo la intensidad

de su pico uacutenicamente en la muestra recocida a 400 El tamantildeo del cristalito para la muestra sin

recocido fue de 2582 nm y para las muestras recocidas a 400 450 y 500 de 1878 2633 y

2923 nm respectivamente Las imaacutegenes obtenidas por microscopiacutea de fuerza atoacutemica indican que

la rugosidad media (Ra) aumenta con la temperatura de recocido a excepcioacuten de la muestra

recocida a 400 que disminuye Los anaacutelisis en el espectroacutemetro UV-Vis indican que estas

peliacuteculas tienen alta transmitancia mayor del 80 y que la absorbancia es miacutenima La energiacutea del

gap para la muestra sin recocido fue de 3256 eV y para las muestras recocidas a 400 450 y

500 de 3256 3263 y 3257 eV respectivamente

Palabras clave Temperatura de recocido peliacutecula delgada rociado piroliacutetico policristalina

rugosidad media energiacutea del gap

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vii

ABSTRACT

In this thesis work Iacuteve studied the influence of annealing temperature over to rugosity

transmitance and cristallite size of ZnOCu 3 thin films The ZnOCu 3 thin films was

synthetisized over glass substrates by spray pyrolisys technique using zinc acetate

dyhidrate[119885119899(11986211986731198621198742)2 21198672119874] and copper chloride dyhidrate[1198621198972119862119906 21198672119874] as precursor

solutions mixed in ethanol The diffraction patterns of ZnOCu 3 thin films both without

annealing and annealed at 400 450 and 500 indicates that all samples are polycrystalline with

wurtzita hexagonal structure The preferred plane of growth was (002) decreasing the intensity of

its peak only in the sample annealed at 400 The crystallite size for the sample without annealing

was 2582 nm and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 1878 2633 and 2923 nm

respectively The images obtained by atomic force microscopy indicate that the average roughness

(Ra) increases with annealing temperature except for the sample annealed at 400 which

decreases Analyzes in the UV-Vis indicate that these films have high transmittance greater than

80 and that the absorbance is minimal The band gap for sample without annealing was 3256

eV and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 3256 3263 and 3257 eV respectively

Keywords Annealing temperature thin film spray pyrolysis polycrystalline average roughness

band gap

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AS

viii

IacuteNDICE GENERAL

PRESENTACIOacuteN iii

DEDICATORIA iv

AGRADECIMIENTOS v

RESUMEN vi

ABSTRACT vii

IacuteNDICE GENERAL viii

IacuteNDICE DE FIGURAS xii

Capiacutetulo 2 xii

Capiacutetulo 3 xii

Capiacutetulo 4 xiii

Capiacutetulo 5 xiv

Anexos xiv

IacuteNDICE DE TABLAS xvi

CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1

CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 5

21 Oacutexido de Zinc 5

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO 5

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AS

ix

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO 7

24 El Cobre y Sus Propiedades 8

25 Dopado al Oacutexido de Zinc 9

CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE PELIacuteCULAS DELGADAS 12

31 Procesos Fiacutesicos 14

311 Evaporacioacuten teacutermica 14

312 Sputtering 15

32 Procesos Quiacutemicos 17

321 CVD 17

322 Sol-Gel 19

323 Rociado Piroliacutetico 20

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas 24

331 Modo de crecimiento capa por capa Δ120574 gt 0 26

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas 26

333 Modo de crecimiento por islas Δ120574 lt 0 26

CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO 27

41 Materiales Equipos e Instrumentos 27

42 Meacutetodo 30

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos 30

422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol 32

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x

43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol 38

44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten 40

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX) 40

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis) 43

443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) 47

CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 55

51 Difraccioacuten de Rayos X 55

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano 55

52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 59

521 Morfologiacutea y rugosidad 59

53 Espectrometriacutea UV-Vis 64

531 Transmitancia 64

532 Absorbancia y energiacutea del gap 65

CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES 69

CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS 70

REFERENCIAS 71

ANEXOS 77

ANEXO A 78

Valores Teoacutericos Del Zno 78

ANEXO B 79

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AS

xi

Caacutelculo de la distancia interplanar 79

Caacutelculo del paraacutemetro c 80

Caacutelculo del tamantildeo de grano 82

ANEXO C 84

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada 84

ANEXO D 86

Caacutelculo de los valores de Rugosidad 86

Muestra Sin Rec 86

Muestra Rec a 400 87

Muestra Rec a 450 87

Muestra Rec a 500 89

ANEXO E 90

Caacutelculo de la energiacutea del gap 90

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xii

IacuteNDICE DE FIGURAS

Capiacutetulo 2

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn

de color gris oscurohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnOhelliphelliphelliphelliphellip8

Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles

de fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Capiacutetulo 3

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipohelliphelliphellip16

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica de para un proceso de CVDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

Figura 34 Ruta Quiacutemica para el proceso de Sol-Gelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

Figura 35 Esquema del equipo de Rociado Piroliacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes

isla y (c) por islashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

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xiii

Capiacutetulo 4

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

Figura 43 Sustratos en detergentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenicohelliphellip31

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en hornohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica33

Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip34

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphellip35

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula

delgada de ZnOCu 3 vol helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

Figura 411 Diagrama de flujo del Proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadashelliphelliphellip39

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del

sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta

con la superficie del sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitentehelliphelliphelliphelliphelliphellip52

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xiv

Capiacutetulo 5

Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con

recocidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip58

Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 ordmC c) rec a 450 ordmC y d) rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 c) rec a 450 y d) rec a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y

con recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con

recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para

la peliacutecula recocida a 400 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y

derecha para la peliacutecula recocida a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

Anexos

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b)

Imagen 3D del escaloacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84

Figura D1 a Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra sin rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

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Figura D2 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 400 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87

Figura D3 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 450 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88

Figura D4 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 500 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas

las peliacuteculashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91

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IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de valores para las propiedades estructuraleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

Tabla 2 Tabla de valores de las rugosidadeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

Tabla 3 Tabla de valores de la Energiacutea del Gaphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

Tabla 4 Tabla de datos de las alturas horizontales y verticaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 5 Tabla de valores del espesor de cada peliacuteculahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 6 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

Tabla 7 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87

Tabla 8 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88

Tabla 9 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

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CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN

Los materiales desarrollados a base de oacutexidos transparentes y conductores (por sus siglas en

ingleacutes TCOs) han recibido una gran aceptacioacuten en la comunidad cientiacutefica debido a sus muacuteltiples

aplicaciones en la industria optoelectroacutenica ya que sus propiedades de alta transparencia y baja

resistividad los hacen aptos para aplicaciones en celdas solares sensores de gases (Koumllble et al

2009) pantallas planas pantallas de cristal liacutequido ventanas electro-croacutemicas entre otros

Los TCOs son semiconductores que se caracterizan por tener altos valores de transmisioacuten oacuteptica

(~ 80 ) en el intervalo visible y bajas resistividades (lt 10minus3Ω119888119898) seguacuten Minami (2008)

Algunos de los oacutexidos metaacutelicos preparados en forma de peliacutecula delgada que son o pueden ser

utilizados como conductores transparentes son oacutexido de cadmio (119862119889119874) oacutexido de estantildeo (1198781198991198742)

ITO (11986811989921198743 119878119899) FTO (1198781198991198742 119865) y AZO (119885119899119874 119860119897)(Alamri amp Brinkman 2000)

Uno de los oacutexidos conductores transparentes comuacutenmente utilizados debido a su alta

transmitancia en el visible gt 80 y su baja resistividad del orden de 10minus4Ω119888119898 es el oacutexido de

indio dopado con estantildeo (ITO) seguacuten Minami (2008) Pero debido a la rareza del indio en la tierra

su costo es elevado Otro oacutexido conductor transparente que ha llamado fuertemente la atencioacuten es

el CdO que es un semiconductor degenerado porque los estados en el fondo de la banda de

conduccioacuten se encuentran ocupados por lo tanto presenta alta conductividad sin necesidad de ser

dopado (Bhosale Kambale Kokate amp Rajpure 2005)

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Sin embargo ya que el Cd es muy toacutexico la unioacuten europea a traveacutes de la directiva de restriccioacuten

de sustancias peligrosas lo catalogoacute entre los 6 elementos restringidos para su uso en dispositivos

eleacutectricos y optoelectroacutenicos Debido a esta restriccioacuten es necesario buscar otras alternativas una

de ellas es el ZnO ya que presenta alta conductividad eleacutectrica seguacuten Jeon Park Yoo amp Boo

(2007) altos valores de transmitancia en la regioacuten visible del espectro electromagneacutetico (Hirata et

al 1996) bajo costo alta disponibilidad y no toxicidad

El oacutexido de Zinc es reconocido como un semiconductor porque tiene un ancho de banda de 337

eV a temperatura ambiente posee una gran energiacutea libre de unioacuten de excitones alta estabilidad

propiedades fiacutesicas oacutepticas etc (Benharrats Zitouni Kadri y Gil 2010)

Una peliacutecula delgada se encuentra en el rango de 1 119886 100 119899119898 (Loacutepez et al 2013) Para que

una peliacutecula delgada sea considerada como eficaz debe ser quiacutemicamente estable en el entorno a

usar debe adherirse bien a la superficie que cubre (sustrato) debe tener un espesor uniforme y

debe tener una baja densidad de imperfecciones (Leoacuten 2014)

Dentro de los diversos meacutetodos para obtener peliacuteculas delgadas tenemos el de rociado piroliacutetico

que puede ser maacutes barato simple y versaacutetil a comparacioacuten de otros meacutetodos Las propiedades de

las peliacuteculas rociadas pueden faacutecilmente adaptarse para las aplicaciones requeridas

Adicionalmente tambieacuten es un meacutetodo de deposicioacuten adecuado cuando se necesitan peliacuteculas de

grandes aacutereas (Rahmani et al 2009)

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El meacutetodo de rociado piroliacutetico es un proceso en el cual una peliacutecula delgada es depositada

mediante el rociado de una solucioacuten en una superficie caliente donde los constituyentes reaccionan

para formar un compuesto quiacutemico Los reactantes quiacutemicos son seleccionados de tal forma que

los productos distintos al del compuesto deseado sean volaacutetiles a la temperatura de deposicioacuten

(Mooney amp Rading 1982)

Las caracteriacutesticas estructurales eleacutectricas y oacutepticas de las peliacuteculas delgadas de ZnO han sido

ampliamente investigadas mientras que el efecto del dopado sobre estas propiedades auacuten estaacuten

siendo estudiadas (Rozati 2008 Caglar Ilikan y Caglar 2009) Las peliacuteculas de ZnO pueden

doparse con Al3+ (Sahay amp Nath 2008) Sn4+ y Sn5+ (Bedia et al 2014) F1- Cu1+ Ag1+ Ga3+

In3+ (Liu Avrutin Izyumskaya Oumlzguumlr y Morkoccedil 2010)

Elegir el Cu como dopante para las peliacuteculas delgadas de ZnO es una buena opcioacuten ya que

influye en las propiedades oacutepticas estructurales quiacutemicas y eleacutectricas del ZnO y el estudio del

estado electroacutenico del Cu en ZnO ha venido siendo el tema de intereacutes por mucho tiempo ya que

son uno de los componentes principales en celdas fotovoltaicas (Bunyod 1946)

El efecto de la temperatura de recocido sobre las peliacuteculas delgadas de ZnOCu estaacute siendo

estudiada minuciosamente debido a que se han reportado casos en los cuales disminuye la banda

del gap y aumenta el esfuerzo a medida que aumenta dicha temperatura (Jijoy Varguese amp

Mathew 2015)

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En el presente trabajo de investigacioacuten se realizoacute la siacutentesis de peliacuteculas delgadas de ZnOCu

3 por el meacutetodo de rociado piroliacutetico sobre un sustrato de vidrio a una temperatura de 300 ordmC y

luego sometida a temperaturas de recocido entre 400- 500 ordmC La caracterizacioacuten de las peliacuteculas

antes y despueacutes del recocido se realizoacute mediante DR-X UV-Vis y AFM

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CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO

21 Oacutexido de Zinc

El oacutexido de zinc es un compuesto inorgaacutenico relativamente abundante quiacutemicamente estable

y no toacutexico es insoluble en agua pero soluble en aacutecidos y bases diluidas su punto de fusioacuten es de

1975 ordmC temperatura a la que tambieacuten se descompone es un semiconductor formado por los

elementos del grupo-II ( 119885119899)30 y el grupo-VI ( 1198748

) El zinc tiene cinco isoacutetopos estables de los

cuales los maacutes comunes son el zinc 64 (4889 ) zinc 66 (2781 ) y el zinc 68 (1857 )

mientras que el oxiacutegeno consiste casi puramente en el isoacutetopo de oxiacutegeno 16 (9976 ) seguacuten

Loacutepez Castro Molina y Arbey (2011)

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO

Cada aacutetomo de zinc se encuentra rodeado por un tetraedro de 4 aacutetomos de oxiacutegeno y viceversa

tal y como se muestra en la figura 21 formando de esta manera una combinacioacuten alternada de

planos de aacutetomos oxiacutegeno y de planos de aacutetomos de zinc las cuales se encuentran a lo largo del

eje c con un desplazamiento entre ellos de 038c siendo c su paraacutemetro de red en la direccioacuten

vertical Los valores de los paraacutemetros de red para dicho material en condiciones normales de

presioacuten y temperatura son a = 032495 nm y c = 052069 nm (Hernaacutendez 2014)

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Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn de color gris oscuro

(Fuente Hernaacutendez)

Su estructura puede describirse como un nuacutemero de planos alternantes que estaacuten compuestos

por iones de oxiacutegeno 1198742minus e iones de zinc 1198851198992+ que se encuentran alternados en el eje c esta

estructura tetraeacutedrica es la que le confiere su baja simetriacutea y lo que resulta en sus propiedades de

piezoelectricidad (Hernaacutendez 2014)

Otra importante caracteriacutestica del ZnO es su superficie polar siendo la maacutes comuacuten la del plano

basal Los iones de zinc y oxiacutegeno generan superficies cargadas positiva para (119885119899 minus (0001)) y

negativa para (119874 minus (0001)) lo que resulta en un momento dipolar normal y una polarizacioacuten

espontaacutenea La estabilidad de la superficie polar 119885119899119874 plusmn (0001) es materia de estudio tambieacuten es

atoacutemicamente plana y estable sin reconstruccioacuten (Hafdallah et al 2018 Zhon 2004)

El zinc tiene una configuracioacuten electroacutenica (1119904)2(2119904)2(2119901)6(3119904)2(3119901)6(3119889)10(4119904)2 mientras

que la configuracioacuten electroacutenica del oxiacutegeno es (1119904)2(2119904)2(2119901)4 El enlace de ZnO en su red

cristalina involucra una hibridacioacuten 1199041199013 de los estados electroacutenicos lo cual lleva a cuatro orbitales

equivalentes en una geometriacutea tetraeacutedrica En el cristal semiconductor resultante los estados de

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enlace 1199041199013 constituyen la banda de valencia mientras que la banda de conduccioacuten se origina de su

contraparte de anti-enlace seguacuten Deinert (2016)

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO

Estructuralmente el oacutexido de zinc tiene tres tipos de direcciones raacutepidas de crecimiento las

cuales son lang2110rang ( plusmn[2110] plusmn[1210] plusmn[1120] ) lang0110rang ( plusmn[0110] plusmn[1010]

plusmn[1100] ) y plusmn[0001] El ZnO exhibe un amplio rango de nuevas estructuras que pueden ser

desarrolladas ajustando las tasas de crecimiento a lo largo de esas direcciones Uno de los mayores

factores que determinan la morfologiacutea implican las actividades superficiales relativas de diversas

facetas de crecimiento bajo condiciones dadas Macroscoacutepicamente un cristal tiene diferentes

paraacutemetros cineacuteticos para diferentes planos del cristal los cuales son controlados bajo condiciones

de crecimiento Asiacute despueacutes de un periodo inicial de incubacioacuten y nucleacioacuten un cristalito

comuacutenmente se convertiraacute en un objeto tridimensional bien definido con caras cristalograacuteficas de

bajo iacutendice La figura 2 de a) al c) muestran unas morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento en una

dimensioacuten para el ZnO dichas estructuras tienden a maximizar las aacutereas de las caras (2110) y

(0110) debido a la maacutes baja energiacutea y la morfologiacutea mostrada en la parte d) es dominada por las

superficies polares las cuales pueden ser crecidos mediante la introduccioacuten de defectos planares

paralelos a las superficies polares Los defectos planares y gemelos son observados ocasionalmente

paralelos al plano (0001) pero rara vez se pueden observar dislocaciones (Zhon 2004)

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Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnO (Fuente Zhon)

24 El Cobre y Sus Propiedades

El cobre con nuacutemero atoacutemico 29 y peso atoacutemico de 6354 exhibe una estructura cristalina cuacutebica

centrada en las caras El cobre es un elemento de transicioacuten y al ser un metal noble tiene

propiedades inherentes similares a las de la plata y el oro Tambieacuten posee excelente conductividad

maleabilidad resistencia a la corrosioacuten y biofuncionalidad El cobre tiene alta solubilidad para

otros elementos tales como el niacutequel el zinc el estantildeo y el aluminio Esta solucioacuten soacutelida de la

fase alfa (120572) es la responsable de la alta ductilidad exhibida para aleaciones de cobre Las adiciones

maacutes allaacute del liacutemite de solubilidad resultan en la fase beta (120573) la cual exhibe una estructura cuacutebica

de cuerpo centrado esta fase beta tiene alta estabilidad de temperatura y las aleaciones que exhiben

una estructura 120572 + 120573 tienen una excelente capacidad de formacioacuten en caliente La densidad del

cobre es 889 1198921198881198983 y su punto de fusioacuten es 1083 Seguacuten American Society For Testing

Materials la cual es revisada anualmente

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25 Dopado al Oacutexido de Zinc

Los elementos del grupo IB como el cobre la plata y el oro no parecen de tanto intereacutes como

sus contrapartes del grupo IA y VA pero actualmente se vienen trabajando con estos elementos

ya que cambian las propiedades del ZnO esto podriacutea significar que una sustitucioacuten con zinc podriacutea

resultar un defecto de aniquilador de electrones Aunque estos pueden ser considerados costosos

la plata y el cobre podriacutea ser una alternativa maacutes econoacutemica en comparacioacuten con otros elementos

que han sido usados como dopantes al fin de cuentas estas poseen una conductividad uacutenica

(Wolgamott 2017)

Las figuras 23 24 y2 5 muestran las energiacuteas de formacioacuten por defecto para el ZnO dopado

con cobre plata y oro estas cifras junto con un caacutelculo hecho por Yan Al-Jassim ampWei (2006)

muestran que bajo condiciones ricas en oxiacutegeno los elementos del grupo IB tienen una baja energiacutea

de formacioacuten para la sustitucioacuten del zinc Esta misma condicioacuten rica en oxiacutegeno tambieacuten suprime

la formacioacuten de defectos nativos en el agujero de perforacioacuten aumentando asiacute la posibilidad de

una peliacutecula delgada de ZnO dopado del tipo p (Wolgamott 2017)

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Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

El cobre y la plata ofrecen una mejor ruta para la reproduccioacuten de peliacuteculas delgadas de ZnO

del tipo p El dopaje con nitroacutegeno solo es favorable en condiciones ricas en zinc esto aumenta la

probabilidad de que se formen defectos por la formacioacuten de agujeros para compensar Para

ajustarse a esto teacutecnicas de procesamiento novedoso y no equilibrado deben ser usadas esta

dificultad aumenta los costos de procesamiento y reduce la reproduccioacuten de tales (Wolgamott

2017)

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Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

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CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE

PELIacuteCULAS DELGADAS

Una variedad de teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas han sido empleadas para el

depoacutesito de oacutexidos conductores trasparentes tales como el oacutexido de estantildeo (SnO2) dopado con

antimonio (SnO2 ∶ Sb) o con fluorina (SnO2 ∶ F) el oacutexido de indio(In2O3) dopado con estantildeo

(In2O3 ∶ Sn) el oacutexido de zinc (ZnO) dopado con indio (ZnO ∶ In) Ya que el transporte oacuteptico y

eleacutectrico en estas peliacuteculas depende fuertemente de su estequiometria su microestructura y de la

naturaleza de las impurezas presentes por lo tanto cada teacutecnica de deposicioacuten con los paraacutemetros

asociados produce peliacuteculas con diferentes propiedades Dependiendo de queacute teacutecnica de

deposicioacuten se use el sustrato influiraacute significativamente en las propiedades de las peliacuteculas Los

sustratos de vidrio son los de uso comuacuten para estos procesos Los procesos a baja temperatura tales

como la pulverizacioacuten catoacutedica con magnetroacuten la pulverizacioacuten ioacutenica con haz de iones y el

recubrimiento ioacutenico reactivo permiten la deposicioacuten de las peliacuteculas de oacutexido sobre el sustrato de

poliacutemero como el plaacutestico Mylar y poly (Teraftalato de etileno) Seguacuten Waal amp Simons (1981)

el coeficiente de expansioacuten teacutermica del sustrato afecta las propiedades eleacutectricas de las peliacuteculas

especialmente en procesos como los de rociado piroliacutetico y de inmersioacuten en los cuales las tensiones

intriacutensecas son inducidas dentro de la peliacutecula El coeficiente de expansioacuten teacutermica influye en la

orientacioacuten preferente del cristalito en las peliacuteculas de ZnO (Ghandhi Field amp Shealy 1980)

El proceso que implica deposiciones a altas temperaturas el efecto de la difusioacuten de iones

alcalinos desde el sustrato de vidrio hacia la peliacutecula se vuelve extremadamente importante (Kane

Schweizer amp Kern 1976) Los cationes actuacutean como agentes dopantes de tipo-p y compensan los

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donantes nativos El problema es grave en los sustratos de vidrio Soda-lime los cuales tienen un

alto contenido en sodio alrededor del 10-15 peso 1198731198862119874 En La figura 31 podemos observar

los tipos de procesos para la obtencioacuten de peliacuteculas delgadas

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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31 Procesos Fiacutesicos

311 Evaporacioacuten teacutermica

Peliacuteculas delgadas de IO (oacutexido de indio) (Pan amp Ma 1980) ITO (oacutexido de indio dopado con

estantildeo) (Mizuhashi 1980) y ZnO (Wang et al 2005) han sido depositadas por evaporacioacuten

teacutermica o por haz de electrones de fuentes de oacutexido Debido a su alto punto de fusioacuten el TO

(oacutexido de estantildeo) ha sido depositado por haz de electrones (Mizuhashi 1980) Cuando los oacutexidos

puros o mixtos se evaporan se reducen y forman peliacuteculas opacas de oacutexidos inferiores Por lo tanto

los oacutexidos transparentes conductores son obtenidos por post-oxidacioacuten de peliacuteculas inferiores o

por introduccioacuten del oxiacutegeno durante la evaporacioacuten (Ruumlcker amp Becker 1978)

La cineacutetica de oxidacioacuten de sub-oacutexidos la dependencia de la resistividad y la transmisioacuten en el

sustrato y las temperaturas de oxidacioacuten han sido estudiadas para peliacuteculas de ITO (Mizuhashi

1980) La opacidad de las peliacuteculas depositadas ha sido atribuida a la presencia de indio libre en

una matriz de In2O3 que resulta de la reduccioacuten de especies de In2O que estaacuten presentes en la

fase de vapor

La post-oxidacioacuten del indio libre es a traveacutes de un proceso controlado por difusioacuten y las

propiedades eleacutectricas y oacutepticas finales de las peliacuteculas estaacuten determinadas por las tasas relativas

de oxidacioacuten y difusioacuten del indio (Mizuhashi 1980)

En el caso de la oxidacioacuten durante la deposicioacuten la temperatura del sustrato y la presioacuten parcial

de oxiacutegeno son los principales paraacutemetros de control para el proceso que han sido estudiados por

Mizuhashi (1980) que obtuvo peliacuteculas de ITO de buena calidad con una presioacuten parcial de

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oxiacutegeno de 10minus4 Torr y una temperatura de sustrato de 400 con una tasa de deposicioacuten de

aproximadamente 50 Å 119898119894119899minus1 para el O2 puro

De lo anterior se puede concluir que para obtener peliacuteculas altamente transparentes y

conductoras por evaporacioacuten es necesario que la presioacuten parcial del oxiacutegeno sea alta (suficiente

para oxidar casi todo el indio) que la temperatura del sustrato sea la adecuada y que la tasa de

evaporacioacuten sea raacutepida (para suprimir la disociacioacuten de In2O3)

312 Sputtering

El Sputtering o pulverizacioacuten catoacutedica es una de las teacutecnicas maacutes usadas para la deposicioacuten de

peliacuteculas conductoras transparentes Esta teacutecnica se basa esencialmente en un bombardeo intenso

de un material con iones producidos en una descarga eleacutectrica en forma de plasma cuando la

energiacutea de los iones incidentes es suficientemente elevada entonces la interaccioacuten con la superficie

del material a traveacutes de intercambio de momento cineacutetico hace que los aacutetomos de la superficie

sean arrancados para pasar a la fase de vapor La figura 32 muestra un esquema de las etapas del

proceso El caacutetodo el cual estaacute conectado a la terminal negativa de la fuente de alimentacioacuten estaacute

formado por el material a evaporar que tambieacuten es llamado blanco o sputtering target estaacute

sometido al bombardeo intenso de los iones positivos de la descarga una vez que son acelerados

desde el plasma como consecuencia de la caiacuteda de potencial asociada El bombardeo de los iones

produce no solo el efecto de sputtering o pulverizacioacuten del blanco sino tambieacuten la emisioacuten de

electrones secundarios que son acelerados hacia el plasma Una vez en el plasma estos electrones

tienen la energiacutea suficiente para producir nuevos iones mediante procesos de ionizacioacuten en cascada

por impacto con los aacutetomos del gas compensando asiacute la perdida de carga producida por colisiones

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de las especies cargadas en las paredes de la caacutemara de vaciacuteo Se dice que la descarga es auto

mantenida (Aacutelvaro 2014)

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipo (Fuente Aacutelvaro)

El gas de la descarga suele ser un gas inerte de masa elevada con el objeto de aumentar la

transferencia del momento cineacutetico a los aacutetomos del blanco por razones de precio en la mayoriacutea

de las aplicaciones el gas utilizado es argoacuten con una masa atoacutemica de 40 los sustratos a recubrir

estaacuten colocados sobre el aacutenodo aunque se pueden situar sobre un soporte auxiliar frente al caacutetodo

El electrodo que actuacutea de aacutenodo suele estar conectado al potencial de tierra junto con la caacutemara

de vaciacuteo por razones de seguridad A diferencia de la teacutecnica de evaporacioacuten teacutermica la trayectoria

de las partiacuteculas pulverizadas no es rectiliacutenea ya que a presiones de trabajo alrededor de

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10minus3 mbar el recorrido libre medio es del orden de unos pocos mm Los aacutetomos evaporados

pueden alcanzar al sustrato desde cualquier direccioacuten despueacutes de sufrir una serie de colisiones en

la atmosfera de sputtering en las cuales sufren una peacuterdida de su energiacutea inicial Por lo tanto los

problemas de direccionalidad y los de homogeneidad del espesor de la capa depositada son

menores que en la evaporacioacuten teacutermica Al mismo tiempo los aacutetomos del gas inerte y la radiacioacuten

procedente del plasma tambieacuten interaccionan con la superficie de los sustratos produciendo

efectos laterales De hecho existe la posibilidad de que aacutetomos del gas inerte puedan contaminar

la capa depositada en el sustrato al quedar atrapados en su interior durante el crecimiento (Aacutelvaro

2014)

32 Procesos Quiacutemicos

321 CVD

La deposicioacuten quiacutemica por vapor (Chemical Vapor Deposition) es un proceso antiguo que data

del 1800 En este tiempo esta teacutecnica fue usada principalmente para producir materiales

refractores de alta pureza tales como el zirconio y el titanio Despueacutes de la segunda guerra mundial

los investigadores comenzaron a darse cuenta de las ventajas potenciales que ofreciacutea el CVD

Esta teacutecnica consiste en la deposicioacuten por vapor sobre una superficie caliente Esto pertenece a

las teacutecnicas de transferencia de vapor Con esta teacutecnica la liacutenea de visioacuten con la superficie de

recubrimiento no es necesaria por lo tanto permite la deposicioacuten en superficies complejas tambieacuten

posee una alta tasa de deposicioacuten y puede ser usado para recubrimientos gruesos esto permite la

co-deposicioacuten de los elementos y no requiere de un proceso de alto vaciacuteo

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La figura 33 muestra un CVD tiacutepico El primer paso es la activacioacuten teacutermica de los precursores

quiacutemicos para formar el vapor este a su vez es transportado a traveacutes de una caacutemara caliente en

donde el sustrato estaacute colocado en esta caacutemara la reaccioacuten gaseosa ocurre y los reactantes son

depositados en la superficie del sustrato con lo cual resulta la formacioacuten de la peliacutecula Los

subproductos volaacutetiles son desorbidos desde la peliacutecula y removidos de la caacutemara por medio de la

conveccioacuten

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica para un proceso de cvd (Fuente En liacutenea)

Un proceso tiacutepico de CVD requiere de temperaturas altas que la reaccioacuten de fase gaseosa ocurra

esto no soacutelo aumenta los costos de proceso sino que tambieacuten limita los tipos de sustratos donde la

peliacutecula delgada puede ser depositada Los precursores quiacutemicos con alta presioacuten de vapor que se

necesitan para el CVD son en su mayoriacutea toacutexicos y peligrosos para trabajar con ellos Finalmente

los subproductos de la reaccioacuten gaseosa que no permanecen en el sustrato pueden ser toacutexicos e

incluso corrosivos La neutralizacioacuten de estos subproductos implicariacutea un aumento del costo de

produccioacuten

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322 Sol-Gel

Esta teacutecnica de crecimiento es un proceso quiacutemico huacutemedo realizado a bajas temperaturas que

permite fabricar materiales amorfos y poli cristalinos estos uacuteltimos se obtienen despueacutes de un

tratamiento teacutermico En el meacutetodo Sol-Gel se puede controlar la composicioacuten quiacutemica estructura

cristalina y morfologiacutea superficial de las peliacuteculas ajustando los paraacutemetros de procesamiento tales

como relacioacuten molar entre los reactivos cantidad y naturaleza de los precursores disolventes

catalizadores aditivos e impurificantes Este proceso sigue la ruta quiacutemica que muestra en la figura

34 este parte de una solucioacuten inicial compuesta por un alcoacutexido metaacutelico por agua y por un

disolvente al que se le agrega un catalizador que puede ser tanto aacutecido como baacutesico Las reacciones

de hidroacutelisis y condensacioacuten se desencadenan a fin de sintetizar una suspensioacuten coloidal de

partiacuteculas soacutelidas o cuacutemulos en un liacutequido llamado Sol A medida que la reaccioacuten continua aumenta

la viscosidad de la solucioacuten hasta la forma del Gel el cual estaacute constituido de dos partes una soacutelida

que corresponde a las partiacuteculas de oacutexido y una liacutequida que es el disolvente inicial del Sol Luego

de esto se inicia un periodo de secado en condiciones normales de presioacuten y temperatura en el cual

se lleva a cabo la eliminacioacuten del disolvente y del agua residual de tal modo que el Gel se encogeraacute

obtenieacutendose un xerogel Al teacutermino del tiempo de secado generalmente se tienen disolventes y

agua para solucionar esto se somete a un tratamiento teacutermico (Ramiacuterez 2015)

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Figura 34 Ruta quiacutemica para el proceso de sol-gel (Fuente Ramiacuterez)

323 Rociado Piroliacutetico

Esta teacutecnica consiste en la pulverizacioacuten de una solucioacuten que contiene los iones metaacutelicos del

oacutexido que se quiere producir sobre un sustrato que se encuentra a una temperatura elevada El

precursor del material a ser fabricado se disuelve en metanol o etanol esta solucioacuten denominada

solucioacuten precursora es transformada en partiacuteculas muy finas mediante un nebulizador formando

una especie de vapor la solucioacuten nebulizada se transporta hacia el sustrato caliente con ayuda de

un gas portador (aire comprimido) de tal manera que llega al sustrato en forma de gota pequentildea

La pirolisis se produce en la superficie caliente del sustrato dando lugar a la peliacutecula delgada como

producto de la descomposicioacuten del compuesto quiacutemico por accioacuten del calor los componentes

reactivos de la solucioacuten precursora se seleccionan de tal modo que los productos de la reaccioacuten

quiacutemica que no intervienen en la formacioacuten de la peliacutecula sean volaacutetiles a la temperatura de trabajo

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Esto requiere del anaacutelisis del precursor quiacutemico tanto de la fase liacutequida como de la fase gaseosa

y una exploracioacuten de las reacciones superficiales que llevan a la formacioacuten de la peliacutecula delgada

En este proceso de fabricacioacuten de peliacuteculas delgadas un factor muy importante es la uniformidad

del tamantildeo de las gotas generadas

Cuando el vapor de la solucioacuten se aproxima al sustrato en condiciones ideales se espera que el

solvente se vaporice totalmente provocando la descomposicioacuten de los componentes no volaacutetiles

(Leoacuten 2014) En la figura 35 se muestra un esquema del equipo detallando cada parte

componente del mismo

Figura 35 Esquema del equipo de rociado piroliacutetico (Fuente Acosta amp Magantildea)

Piroacutelisis La reaccioacuten piroliacutetica la cual determina la cineacutetica del depoacutesito se efectuacutea cuando el

rociacuteo entra en contacto con el sustrato caliente y seguacuten el tamantildeo de las gotas se produciraacute

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diferentes procesos dependientes del comportamiento teacutermico de las gotas A continuacioacuten se

detallan 4 procesos diferentes seguacuten el tamantildeo de la gota

Gotas de tamantildeo muy pequentildeo

La reaccioacuten se completa durante el transporte antes de llegar al sustrato y se produce un polvo

del material sobre el sustrato la facilidad de este proceso es que puede ser faacutecilmente removido

Gotas de tamantildeo ideal

El solvente pasa a la fase gaseosa completamente antes de alcanzar el sustrato las partiacuteculas

precipitadas se fusionan vaporizan y se difunden sobre la superficie del sustrato En este proceso

las partiacuteculas producidas sufren procesos de adsorcioacuten difusioacuten superficial reaccioacuten de

nucleacioacuten por lo tanto determinan el crecimiento del recubrimiento El resto de los productos de

la reaccioacuten se volatilizan y se difunden fuera del sustrato

Gotas de tamantildeo mediano

El solvente de las gotas se vaporiza al llegar al sustrato dejando partiacuteculas precipitadas de los

reactantes los cuales se fusionan en la superficie del sustrato y causan enfriamiento localizado

obtenieacutendose recubrimientos de baja calidad

Gotas de tamantildeo grande

La energiacutea teacutermica absorbida por la gota durante el transporte al sustrato no es suficiente para

que el solvente se pueda evaporar por completo El solvente residual se evaporaraacute en el sustrato

formando estructuras no homogeacuteneas

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Para lograr la selectividad de las gotas que llegaraacuten al sustrato se graduacutea la longitud entre lo

boquilla y el sustrato Considerando que la fuerza gravitacional es proporcional a 1199033 siendo r el

radio de la gota Las gotas de radios mayores al valor criacutetico no pueden ser transportadas por el

gas portador y por lo tanto regresan al nebulizador En las cercaniacuteas del sustrato se forma una

niebla de la solucioacuten con una distribucioacuten uniforme de gotas de tamantildeo pequentildeo requisito

importante para la obtencioacuten de recubrimientos delgados de buena calidad

Las fuerzas que determinan el recorrido de las gotas por la tobera son la gravitacional y la fuerza

de Stokes debido a la friccioacuten entre la gota y las moleacuteculas de aire seguacuten Silva (2013)

119917119956 = 120788120645120636119955(119959119941 + 119959119938) [120783 +120785

120790119929119942] 120784 120783

119917 = 119950119944 120784 120784

En donde 120578 es la viscosidad de la gota 119903 es el radio de la gota 119907119889 es la velocidad de la gota 119907119886

es la velocidad del aire y 119877119890 es el nuacutemero de Reynolds

El nuacutemero de Reynolds para partiacuteculas esfeacutericas en un flujo gaseoso es

119929119942 = 120784119955(119959119941 + 119959119938)

120636120633119938 120784 120785

En donde 120575119886 es la densidad del aire

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Cuando estas dos fuerzas alcanzan el equilibrio (119865 = 119865119904) las gotas viajan con velocidad

constante denominada velocidad liacutemite (119907119889119897) Al resolver la ecuacioacuten cuadraacutetica que nos da el

igualar las ecuaciones 21 y 22 tenemos

119959119941119949 = minus (119939

120784) + (

119939120784

120786minus 119940)

120783120784

120784 120786

En donde

119939 =120786120636

120785119955120633119938minus 120784119959119938 119962 119940 = 119959119938

120784 minus120786120636

120785119955120633119938119959119938 + (120633(119931) +

119924119956119924

120783120782120785)

120790119955

120784120789120633119938

Siendo 120575(119879) la densidad del solvente a temperatura T 119872119904 el peso molar del soluto y M la

molaridad de la solucioacuten (Leoacuten 2014)

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas

Los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas en sus etapas iniciales se

pueden ver en la figura 36 una vez que la partiacutecula se ha condensado de la fase gaseosa puede

inmediatamente re-evaporarse o difundirse sobre la superficie este proceso de difusioacuten puede

conducir a la adsorcioacuten especialmente en sitios como orillas y otros defectos (M Peacuterez 2005)

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Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas delgadas (Fuente M

Peacuterez)

Las energiacuteas de activacioacuten para la adsorcioacuten y difusioacuten dependen de los detalles atoacutemicos del

proceso en particular y la nucleacioacuten de maacutes de una partiacutecula adsorbida puede ocurrir En equilibrio

termodinaacutemico todos los procesos ocurren o proceden en dos direcciones opuestas a la misma

rapidez Por lo tanto en el equilibrio no hay un crecimiento neto de una partiacutecula y por lo tanto el

crecimiento del cristal debe ser un proceso cineacutetico de no equilibrio Desde un enfoque

fenomenoloacutegico existen tres modos diferentes del crecimiento de peliacuteculas como se observa en la

figura 37 (M Peacuterez 2005)

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes isla y (c) por islas

(Fuente M Peacuterez)

El crecimiento de peliacuteculas delgadas es descrito por minimizacioacuten de la energiacutea libre superficial

de la capa superior (120574119904119906119901) del sustrato (120574119904) y de la energiacutea libre de la interfase (120574119894119899119905) el cual

estaacute descrito por Δ120574 = 120574119904 minus 120574119904119906119901 minus 120574119894119899119905 (Leoacuten 2014 Aacutelvaro 2014)

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331 Modo de crecimiento capa por capa (120491120632 gt 120782)

Donde la interaccioacuten entre el sustrato y los aacutetomos de las capas es maacutes fuerte que entre los

mismos aacutetomos de las capas (Leoacuten 2014)

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas

Corresponde a un caso intermedio despueacutes de la formacioacuten de una o de muchas mono-capas

completas ocurre la formacioacuten de islas El crecimiento de islas 3D crece sobre la primera o la

uacuteltima mono capa (Leoacuten 2014 Ramiacuterez 2015)

333 Modo de crecimiento por islas (120491120632 lt 120782)

Es el caso en el que la interaccioacuten entre los aacutetomos que conforman las peliacuteculas es maacutes fuerte

(Leoacuten 2014)

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CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO

Realizar la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas sobre el sustrato requiere una cuidadosa

optimizacioacuten La siacutentesis de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se realizoacute por el meacutetodo de rociado

piroliacutetico con paraacutemetros optimizados como son la molaridad del precursor la temperatura del

sustrato la presioacuten de aire del compresor el flujo de aire y la distancia de la boquilla al sustrato

El objetivo de este trabajo de tesis fue analizar el efecto de la temperatura de recocido en un

rango de 400 minus 500 sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

En este capiacutetulo se detalla el procedimiento que se utilizoacute para la siacutentesis de las peliacuteculas

delgadas La limpieza del sustrato tambieacuten es una parte importante en la fabricacioacuten de las peliacuteculas

delgadas ya que es en donde se realizaraacute el depoacutesito y por lo tanto debe encontrarse libre de

impurezas y grasa

41 Materiales Equipos e Instrumentos

Como sustrato en donde se depositoacute la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se usoacute un vidrio

(Figura 41) con un aacuterea de 762 times 254 1198981198982

Para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol se utilizaron como precursores el Acetato de Zinc

Dihidratado [119885119899(1198621198673119862119874119874)2 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995) el Cloruro de Cobre

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dihidratado [1198621199061198621198972 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995 ) y como solvente etanol absoluto

[C2H5OH] del laboratorio Merck (998)

Para la limpieza de los sustratos se utilizoacute un agitador ultrasoacutenico (figura 42) y un horno

eleacutectrico marca Oster (119879119898aacute119909 = 400 )

Para lograr la uniformidad al momento de mezclar los materiales precursores se utilizoacute un

agitador magneacutetico (Hot Plate Stirring VWR)

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearl (Fuente Elaboracioacuten Propia)

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Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratos (Fuente Elaboracioacuten propia)

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42 Meacutetodo

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos

Para una buena deposicioacuten de la peliacutecula el sustrato a utilizar debe estar libre de impurezas

asegurando una oacuteptima adherencia

El proceso de limpieza de los sustratos empezoacute por la colocacioacuten de eacutestos en un depoacutesito que

conteniacutea agua potable y detergente marca Ariel por un tiempo de 5 minutos (Figura 43) luego se

trasladoacute a otro depoacutesito que conteniacutea aacutecido niacutetrico [1198671198731198743] al 65 durante 15 minutos en seguida

se procedioacute a enjuagarlos con agua ultrapura despueacutes se colocoacute en recipiente que conteniacutea agua

ultrapura y fueron puestos en el agitador ultrasoacutenico por 15 minutos (Figura 44) Pasado este

tiempo se retiraron los sustratos y se colocaron dentro del horno marca Oster por 10 min a 205

(Figura 45)

Figura 43 Sustratos en detergente (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenico (Fuente Elaboracioacuten propia)

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en horno (Fuente Elaboracioacuten propia)

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422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

Preparacioacuten de la solucioacuten precursora

Para la preparacioacuten de la solucioacuten se calculoacute la cantidad en gramos que debemos tener del

precursor en nuestro caso el acetato de zinc di-hidratado Para ello se utilizoacute la siguiente foacutermula

119950(119944) = 119924 times 119917119934 times 119933119952119949(119930119952119949 ) times 119927119958119955119942119963119938 120786 120783

Doacutende

m (g) Masa en gramos del precursor

M Molaridad (molLitro)

FW masa molar (gmol)

Vol (Sol) Volumen de la solucioacuten (Litros)

Pureza Porcentaje de pureza del precursor

La masa molar del acetato de zinc di-hidratado es de 21949 gmol el volumen de etanol que

se preparoacute fue 0020 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120784120783120791 120786120791

119944

119950119952119949) (120782 120782120784120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120786120785120790120789120788

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33

La masa del precursor fue medida con una balanza analiacutetica marca Mettler Toledo (plusmn01 119898119892)

ver figura 46

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica (Fuente Elaboracioacuten propia)

En un recipiente se mezclaron la masa medida del acetato de zinc di-hidratado y los 20 ml de

etanol que llamaremos mezcla 1

Para lograr uniformidad en la solucioacuten esta fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a una

temperatura de 60 durante 2 h (Figura 47) resultando transparente y homogeacutenea

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Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

La masa molar del cloruro de cobre di-hidratado es de 17048 gmol el volumen que se preparoacute

fue 0010 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120783120789120782 120786120790

119944

119950119952119949) (120782 120782120783120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120783120789120782120785120791

La masa de los precursores fue medida nuevamente con la balanza analiacutetica marca Mettler

Toledo (plusmn01 119898119892)

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En otro recipiente se combinaron la masa medida del cloruro de cobre dihidratado y los 10 ml

de etanol que llamaremos mezcla 2 luego fue colocado en el agitador magneacutetico a temperatura

ambiente durante 15 min

Despueacutes de haber agitado magneacuteticamente cada precursor en otro recipiente se colocoacute 194 ml

de la mezcla 1 y se le agregoacute 06 ml de la mezcla 2 de tal forma que se pueda tenerse una

proporcioacuten 119881119900119897119862119906

119881119900119897119885119899= 3 A esta nueva solucioacuten llamaremos mezcla 3

Para lograr uniformidad la nueva solucioacuten fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a

temperatura ambiente durante 15 min (Figura 48) para lograr su homogeneidad

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Proceso de siacutentesis

Para la obtencioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se utilizoacute el equipo de rociado

piroliacutetico que se encuentra en la seccioacuten de Nanociencia y Nanomateriales del Laboratorio de

Fiacutesica de Materiales ldquoDr Lennart Haselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo ver figura

49

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3

vol (Fuente Elaboracioacuten propia)

Este equipo de rociado piroliacutetico utilizado en la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas consiste de

los siguientes componentes Compresor de aire (1) Controlador de presioacuten en el rango de 0 ndash 80

psi (2) Controlador de flujo de aire en el rango de 1 ndash 15 Lmin (3) Caacutemara de vidrio (4)

Termoacutemetro (5) Nebulizador (6) Boquilla o Tobera (7) Platea caliente (8) Soporte universal (9)

Dispositivo moacutevil con una rapidez de 2311990910minus3 119888119898 119904frasl (10) Fuente de alimentacioacuten DC de 0 ndash 12

V (11) Fuente de alimentacioacuten AC de 0- 40 V (12) y Termocupla y controlador de temperatura en

el rango de 0 minus 500 (13)

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Sobre el nebulizador se colocoacute una tobera de vidrio piacuterex por la que ascienden las gotas maacutes

pequentildeas hasta llegar al sustrato caliente sobre el cual se produjo el proceso de piroacutelisis El

conjunto nebulizador y tobera estaacute acoplado a un dispositivo moacutevil el cual se va desplazando en

la direccioacuten del sustrato con el fin de obtener un recubrimiento uniforme

Las siacutentesis de la peliacutecula se hizo a la temperatura de 300 plusmn 10 La presioacuten del compresor

y el flujo de aire se mantuvieron a 30 119901119904119894(~207 119896119875119886) 119910 5 119871119898119894119899 respectivamente La distancia

boquilla sustrato se mantuvo a 30 cm con el fin de que el flujo nebulizado dirigido hacia la

superficie del sustrato se mantenga laminar El desplazamiento de la tobera-boquilla a lo largo del

sustrato se hizo con una rapidez aproximada de 04 mms con intervalos de 40 plusmn 05 119898119894119899 entre

cada ida y vuelta tiempo necesario para mantener la temperatura estable y mejor cristalizacioacuten del

soacutelido El nuacutemero de capas que consideramos oacuteptimas en este trabajo fue de 6 seguacuten E Noriega

(2015)

Al teacutermino del proceso el sistema compuesto peliacuteculasustrato se dejoacute enfriar lentamente dentro

de la caacutemara hasta la temperatura ambiente por 15 horas con el fin de lograr una buena

cristalizacioacuten

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol

Para el tratamiento teacutermico se dividioacute el sustrato que conteniacutea la peliacutecula en 4 partes usando

una como muestra testigo (300 ) y las tres restantes sometieacutendolas por dos horas de

mantenimiento a las temperaturas de recocido de 400 450 119910 500 El horno donde se hizo el

recocido fue un Horno eleacutectrico Marca Brasimet ver figura 410 con una incertidumbre de plusmn5

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la figura 411 se puede ver un diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas

delgadas de ZnO Cu 3 vol

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Figura 411 Diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten

Para caracterizar las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol se emplearon las teacutecnicas de

difraccioacuten de rayos X (DRX) para determinar el tamantildeo del cristalito y la estructura la

espectrofotometriacutea ultravioleta visible (UV-Vis) para determinar la transmitancia absorbancia y

energiacutea del gap y por el uacuteltimo se utilizoacute el Microscopio de Fuerza Atoacutemica (AFM) para

determinar la morfologiacutea y rugosidad A continuacioacuten se describiraacuten brevemente estas teacutecnicas

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX)

La difraccioacuten de rayos X es una teacutecnica de caracterizacioacuten que sirve para analizar espectros

relacionados con la estructura de los materiales que son la constante de red estructura cristalina

identificacioacuten de materiales orientacioacuten de monocristales y orientaciones preferenciales de

policristales Los rayos X se caracterizan porque su longitud de onda variacutea de 01 minus 100 Å (Rayos

X fluorescencia online) En la figura 412 se puede ver un esquema de difraccioacuten de rayos X

basado en la ley de Bragg

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos x (Fuente Rojas)

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Cuando un haz de rayos X de una longitud de onda especiacutefica del mismo orden de magnitud de

las distancias interatoacutemicas del material llega a este los rayos X se dispersan en todas las

direcciones La mayor parte de la radiacioacuten dispersada por un aacutetomo anula la radiacioacuten dispersada

en otros aacutetomos Los rayos X que llegan a ciertos planos cristalograacuteficos formando aacutengulos

especiacuteficos con ellos se refuerzan en lugar de aniquilarse a este fenoacutemeno se llama difraccioacuten

Los rayos X se difractan o el haz se refuerza cuando las condiciones satisfacen la Ley de Bragg

119852119842119847 120637 =119951120640

120784119941119945119948119949 120786 120783

Donde 120579 es la mitad del aacutengulo que forman el haz difractado y el haz original n es el orden de

difraccioacuten 120582 es la longitud de onda de los rayos X 119889ℎ119896119897 es la distancia interplanar que produce

refuerzo del haz ℎ119896119897 son los iacutendices de Miller (Askeland 1998) La difraccioacuten ocurre siempre y

cuando se satisfaga la ley de Bragg por lo que no necesariamente cualquier direccioacuten arbitraria

produciraacute difraccioacuten

La informacioacuten obtenida se presenta en un graacutefico de intensidad en funcioacuten de 2120579 llamado

patroacuten de difraccioacuten Cada sustancia produce siempre un patroacuten de difraccioacuten caracteriacutestico

independientemente de que si se encuentra en un estado puro o formando parte de una mezcla de

sustancias (Askeland 1998)

Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

fueron obtenidos con el difractoacutemetro RIGAKU Miniflex-600 que opera en la geometriacutea Bragg-

Brentano donde la radiacioacuten 119862119906 119896120572 (120582 = 15406 Aring) fue utilizada como fuente de rayos X El

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equipo operoacute a 30 KV de voltaje y 10 mA de corriente el barrido se realizoacute en un aacutengulo de 2120579

con rango desde 20deg a 70deg con velocidad de escaneo de 5 deg119898119894119899

La identificacioacuten de los picos de difraccioacuten se comparoacute con la base de datos Card info 00-900-

8877 de la Crystallography Open Database mostrado en el anexo A

La distancia interplanar se calculoacute con la ley de Bragg para el primer orden (n=1) de difraccioacuten

de acuerdo a la ecuacioacuten 41 tendriacuteamos

119837 =120640

120784 119852119842119847 120637 120786 120784

En donde 120579 es el aacutengulo de incidencia y 120582 = 15405981 Aring

Paraacutemetros de red

Para identificar la constante de red c de la estructura de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se tomoacute

en cuenta la estructura hexagonal wurtzita cuya distancia interplanar estaacute relacionada con los

iacutendices de Miller de los planos (hkl) y las constantes de red a y c a traveacutes de la ecuacioacuten 43

(Askeland 1998) y con el tamantildeo de cristalito (119863)

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784 120786 120785

A partir de la ecuacioacuten 43 es posible determinar los paraacutemetros de la red cristalina Cuando se

incide sobre un cristal muy pequentildeo del orden de nanoacutemetros se produce un ensanchamiento del

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pico de difraccioacuten esto permite determinar el tamantildeo promedio del cristal (119863) por medio de la

ecuacioacuten de Scherrer (Gurumurugan amp Mangalaraj 1995)

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637 120786 120786

Donde D es el tamantildeo del cristalito K es el factor de forma (K=09 para esferas) 120582 es la longitud

de onda de los rayos X (120582 = 15405981 Aring ) 120573 es el ancho completo de la mitad del maacuteximo y se

encuentra en radianes por lo tanto hay que convertir los valores de (FWHM) que se encuentran en

grados multiplicaacutendolos por 120587 180degfrasl y 120579 es el aacutengulo de Bragg

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectrometriacutea UV-Vis se basa en la absorcioacuten de radiacioacuten UV o visible por parte de las

moleacuteculas y se emplea para analizar muestras en fase liacutequida o soacutelida La espectrometriacutea de

absorcioacuten implica la medida de la fraccioacuten de la luz de una longitud de onda que pasa a traveacutes de

una muestra la figura 413 muestra la geometriacutea del equipo la muestra no emite luz por siacute misma

por lo que se debe incluir una fuente de radiacioacuten El paso de la luz a traveacutes de un monocromador

o un filtro selecciona la longitud de onda para el anaacutelisis (Hernaacutendez 2014)

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Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vis (Fuente Hernaacutendez)

Durante el anaacutelisis de la muestra se hacen dos mediciones en la primera se mide la cantidad de

luz en funcioacuten de la longitud de onda que llega al transductor cuando se ha colocado un blanco

(vidrio) Se denomina 1198680 del blanco cuando la concentracioacuten del material analizado es cero

La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras (vidrio + peliacutecula) con la

medida del blanco (vidrio) Llamamos 119868 a la intensidad que se mide con las muestras o con el

estaacutendar La comparacioacuten que se hace implica la relacioacuten 1198681198680 con ambas intensidades medidas

en las mismas condiciones del instrumento (longitud de onda geometriacutea) Se utilizan tres teacuterminos

diferentes para expresar esta relacioacuten

El primero es simplemente la relacioacuten 1198681198680 y se denomina Transmitancia que es denotada por

la letra T

119931 =119920

119920120782 120786 120785

El segundo es el porcentaje de transmitancia

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119931 = 119931 lowast 120783120782120782 120786 120786

El tercero es el logaritmo negativo de T que se denomina Absorbancia y se denota con la letra

A

119912 = minus 119845119848119840119920

119920120782= minus 119845119848119840 119931 120786 120787

Para la determinacioacuten del ancho de banda de energiacutea prohibida la energiacutea del gap (119864119892) es

determinada del espectro experimental del coeficiente de absorcioacuten (120572) como una funcioacuten de la

energiacutea del fotoacuten (ℎ120592)

En los materiales de gap directo como el ZnO se utiliza la siguiente ecuacioacuten

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ

es la constante de Planck 120584 es la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

En una graacutefica (120572ℎ120584)2 119907119904 ℎ120584 el ajuste a una recta de la parte proacutexima a 120572 = 0 el intercepto

para la ordenada nula es el valor de la energiacutea prohibida Esta recta tiene una expresioacuten de la forma

119910 = 119898119909 + 119887 lo que se tiene que buscar es el valor de 119909 para 119910 = 0 esto es 119909 = minus119887119898

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La conversioacuten de la energiacutea del fotoacuten en funcioacuten de la longitud de onda se realiza mediante la

constante de Planck(ℎ) y la de la velocidad de la luz (119888) La frecuencia del fotoacuten se relaciona con

la longitud de onda a traveacutes de la siguiente ecuacioacuten

119940 = 120642120640 120786 120789

Entonces la energiacutea del fotoacuten se puede escribir en funcioacuten de la longitud de onda como

119916 =119945119940

120640 120786 120790

Por lo tanto la energiacutea del fotoacuten puede calcularse como 12398

120582(119899119898) Aplicando al caso del ZnO se

adquieren los valores de la longitud de onda y la transmitancia del vidrio y la medida se divide la

transmitancia medida entre la del vidrio para obtener la transmitancia de la peliacutecula Se transforma

la transmitancia en coeficiente de absorcioacuten y la longitud de onda en energiacutea (H Bubert amp Jenett

2002)

Los anaacutelisis de absorbancia y transmitancia para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con

tratamiento de recocido se realizaron con el espectroacutemetro UV-Vis marca Analytik Jena Modelo

Specord Plus 250 y con un barrido de longitud de onda de 300 nm a 800 nm

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443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)

Este meacutetodo inventado en 1985 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer pertenece al grupo de

teacutecnicas de microscopiacutea de fuerza de barrido un grupo de teacutecnicas que estaacuten basadas en la

medicioacuten de diferentes fuerzas como son la fuerza atractiva la gravitatoria la repulsiva la

magneacutetica la de Van Der Walls y la electrostaacutetica esta medicioacuten es hecha entre la punta fina y la

superficie de la muestra

La formacioacuten de la imagen se lleva a cabo mediante la medicioacuten de la fuerza de interaccioacuten a

traveacutes de la deflexioacuten de un cantileacutever Aunque diversos tipos de fuerzas se encuentran cuando una

punta se aproxima a la superficie de la muestra la generacioacuten de la sentildeal en el AFM se basa

esencialmente en fuerzas repulsivas interatoacutemicas que son de naturaleza de corto alcance

En el caso ideal se puede asumir ver figura 414 lo que significa que el contacto directo de la

punta con la superficie se la muestra se limita a un aacuterea muy pequentildea Como resultado de esto

siempre hay una fuerza repulsiva interatoacutemica en esta pequentildea aacuterea de contacto debido a la

penetracioacuten de las capas electroacutenicas de los aacutetomos de la punta y los de la superficie de la muestra

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Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del sustrato (Fuente Rojas)

La fuerza repulsiva interatoacutemica estaacute influenciada por la densidad total de electrones alrededor

de un aacutetomo y no soacutelo por los estados particulares de la energiacutea La interaccioacuten entre la punta y la

muestra puede ser descrita por una graacutefica fuerza vs distancia esta graacutefica mostrada en la figura

415 permite ver los cambios de fuerza cuando la punta se acerca a la muestra si hay una gran

separacioacuten no hay interaccioacuten por lo tanto la fuerza seriacutea cero (en la liacutenea entre 1 y 2 no habriacutea

fuerzas electrostaacuteticas) En la posicioacuten 2 la punta pasa a estar en contacto debido a la fuerza

atractiva de Van Der Walls como la punta se mueve hacia la muestra entonces la fuerza total que

actuacutea sobre el cantileacutever es repulsiva Cuando la punta es arrastrada sobre la muestra las fuerzas

se reducen a lo largo de la liacutenea pasando de la posicioacuten 3 a la posicioacuten 4

Por debajo de la liacutenea de fuerza del diagrama dicha fuerza que actuacutea sobre el cantileacutever se

vuelve atractiva debido a la adhesioacuten En el punto 4 la fuerza es de adhesioacuten y la carga del

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cantileacutever apenas estaacute equilibrada la punta es tirada hacia afuera de la superficie debido a las

fuerzas de repulsioacuten

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta con la superficie del

sustrato (Fuente Rojas)

Modos de trabajo de un microscopio de fuerza atoacutemica

El AFM puede funcionar en distintos arreglos o modos experimentales estos modos se dividen

baacutesicamente en dos grupos modos de contacto continuo y modos dinaacutemicos Los modos de

contacto continuo fueron los primeros utilizados en los antildeos tempranos del AFM y su uso apenas

insinuaba la resolucioacuten nanomeacutetrica de la que el instrumento era capaz El meacutetodo dinaacutemico de

maacutes uso es el meacutetodo de contacto intermitente o tapping mode (Loacutepez y Solares 2014)

Modo contacto

El modo contacto es el disentildeo experimental maacutes simple en este modo la punta de la sonda se

encuentra en contacto perpetuo con la muestra por lo que tambieacuten es llamado modo estaacutetico La

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figura 416 muestra el funcionamiento del AFM en modo contacto Durante la toma de imaacutegenes

en modo contacto la variable control es la deflexioacuten de la micropalanca (anaacutelogo a la compresioacuten

o estiramiento de un resorte) La variable control es mantenida constante por medio de un circuito

de retroalimentacioacuten (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemica (Fuente Loacutepez y Solares)

El escaacutener sobre el que descansa la muestra se encarga de moverla con respecto a la

micropalanca en direccioacuten ldquoxyrdquo para realizar distintas liacuteneas de escaneo La micropalanca al

interactuar con la muestra sufre una deflexioacuten proporcional a la fuerza de interaccioacuten con la

superficie obedeciendo a la ley de Hooke (ecuacioacuten 49) En este circuito la sentildeal de deflexioacuten es

leiacuteda en el fotodetector y transmitida a la caja electroacutenica donde se compara el valor actual con el

punto de ajuste (setpoint) De acuerdo a esa diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal de salida

al escaacutener para ajustar la posicioacuten en el eje ldquozrdquo de la muestra si fuera necesario para mantener la

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variable control constante Como consecuencia de las exploraciones en ejes ldquoxyrdquo asiacute como los

cambios en ldquozrdquo se genera una imagen topograacutefica de la superficie de la muestra estudiada (Loacutepez

y Solares 2014)

= 119948119963∆119937 120786 120791

Donde

Fuerza arbitraria de magnitud F

∆119937 Compresioacuten del resorte

119948119963 Constante elaacutestica

Modo contacto intermitente

Eacuteste meacutetodo es comuacutenmente conocido como ldquotapping moderdquo en ingleacutes es el meacutetodo maacutes baacutesico

de los meacutetodos dinaacutemicos ademaacutes es el meacutetodo maacutes frecuente utilizado en AFM En este meacutetodo

la micropalanca se hace vibrar con amplitudes en el rango nanomeacutetrico (aproximadamente entre 5

y 200 nm) razoacuten por la que se le conoce como una teacutecnica de amplitudes ldquograndesrdquo El teacutermino

ldquograndesrdquo es relativo cuando se compra a otras teacutecnicas dinaacutemicas en la que la micropalanca puede

vibrar en el rango de los angstroms como en el caso de modulacioacuten de frecuencia en alto vaciacuteo

(Gross et al 2009)

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El AFM de contacto intermitente funciona con un circuito que controla la amplitud y se encarga

de mantenerla a un valor preestablecido (setpoint) En el circuito de modulacioacuten de amplitud ver

figura 417 la amplitud es calculada internamente con los valores de pendiente de la micropalanca

que lee el fotodetector Luego esa amplitud se compara con el valor preestablecido de amplitud y

si existe una diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal al escaacutener este se encarga de hacer la

correccioacuten en el eje ldquozrdquo para poder alcanzar el valor preestablecido y de esta forma mantener la

variable control (amplitud) constante Al igual que el meacutetodo de contacto las exploraciones en

ejes ldquoxyrdquo asiacute como los cambios en el eje ldquozrdquo generan una imagen topograacutefica de la superficie

estudiada (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitente (Fuente Loacutepez y Solares)

Los cambios topograacuteficos generan cambios en la amplitud de oscilacioacuten Por ejemplo si la

micropalanca se encuentra con una protuberancia la amplitud de la punta se veraacute reducida

temporalmente luego para compensar por esa peacuterdida de amplitud el escaacutener recibiraacute a traveacutes del

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circuito la sentildeal para mover la muestra hacia abajo con el objetivo de mantener la amplitud

preestablecida (setpoint) Es importante mencionar que en este modo se escoge una amplitud en el

experimento correspondiente a una fraccioacuten de la amplitud libre ver figura 417) Tanto la

amplitud libre de la punta como la fraccioacuten de la amplitud libre se escogen durante el experimento

la eleccioacuten de estos paraacutemetros antildeade complejidad si lo comparamos con el modo contacto donde

el usuario uacutenicamente se preocupa de una variable que es la deflexioacuten de la micropalanca (Loacutepez

y Solares 2014) Es por ello que en general el aumento del grado de sofisticacioacuten del meacutetodo en

AFM permite la recopilacioacuten de mayor informacioacuten pero al mismo tiempo requiere de mayor

juicio conocimiento y experiencia del usuario

Existen ecuaciones que sirven para determinar los distintos paraacutemetros de rugosidad de las

muestras a analizar de las cuales soacutelo se usaron dos en este trabajo de tesis que son

Desviacioacuten Promedio

119929119938 =120783

119951 sum|119962119946|

119951

120783

120786 120783120782

Desviacioacuten Estaacutendar

119929119954 = radic120783

119951 sum 119962119946

120784

119951

120783

120786 120783120783

Donde

119962119946 Distancia vertical desde la liacutenea principal hasta el i-eacutesimo punto de dato

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119951 Orden de los perfiles de rugosidad

119929119938 Desviacioacuten Promedio (Rugosidad Media)

119929119954 Desviacioacuten Estaacutendar (Rugosidad Cuadraacutetica Media)

Los anaacutelisis de rugosidad de las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

se realizaron con el equipo de Microscopiacutea de fuerza atoacutemica marca Bruker y modelo Dimension

Edge V-T 102

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CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

51 Difraccioacuten de Rayos X

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano

En la figura 51 se observan los picos de difraccioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

sintetizada a 300 y de las recocidas a las temperaturas de 400 450 119910 500 respectivamente

Los picos de difraccioacuten teoacutericos se encuentran en el anexo A Todas las muestras presentan

naturaleza policristalina y estructura hexagonal wurtzita con una clara orientacioacuten preferencial en

el plano (002) no se presentaron picos caracteriacutesticos del cobre debido al bajo porcentaje de

dopaje La intensidad del pico del plano (002) en las peliacuteculas sometidas a temperaturas de

recocido son mayores en comparacioacuten a la de la peliacutecula sin recocido presentando el mayor pico

a 450 mientras que el plano (100) aparece uacutenicamente en la peliacutecula recocida a 400 S

observoacute una disminucioacuten del tamantildeo del cristalito con la primera temperatura de recocido de alliacute

en adelante fue aumentando en cambio el paraacutemetro de red c fue disminuyendo con la temperatura

de recocido Todo esto puede ser quizaacutes a la sustitucioacuten de iones de cobre en los sitios del zinc

ingreso de iones de cobre a los intersticios (ya que el radio ioacutenico del zinc es casi del mismo tamantildeo

que el del cobre) o vacancias de iones de zinc u oxiacutegeno produciendo una deformacioacuten en la red

seguacuten Filali Torchynska Diacuteaz amp Morales (2015) Si iones Cu1 sustituyen a iones Zn2 en la

estructura cristalina existe un incremento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como

se observa en las peliacuteculas recocidas a 450 119910 500 pero si es el ion Cu2 el que sustituye a iones

Zn2 se observa un decrecimiento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como sucede en

las peliacuteculas de 300 400 119910 450

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Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con recocido (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la tabla 1 se muestran los valores calculados para el aacutengulo de Bragg del plano (002) la

distancia interplanar el paraacutemetro c el ancho completo de la mitad del maacuteximo y el tamantildeo del

cristalito

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Tabla 1

Tabla de valores para las propiedades estructurales

Datos obtenidos mediante DRX y caacutelculos (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra

120784120637(deg)

119941119945119948119949(Aring)

119836 (Aring)

FWHM 119811 (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3441 2604 5208 03221 2582

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 3448 2599 5198 04430 1878

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 3463 2588 5176 03161 2633

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 3458 2592 5184 02847 2923

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En la figura 52 se observa la relacioacuten entre el tamantildeo del cristalito y la temperatura de recocido

el recocido a 400 no fue suficiente para lograr aumentar el tamantildeo del cristalito es por eso que

disminuye considerablemente a partir de alliacute aumenta a medida que lo hace la temperatura

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica

521 Morfologiacutea y rugosidad

La figura 53 a-d muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas tomadas en AFM en dos

dimensiones barridas en un aacuterea de 5120583119898 119909 5120583119898 La superficie de las peliacuteculas no son homogeacuteneas

son rugosas con tamantildeo de grano variable Para a) se observa que el crecimiento del grano se dio

en forma de montantildeas en b) el crecimiento del grano cambioacute draacutesticamente y se dio en forma de

espiral esto puede ser debido al reordenamiento de los aacutetomos que se dio al someter la peliacutecula a

la temperatura de recocido para c) mejoroacute la cristalinidad y la forma de crecimiento fue

nuevamente como montantildea esto concuerda con el aumento del valor del tamantildeo del cristalito y

para d) la cristalinidad volvioacute a mejorar en concordancia con el tamantildeo del cristalito que aumento

un poco maacutes Esto es debido a que el incremento del tamantildeo del cristalito causa un aumento en la

rugosidad seguacuten Saidani et al (2006)

Para cada peliacutecula se hicieron tres mediciones en diferentes zonas para determinar los

paraacutemetros de rugosidad siendo sus valores promedio Rugosidad Promedio (119877119886) 000611 120583119898 y

la Rugosidad Cuadraacutetica Media (119877119902) 0007843 120583119898 que son mostrados en la tabla 2

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Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 ordmC c) rec a 450 ordmC

y d) rec a 500 ordmC (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la figura 54 a b c y d se muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas ahora en tres

dimensiones en estas imaacutegenes se observa mucho mejor el cambio de la cristalinidad y la

morfologiacutea para cada peliacutecula la rugosidad (Ra) aumenta en funcioacuten de la temperatura de recocido

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 c) rec a 450 y

d) rec a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

En la tabla 2 se han registrado los valores de la rugosidad media (Ra) y la rugosidad cuadraacutetica

media (Rq) para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

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Tabla 2

Tabla de valores de las rugosidades

Datos obtenidos mediante el software del equipo de afm (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra 119929119954 (120641119950) 119929119938 (120641119950)

ZnOCu 3 vol sin recocido 0007843 0006110

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 0006960 0005336

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 0011033 0008840

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 0011933 00095733

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En la figura 55 se observa la rugosidad media (Ra) en funcioacuten de la temperatura de recocido

con lo cual se puede confirmar que a medida que aumenta la temperatura de recocido aumenta la

rugosidad de la peliacutecula a partir de 400

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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53 Espectrometriacutea UV-Vis

531 Transmitancia

En la figura 56 se observan los espectros de transmitancia oacuteptica de las peliacuteculas delgadas de

ZnOCu 3 vol sintetizadas por el meacutetodo de rociado piroliacutetico a 300 ordmC y las sometidas a

temperaturas de recocido de 400 ordmC 450 ordmC y 500 ordmC obtenidas por espectrofotometriacutea UV-Vis

en el rango de longitudes de onda de 300 a 750 nm

Las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin recocido y con recocido presentan alta

transmitancia (gt80) esto se debe al dopaje con cobre seguacuten Bunyod Allabergenov et al (1946)

La muestra recocida a 500 ordmC presenta la mayor transmitancia (gt80) en el rango de 500 a 600

nm

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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532 Absorbancia y energiacutea del gap

En la figura 57 se puede ver el espectro de absorbancia para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol

sin y con recocido

El pico de absorbancia para todas las peliacuteculas se tiene aproximadamente en 375 nm luego

decae hasta hacerse casi nula para todas las peliacuteculas esto se debe al dopaje con cobre seguacuten

Bunyod Allabergenov (1946)

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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Se utilizoacute el modelo de Tauc para calcular la energiacutea del gap en cada peliacutecula El dopaje con

cobre disminuyoacute la energiacutea del gap a 3256 eV comparaacutendola con el valor teoacuterico (337 eV)

mientras que al someter las peliacuteculas a temperaturas de recocido se observa que el valor de la

energiacutea del gap cambia ligeramente siendo 3256 3263 y 3257 eV para las peliacuteculas recocidas a

400 450 119910 500 respectivamente a diferencia de lo reportado por Mathew (2015) esto se deba

quizaacutes a que la cantidad de cobre no fue la suficiente para lograr la disminucioacuten de la energiacutea del

gap

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para la peliacutecula recocida a

400 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y derecha para la peliacutecula

recocida a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la tabla 3 se han registrado los valores de la energiacutea del gap para las muestras sin y con

recocido de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol

Tabla 3

Tabla de valores de la Energiacutea del Gap

Datos obtenidos usando la relacioacuten de Tauc (Fuente Elaboracioacuten Propia)

Muestra Energiacutea del Gap (eV)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 400 deg119914 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 450 deg119914 3263

ZnOCu 3 vol recocido a 500 deg119914 3257

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CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES

bull Utilizando la teacutecnica de rociado piroliacutetico se obtuvo la peliacutecula delgada de ZnOCu

3 vol siendo la temperatura de siacutentesis de 300ordmC sobre un sustrato de vidrio marca

Pearl

bull Los patrones de difraccioacuten de rayos X nos ayudaron a determinar los picos de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol obtenieacutendose como resultado

un crecimiento preferencial en la direccioacuten del plano (002) siendo la muestra recocida

a 450 ordmC la que presentoacute el pico maacutes elevado Esto es caracteriacutestico de la estructura

hexagonal wurtzita

bull El tamantildeo del cristalito aumenta a medida con la temperatura de recocido a partir de

400 ordmC

bull El paraacutemetro c disminuye a medida que aumenta la temperatura de recocido

bull Las imaacutegenes obtenidas por AFM muestran que la rugosidad media (Ra) de las

peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol aumentaron a medida que aumenta la

temperatura de recocido a partir de 400 ordmC

bull La espectrofotometriacutea UV-Vis revela que todas las muestras de ZnOCu 3 vol

presentan alta transmitancia (gt80) a partir de 400 nm hasta los 750 nm siendo la

muestra recocida a 500ordmC la que presenta mayor transmitancia (gt90) en el rango de

500 a 600 nm

bull La absorbancia a partir de 400 nm es casi nula en todas las muestras

bull La energiacutea del gap se mantiene casi constante con la temperatura de recocido

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CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS

bull Se sugiere incrementar el nuacutemero de capas de la peliacutecula delgada ya que se si bien es

cierto que si se pudieron observar los patrones de difraccioacuten estos presentan ruido en

su graacutefica y se cree que esto puedo mejorar haciendo maacutes gruesa la peliacutecula

bull Se sugiere incrementar el rango de temperaturas de recocidos para poder obtener maacutes

detalles acerca de la influencia de eacutesta temperatura en las propiedades que se quieran

analizar de las peliacuteculas delgadas

bull Se sugiere realizar el dopaje con otros porcentajes de cobre para obtener maacutes

informacioacuten acerca de la influencia de esto en las propiedades a estudiar

bull Se sugiere calcular los esfuerzos por deformacioacuten

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REFERENCIAS

Acosta D R y Magantildea C R (2012) Oacutexidos conductores transparentes (119885119899119874 minus 1198781198991198742) Para

Remediacioacuten Ambiental Por Procesos Fotocataliacuteticos Muestra de proyectos ambientales

de tu ciudad Instituto de Fiacutesica de la Universidad Nacional Autoacutenoma de Meacutexico

Meacutexico DF

Alamri S N y Brinkman W A (2000) The effect of the transparent conductive oxide on the

performance of thin film CdSCdTe Solar cells J Phys D Appl Phys 33(1)

Aacutelvaro A D (2014) Estudio de Peliacuteculas Delgadas de 1198821198743 depositadas por la teacutecnica de

Sputtering Reactivo (tesis de pregrado) Cimav Chihuahua Meacutexico

American Society For Testing Materials Copper and Copper Alloys Annual Book of ASTM

Standards Vol21 (2) (ASTM International West Conshohocken PA) Revisado

anualmente

Askeland D (1998)Ciencia e Ingenieriacutea de los MaterialesUsa Thomson

Bedia F Z Bedia A N Maloufi N Aillerie M Gent F y Benyoucef B (2014) Effect

of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray

pyrolysis technique Journal of Alloys and Compounds 616 312ndash318

Benharrats F Zitouni K Kadri A y Gil B (2010) Determination of piezoelectric and

spontaneous polarization fields in CdxZn1ndashxOZnO quantum wells grown along the polar

(0001) direction Superlattices and Microstructures 47 592ndash596

Bubert H y Jenett H (2002) Surface and Thin Films Analysis Alemania Wiley

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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BIBLI

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

72

Bunyod A Oybek T Amir I A Jeong S W y Sungjin K (1946) Study of optical

properties in cu-doped zno thin films fabricated by dc magnetron sputtering Kumoh

National Institute of Technology (KIT) Metallkunde 37 40-4

Caglar Y Aksoy S Ilican S y Caglar M (2009) Crystalline structure and morphological

properties of undoped and Sn doped ZnO thin films Superlattices and Microstructures

46 469-475

Crystallography Open Database (2018) Recuperado de

httpwwwcrystallographynetcod1011258html

Deinert J (2016) Zinc Oxide Surfaces and Interfaces Electronic Structure and Dynamics of

Excited States (tesis postdoctoral) Department of Physics Technische Universitaumlt

Berlin Berlin Alemania

Filali B E Torchynska T V Diacuteaz C A y Morales R M (2015) Structural and raman

scattering studies of ZnO Cu nanocrystals grown by spray pyrolysis Revista Mexicana

de Ingenieriacutea Quiacutemica 14(3) 781-788

Gross L Mohn F Liljeroth P Repp J Giessibl FG y Meyer G (2009) Measuring the

charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy Science 324(5933)

1428-1431

Gurumurugan y Mangalaraj (1995) Structural Characterization of zinc oxide thin films

deposited by sol-gel Journal of Crystal Growth 147 335-360

Hafdallah A Herissi I Chergui N Kebaili Z Aida M y Attaf N (2018) Structural and

optical properties of ZnO thin films deposited by pyrolysis spray method effect of Al

doping Nanotechnology Letters

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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BIBLI

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

73

Hernaacutendez S S (2014) Preparacioacuten y Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de ZnO y

ZnOAl por la teacutecnica de Rociacuteo Piroliacutetico Para su Aplicacioacuten en Celdas Solares (tesis de

maestriacutea) Instituto Politeacutecnico Nacional Altamira Meacutexico

Hirata G A McKittrick J Siqueiros J Loacutepez O A Cheeks T Contreras O y Yi J Y

(1996) High transmittance-low resistivity ZnOGa films by laser ablation Journal of

Vacuum Science amp Technology A Vacuum surfaces and films 14(3) 791-794

Jeong S H Park B N Yoo D G y Boo J H (2007) Al-ZnO thin films as transparent

conductive oxides synthesis characterization and application tests Journal of the

Korean Physical Society 50(3) 622-625

Jijoy P M Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties of

Transition Metal Doped ZnO Thin Films IOP Conf Series Materials Science and

Engineering 731-5 doi 1010881757-899X

Kane J Schweizer H P y Kern W (1976) Chemical Vapor Deposition of Antimony-Doped

Tin Oxide Films Formed from Dibutyl Tin Diacetate Journal of the Electrochemical

Society 126(2) 270-277

Koumllble Ch Greiner D Klaer J Klenk R Meeder A y Ruske F (2009) DC reactive

sputtering of aluminum doped zinc oxide films for solar modules controlled by target

voltage Thin Solid Films 520 1913-1917

Leoacuten L H (2014) Efecto de la temperatura de recocido en la resistividad eleacutectrica de las

peliacuteculas de SnO2 sintetizadas por rociado piroliacutetico (tesis de pregrado) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

74

Liu H Avrutin V Izyumskaya N Oumlzguumlr Uuml y Morkoccedil H (2010) Transparent conducting

oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices Superlattices

and Microstructures 48 458ndash484

Loacutepez W Castro P Molina J y Arbey J (2011) Estabilidad y estructura electroacutenica del

ZnO Revista Colombiana de Fiacutesica 43 (I)

Loacutepez G Morales R Olea O Saacutenchez V Trujillo J Varela V y Vilchis A (2013)

Nanoestructuras metaacutelicas Siacutentesis caracterizacioacuten y aplicaciones Meacutexico DF

Meacutexico Reverteacute

Loacutepez E A y Solares S D (2014) El microscopio de fuerza atoacutemica meacutetodos y aplicaciones

Revista 28 de la Universidad del Valle de Guatemala 14-23

Mathew J P Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties

of Transition Metal Doped ZnO Thin Films Mat Sci and Eng 73 1-5

Minami T (2008) Present status of transparent conducting oxide thin-film development for

Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes Thin Solid Films 516 5822-5828

Mizuhashi M (1980) Electrical properties of vacuum-deposited indium oxide and indium tin

oxide films Thin Solid Films 70(1) 91-100

Mooney J B amp Rading S B (1982) Spray Pyrolysis Processing Annual Reviews of

Materials Science 12 81-101

Noriega D E (2015) Efecto de la temperatura del sustrato en los esfuerzos residuales de las

peliacuteculas de ZnO sintetizadas por Rociado Piroliacutetico (tesis de Maestriacutea) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

Pan C A y Ma T P (1980) High-quality transparent conductive indium oxide films

prepared by thermal evaporation Applied Physics Letter 37(2) 163

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ICAS

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AS

75

Peacuterez M L (2005) Fabricacioacuten y Caracterizacioacuten Oacuteptica Estructural y Eleacutectrica de Peliacuteculas

Delgadas Transparentes de Oacutexidos de Estantildeo Circonio y Zinc (tesis de doctorado)

Instituto Politeacutecnico Nacional Meacutexico DF Meacutexico

Rahmani M B Keshmiri S H Shafiei M Latham K Wloarski W Plessis J du y

Kalantar-Zadeh K (2009) Transition from n- to p- Type of Spray Pyrolysis Deposited

Cu Doped ZnO Thin Films for NO2 Sensing ASP 7 1-8

Ramiacuterez C M (2015) Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de 119885119899119874 1198661198863+ Obtenidas Por La

Teacutecnica de Sol-Gel (tesis de pregrado) Universidad Tecnoloacutegica de la Mixteca

OaxacaMeacutexico

Rojas F S (2013) Influencia de la temperatura de recocido de las peliacuteculas de ZnO

compuestas con nanopartiacuteculas de Au sobre el crecimiento de Nanorods (tesis de

pregrado) Universidad Nacional de Trujillo Trujillo La Libertad Peruacute

Rozati S M (2008) Effect of film thickness on the physical properties of ZnOAl thin films

deposited using a spray pyrolysis technique Canadian J Phys 86 379ndash382

Ruumlcker N y Becker K J (1978) Life stability of transparent semiconducting oxide films

deposited onto cold substrates Thin Solids Films 53(2) 163-167

Sahay PP y Nath RK (2008) Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG)

sensors Sensors and ActuatorsB(133) 222ndash227

Saidani T Zaabat M Aida M S Benoboud A Benzitouni S y Boudine A (2014)

Influence of annealing temperature on the structural morphological and optical properties

of Cu doped ZnO thin films deposited by the sol-gel method Superlattices and

Microstructures 75 47-53

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76

Ghandi S K Field R J y Shealy J R (1980) Highly oriented zinc oxide films grown by the

oxidation of diethylzinc Applied Physics Letters 37(5) 449

Waal H y Simons F (1981) Tin oxide coatings Physical properties and applications Thin

Solid Films 77 253-258

Wang L Zhang X Zhao S Zhou G Zhou Y y Qi J (2005) Synthesis of well-aligned

ZnO nanowires by simple physical vapor deposition on c-oriented ZnO thin films without

catalyst or additives App Phy Lett 86(2)

Wolgamott J C (2017) Analysis of Zinc Oxide Thin Films Synthesized by Sol-Gel via Spin

Coating (tesis de maestriacutea) The University of Wisconsin-Milwaukee USA

Yan Y Al-Jassim M M y Wei S (2006) Doping of ZnO by group-IB element Applied

Physics Letters 89

Zhon L W (2004) Nanostructures of Zinc Oxide Materials today 7 26-33

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ANEXOS

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ANEXO A

Valores Teoacutericos Del Zno

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnO (Fuente En liacutenea)

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ANEXO B

Caacutelculo de la distancia interplanar

La distancia interplanar fue calculada a partir de la Ley de Bragg

119941 =120640

120784 119852119842119847 120637

Doacutende d es la distancia interplanar 120582 es la longitud de onda de rayos X (15405981 A) y 120579 es

el aacutengulo de Bragg

Se tomoacute como plano de referencia el (002)

Para la muestra sin tratamiento de recocido el aacutengulo fue 2120579 = 3441deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120782120787deg

119941 = 120784 120788120782120786 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3448deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120786deg

119941 = 120784 120787120791120791 119808

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80

Para la muestra recocida a 450deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3463deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120785120783120787deg

119941 = 120784 120787120790120790 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3458deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120791deg

119941 = 120784 120787120791120784 119808

Caacutelculo del paraacutemetro c

El paraacutemetro de red C fue calculado para cada muestra con la foacutermula

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784

Doacutende h=k=0 y l=2 reemplazando estos datos tenemos

119940 = 119949 119941119945119948119949

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81

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119940 = (120784)120784 120788120782120786 119808

119940 = 120787 120784120782120790 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120791 119808

119940 = 120787 120783120791120790 119808

Para la muestra recocida a 450deg119862

119940 = (120784)120784 120787120790120790 119808

119940 = 120787 120783120789120788 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120784 119808

119940 = 120787 120783120790120786 119808

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82

Caacutelculo del tamantildeo de grano

Para calcular el tamantildeo del cristalito se utilizoacute la ecuacioacuten de Debye-Scherrer

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637

Doacutende K es la constante que es 09 para partiacuteculas esfeacutericas 120582 es la longitud de onda de los

rayos X (15405981 A) 120573 es la mitad del ancho del maacuteximo (FWHM) pico que para nuestro caso

fue el que correspondiacutea al plano (002) y estaacute dado en radianes y 120579 es el aacutengulo de Bragg

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120788120784120783) 119836119848119852 120783120789 120784120782120787deg119808

119915 = 120784120787 120790120784 119951119950

Para la muestra recocida a 400deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120789120789120785120783) 119836119848119852 120783120789 120784120786deg119808

119915 = 120783120790 120789120790 119951119950

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83

Para la muestra recocida a 450deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120787120783120789) 119836119848119852 120783120789 120785120783120787deg119808

119915 = 120784120788 120785120785 119951119950

Para la muestra recocida a 500deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120786120791120788120789) 119836119848119852 120783120789 120784120791deg119808

119915 = 120784120791 120784120785 119951119950

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ANEXO C

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada

Se realizoacute una pequentildea incisioacuten en la peliacutecula con una navaja de tal forma que la peliacutecula pueda

ser desprendida pero que no produzca rayaduras en el sustrato y utilizando el Meacutetodo Section del

Software NanoScope Analysis version 140 se calculoacute la distancia vertical y horizontal en tres

regiones para obtener un promedio con lo cual seriacutea el espesor aproximado de la peliacutecula

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b) Imagen 3D del escaloacuten

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Tabla 4

Tabla de datos de las alturas horizontales y verticales

Datos obtenidos para calcular el espesor de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 (Elaboracioacuten Propia)

Calculando el promedio de las distancias verticales

(189441 + 184037 + 170941)119899119898 = 544419 119899119898

544419119899119898

3= 181473 119899119898

El grosor de la peliacutecula fue 181 473 nm

Este proceso se realizoacute para todas las muestras en la tabla 5 se muestran los valores

correspondientes cada peliacutecula

Tabla 5

Tabla de valores del espesor de cada peliacutecula

Muestra Espesor (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 181473

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 179596

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 181210

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 183498

Datos calculados para el espesor de cada peliacutecula (Fuente Elaboracioacuten propia)

N Distancia Horizontal Distancia Vertical

1 3249 (microm) 189441 (nm)

2 3679 (microm) 184037 (nm)

3 3914 (microm) 170941 (nm)

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ANEXO D

Caacutelculo de los valores de Rugosidad

Se calculoacute el promedio de la rugosidad media y la rugosidad cuadraacutetica media para cada

peliacutecula El aacuterea de anaacutelisis en todas las muestras fue 3um x 1um y los valores fueron obtenidos

por el sensor de altura en el software de AFM Dimension Edge VT-112

Muestra Sin Rec

Figura D 1 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra sin rec

Tabla 6

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rec

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000751 000589

ZONA 2 000849 000646

ZONA 3 000753 000598

PROMEDIO 000784 000611

Datos para el promedio de la rugosidad de ZnOCu 3 vol Sin Rec (Elaboracioacuten Propia)

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87

Muestra Rec a 120786120782120782

Figura D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 400 ordmC

Tabla 7

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

Muestra Rec a 120786120787120782

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000634 000506

ZONA 2 000769 000590

ZONA 3 000685 000505

PROMEDIO 000696 000534

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Figura D3 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 450 ordmC

Tabla 8

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00112 000903

ZONA 2 00110 000872

ZONA 3 00109 000877

PROMEDIO 00110 000884

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Muestra Rec a 120787120782120782

Figura D4 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 500 ordmC

Tabla 9

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec 500 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00119 000956

ZONA 2 00120 000969

ZONA 3 00119 000947

PROMEDIO 00119 000957

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ANEXO E

Caacutelculo de la energiacutea del gap

Se utilizoacute la foacutermula 46

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material que es igual a la absorbancia dividida por

el espesor de la peliacutecula 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ es la constante de Planck 120584 es

la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

Haciendo los caacutelculos respectivos en Excel obtuvimos los valores de ℎ120584 y (120572ℎ120584)2

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauc

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91

Luego graficamos esto usando Origin 8 y trazando la recta hasta el intercepto con el eje x

obtuvimos el valor de la energiacutea del gap Esto se hizo para todas las peliacuteculas

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas las peliacuteculas

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vi

RESUMEN

En el presente trabajo de tesis se estudioacute la influencia de la temperatura de recocido sobre las

propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de las peliacuteculas delgadas de ZnO dopada con

cobre a 3 en volumen dichas peliacuteculas fueron sintetizadas sobre substratos de vidrio mediante

el meacutetodo de rociado piroliacutetico usando como soluciones precursoras el acetato de zinc

dihidratado[119885119899(11986211986731198621198742)2 21198672119874] y el cloruro de cobre dihidratado [1198621198972119862119906 21198672119874] disueltas en

etanol Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 Vol sin recocido y

recocidas a 400 450 y 500 indican que todas las muestras son poli cristalinas con estructura

hexagonal wurtzita el plano preferente de crecimiento fue el (002) disminuyendo la intensidad

de su pico uacutenicamente en la muestra recocida a 400 El tamantildeo del cristalito para la muestra sin

recocido fue de 2582 nm y para las muestras recocidas a 400 450 y 500 de 1878 2633 y

2923 nm respectivamente Las imaacutegenes obtenidas por microscopiacutea de fuerza atoacutemica indican que

la rugosidad media (Ra) aumenta con la temperatura de recocido a excepcioacuten de la muestra

recocida a 400 que disminuye Los anaacutelisis en el espectroacutemetro UV-Vis indican que estas

peliacuteculas tienen alta transmitancia mayor del 80 y que la absorbancia es miacutenima La energiacutea del

gap para la muestra sin recocido fue de 3256 eV y para las muestras recocidas a 400 450 y

500 de 3256 3263 y 3257 eV respectivamente

Palabras clave Temperatura de recocido peliacutecula delgada rociado piroliacutetico policristalina

rugosidad media energiacutea del gap

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ABSTRACT

In this thesis work Iacuteve studied the influence of annealing temperature over to rugosity

transmitance and cristallite size of ZnOCu 3 thin films The ZnOCu 3 thin films was

synthetisized over glass substrates by spray pyrolisys technique using zinc acetate

dyhidrate[119885119899(11986211986731198621198742)2 21198672119874] and copper chloride dyhidrate[1198621198972119862119906 21198672119874] as precursor

solutions mixed in ethanol The diffraction patterns of ZnOCu 3 thin films both without

annealing and annealed at 400 450 and 500 indicates that all samples are polycrystalline with

wurtzita hexagonal structure The preferred plane of growth was (002) decreasing the intensity of

its peak only in the sample annealed at 400 The crystallite size for the sample without annealing

was 2582 nm and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 1878 2633 and 2923 nm

respectively The images obtained by atomic force microscopy indicate that the average roughness

(Ra) increases with annealing temperature except for the sample annealed at 400 which

decreases Analyzes in the UV-Vis indicate that these films have high transmittance greater than

80 and that the absorbance is minimal The band gap for sample without annealing was 3256

eV and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 3256 3263 and 3257 eV respectively

Keywords Annealing temperature thin film spray pyrolysis polycrystalline average roughness

band gap

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viii

IacuteNDICE GENERAL

PRESENTACIOacuteN iii

DEDICATORIA iv

AGRADECIMIENTOS v

RESUMEN vi

ABSTRACT vii

IacuteNDICE GENERAL viii

IacuteNDICE DE FIGURAS xii

Capiacutetulo 2 xii

Capiacutetulo 3 xii

Capiacutetulo 4 xiii

Capiacutetulo 5 xiv

Anexos xiv

IacuteNDICE DE TABLAS xvi

CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1

CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 5

21 Oacutexido de Zinc 5

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO 5

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ix

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO 7

24 El Cobre y Sus Propiedades 8

25 Dopado al Oacutexido de Zinc 9

CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE PELIacuteCULAS DELGADAS 12

31 Procesos Fiacutesicos 14

311 Evaporacioacuten teacutermica 14

312 Sputtering 15

32 Procesos Quiacutemicos 17

321 CVD 17

322 Sol-Gel 19

323 Rociado Piroliacutetico 20

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas 24

331 Modo de crecimiento capa por capa Δ120574 gt 0 26

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas 26

333 Modo de crecimiento por islas Δ120574 lt 0 26

CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO 27

41 Materiales Equipos e Instrumentos 27

42 Meacutetodo 30

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos 30

422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol 32

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x

43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol 38

44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten 40

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX) 40

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis) 43

443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) 47

CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 55

51 Difraccioacuten de Rayos X 55

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano 55

52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 59

521 Morfologiacutea y rugosidad 59

53 Espectrometriacutea UV-Vis 64

531 Transmitancia 64

532 Absorbancia y energiacutea del gap 65

CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES 69

CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS 70

REFERENCIAS 71

ANEXOS 77

ANEXO A 78

Valores Teoacutericos Del Zno 78

ANEXO B 79

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xi

Caacutelculo de la distancia interplanar 79

Caacutelculo del paraacutemetro c 80

Caacutelculo del tamantildeo de grano 82

ANEXO C 84

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada 84

ANEXO D 86

Caacutelculo de los valores de Rugosidad 86

Muestra Sin Rec 86

Muestra Rec a 400 87

Muestra Rec a 450 87

Muestra Rec a 500 89

ANEXO E 90

Caacutelculo de la energiacutea del gap 90

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xii

IacuteNDICE DE FIGURAS

Capiacutetulo 2

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn

de color gris oscurohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnOhelliphelliphelliphelliphellip8

Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles

de fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Capiacutetulo 3

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipohelliphelliphellip16

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica de para un proceso de CVDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

Figura 34 Ruta Quiacutemica para el proceso de Sol-Gelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

Figura 35 Esquema del equipo de Rociado Piroliacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes

isla y (c) por islashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

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xiii

Capiacutetulo 4

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

Figura 43 Sustratos en detergentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenicohelliphellip31

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en hornohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica33

Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip34

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphellip35

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula

delgada de ZnOCu 3 vol helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

Figura 411 Diagrama de flujo del Proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadashelliphelliphellip39

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del

sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta

con la superficie del sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitentehelliphelliphelliphelliphelliphellip52

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xiv

Capiacutetulo 5

Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con

recocidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip58

Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 ordmC c) rec a 450 ordmC y d) rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 c) rec a 450 y d) rec a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y

con recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con

recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para

la peliacutecula recocida a 400 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y

derecha para la peliacutecula recocida a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

Anexos

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b)

Imagen 3D del escaloacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84

Figura D1 a Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra sin rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

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xv

Figura D2 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 400 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87

Figura D3 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 450 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88

Figura D4 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 500 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas

las peliacuteculashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91

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xvi

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de valores para las propiedades estructuraleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

Tabla 2 Tabla de valores de las rugosidadeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

Tabla 3 Tabla de valores de la Energiacutea del Gaphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

Tabla 4 Tabla de datos de las alturas horizontales y verticaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 5 Tabla de valores del espesor de cada peliacuteculahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 6 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

Tabla 7 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87

Tabla 8 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88

Tabla 9 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

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1

CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN

Los materiales desarrollados a base de oacutexidos transparentes y conductores (por sus siglas en

ingleacutes TCOs) han recibido una gran aceptacioacuten en la comunidad cientiacutefica debido a sus muacuteltiples

aplicaciones en la industria optoelectroacutenica ya que sus propiedades de alta transparencia y baja

resistividad los hacen aptos para aplicaciones en celdas solares sensores de gases (Koumllble et al

2009) pantallas planas pantallas de cristal liacutequido ventanas electro-croacutemicas entre otros

Los TCOs son semiconductores que se caracterizan por tener altos valores de transmisioacuten oacuteptica

(~ 80 ) en el intervalo visible y bajas resistividades (lt 10minus3Ω119888119898) seguacuten Minami (2008)

Algunos de los oacutexidos metaacutelicos preparados en forma de peliacutecula delgada que son o pueden ser

utilizados como conductores transparentes son oacutexido de cadmio (119862119889119874) oacutexido de estantildeo (1198781198991198742)

ITO (11986811989921198743 119878119899) FTO (1198781198991198742 119865) y AZO (119885119899119874 119860119897)(Alamri amp Brinkman 2000)

Uno de los oacutexidos conductores transparentes comuacutenmente utilizados debido a su alta

transmitancia en el visible gt 80 y su baja resistividad del orden de 10minus4Ω119888119898 es el oacutexido de

indio dopado con estantildeo (ITO) seguacuten Minami (2008) Pero debido a la rareza del indio en la tierra

su costo es elevado Otro oacutexido conductor transparente que ha llamado fuertemente la atencioacuten es

el CdO que es un semiconductor degenerado porque los estados en el fondo de la banda de

conduccioacuten se encuentran ocupados por lo tanto presenta alta conductividad sin necesidad de ser

dopado (Bhosale Kambale Kokate amp Rajpure 2005)

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2

Sin embargo ya que el Cd es muy toacutexico la unioacuten europea a traveacutes de la directiva de restriccioacuten

de sustancias peligrosas lo catalogoacute entre los 6 elementos restringidos para su uso en dispositivos

eleacutectricos y optoelectroacutenicos Debido a esta restriccioacuten es necesario buscar otras alternativas una

de ellas es el ZnO ya que presenta alta conductividad eleacutectrica seguacuten Jeon Park Yoo amp Boo

(2007) altos valores de transmitancia en la regioacuten visible del espectro electromagneacutetico (Hirata et

al 1996) bajo costo alta disponibilidad y no toxicidad

El oacutexido de Zinc es reconocido como un semiconductor porque tiene un ancho de banda de 337

eV a temperatura ambiente posee una gran energiacutea libre de unioacuten de excitones alta estabilidad

propiedades fiacutesicas oacutepticas etc (Benharrats Zitouni Kadri y Gil 2010)

Una peliacutecula delgada se encuentra en el rango de 1 119886 100 119899119898 (Loacutepez et al 2013) Para que

una peliacutecula delgada sea considerada como eficaz debe ser quiacutemicamente estable en el entorno a

usar debe adherirse bien a la superficie que cubre (sustrato) debe tener un espesor uniforme y

debe tener una baja densidad de imperfecciones (Leoacuten 2014)

Dentro de los diversos meacutetodos para obtener peliacuteculas delgadas tenemos el de rociado piroliacutetico

que puede ser maacutes barato simple y versaacutetil a comparacioacuten de otros meacutetodos Las propiedades de

las peliacuteculas rociadas pueden faacutecilmente adaptarse para las aplicaciones requeridas

Adicionalmente tambieacuten es un meacutetodo de deposicioacuten adecuado cuando se necesitan peliacuteculas de

grandes aacutereas (Rahmani et al 2009)

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El meacutetodo de rociado piroliacutetico es un proceso en el cual una peliacutecula delgada es depositada

mediante el rociado de una solucioacuten en una superficie caliente donde los constituyentes reaccionan

para formar un compuesto quiacutemico Los reactantes quiacutemicos son seleccionados de tal forma que

los productos distintos al del compuesto deseado sean volaacutetiles a la temperatura de deposicioacuten

(Mooney amp Rading 1982)

Las caracteriacutesticas estructurales eleacutectricas y oacutepticas de las peliacuteculas delgadas de ZnO han sido

ampliamente investigadas mientras que el efecto del dopado sobre estas propiedades auacuten estaacuten

siendo estudiadas (Rozati 2008 Caglar Ilikan y Caglar 2009) Las peliacuteculas de ZnO pueden

doparse con Al3+ (Sahay amp Nath 2008) Sn4+ y Sn5+ (Bedia et al 2014) F1- Cu1+ Ag1+ Ga3+

In3+ (Liu Avrutin Izyumskaya Oumlzguumlr y Morkoccedil 2010)

Elegir el Cu como dopante para las peliacuteculas delgadas de ZnO es una buena opcioacuten ya que

influye en las propiedades oacutepticas estructurales quiacutemicas y eleacutectricas del ZnO y el estudio del

estado electroacutenico del Cu en ZnO ha venido siendo el tema de intereacutes por mucho tiempo ya que

son uno de los componentes principales en celdas fotovoltaicas (Bunyod 1946)

El efecto de la temperatura de recocido sobre las peliacuteculas delgadas de ZnOCu estaacute siendo

estudiada minuciosamente debido a que se han reportado casos en los cuales disminuye la banda

del gap y aumenta el esfuerzo a medida que aumenta dicha temperatura (Jijoy Varguese amp

Mathew 2015)

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En el presente trabajo de investigacioacuten se realizoacute la siacutentesis de peliacuteculas delgadas de ZnOCu

3 por el meacutetodo de rociado piroliacutetico sobre un sustrato de vidrio a una temperatura de 300 ordmC y

luego sometida a temperaturas de recocido entre 400- 500 ordmC La caracterizacioacuten de las peliacuteculas

antes y despueacutes del recocido se realizoacute mediante DR-X UV-Vis y AFM

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CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO

21 Oacutexido de Zinc

El oacutexido de zinc es un compuesto inorgaacutenico relativamente abundante quiacutemicamente estable

y no toacutexico es insoluble en agua pero soluble en aacutecidos y bases diluidas su punto de fusioacuten es de

1975 ordmC temperatura a la que tambieacuten se descompone es un semiconductor formado por los

elementos del grupo-II ( 119885119899)30 y el grupo-VI ( 1198748

) El zinc tiene cinco isoacutetopos estables de los

cuales los maacutes comunes son el zinc 64 (4889 ) zinc 66 (2781 ) y el zinc 68 (1857 )

mientras que el oxiacutegeno consiste casi puramente en el isoacutetopo de oxiacutegeno 16 (9976 ) seguacuten

Loacutepez Castro Molina y Arbey (2011)

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO

Cada aacutetomo de zinc se encuentra rodeado por un tetraedro de 4 aacutetomos de oxiacutegeno y viceversa

tal y como se muestra en la figura 21 formando de esta manera una combinacioacuten alternada de

planos de aacutetomos oxiacutegeno y de planos de aacutetomos de zinc las cuales se encuentran a lo largo del

eje c con un desplazamiento entre ellos de 038c siendo c su paraacutemetro de red en la direccioacuten

vertical Los valores de los paraacutemetros de red para dicho material en condiciones normales de

presioacuten y temperatura son a = 032495 nm y c = 052069 nm (Hernaacutendez 2014)

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Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn de color gris oscuro

(Fuente Hernaacutendez)

Su estructura puede describirse como un nuacutemero de planos alternantes que estaacuten compuestos

por iones de oxiacutegeno 1198742minus e iones de zinc 1198851198992+ que se encuentran alternados en el eje c esta

estructura tetraeacutedrica es la que le confiere su baja simetriacutea y lo que resulta en sus propiedades de

piezoelectricidad (Hernaacutendez 2014)

Otra importante caracteriacutestica del ZnO es su superficie polar siendo la maacutes comuacuten la del plano

basal Los iones de zinc y oxiacutegeno generan superficies cargadas positiva para (119885119899 minus (0001)) y

negativa para (119874 minus (0001)) lo que resulta en un momento dipolar normal y una polarizacioacuten

espontaacutenea La estabilidad de la superficie polar 119885119899119874 plusmn (0001) es materia de estudio tambieacuten es

atoacutemicamente plana y estable sin reconstruccioacuten (Hafdallah et al 2018 Zhon 2004)

El zinc tiene una configuracioacuten electroacutenica (1119904)2(2119904)2(2119901)6(3119904)2(3119901)6(3119889)10(4119904)2 mientras

que la configuracioacuten electroacutenica del oxiacutegeno es (1119904)2(2119904)2(2119901)4 El enlace de ZnO en su red

cristalina involucra una hibridacioacuten 1199041199013 de los estados electroacutenicos lo cual lleva a cuatro orbitales

equivalentes en una geometriacutea tetraeacutedrica En el cristal semiconductor resultante los estados de

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enlace 1199041199013 constituyen la banda de valencia mientras que la banda de conduccioacuten se origina de su

contraparte de anti-enlace seguacuten Deinert (2016)

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO

Estructuralmente el oacutexido de zinc tiene tres tipos de direcciones raacutepidas de crecimiento las

cuales son lang2110rang ( plusmn[2110] plusmn[1210] plusmn[1120] ) lang0110rang ( plusmn[0110] plusmn[1010]

plusmn[1100] ) y plusmn[0001] El ZnO exhibe un amplio rango de nuevas estructuras que pueden ser

desarrolladas ajustando las tasas de crecimiento a lo largo de esas direcciones Uno de los mayores

factores que determinan la morfologiacutea implican las actividades superficiales relativas de diversas

facetas de crecimiento bajo condiciones dadas Macroscoacutepicamente un cristal tiene diferentes

paraacutemetros cineacuteticos para diferentes planos del cristal los cuales son controlados bajo condiciones

de crecimiento Asiacute despueacutes de un periodo inicial de incubacioacuten y nucleacioacuten un cristalito

comuacutenmente se convertiraacute en un objeto tridimensional bien definido con caras cristalograacuteficas de

bajo iacutendice La figura 2 de a) al c) muestran unas morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento en una

dimensioacuten para el ZnO dichas estructuras tienden a maximizar las aacutereas de las caras (2110) y

(0110) debido a la maacutes baja energiacutea y la morfologiacutea mostrada en la parte d) es dominada por las

superficies polares las cuales pueden ser crecidos mediante la introduccioacuten de defectos planares

paralelos a las superficies polares Los defectos planares y gemelos son observados ocasionalmente

paralelos al plano (0001) pero rara vez se pueden observar dislocaciones (Zhon 2004)

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Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnO (Fuente Zhon)

24 El Cobre y Sus Propiedades

El cobre con nuacutemero atoacutemico 29 y peso atoacutemico de 6354 exhibe una estructura cristalina cuacutebica

centrada en las caras El cobre es un elemento de transicioacuten y al ser un metal noble tiene

propiedades inherentes similares a las de la plata y el oro Tambieacuten posee excelente conductividad

maleabilidad resistencia a la corrosioacuten y biofuncionalidad El cobre tiene alta solubilidad para

otros elementos tales como el niacutequel el zinc el estantildeo y el aluminio Esta solucioacuten soacutelida de la

fase alfa (120572) es la responsable de la alta ductilidad exhibida para aleaciones de cobre Las adiciones

maacutes allaacute del liacutemite de solubilidad resultan en la fase beta (120573) la cual exhibe una estructura cuacutebica

de cuerpo centrado esta fase beta tiene alta estabilidad de temperatura y las aleaciones que exhiben

una estructura 120572 + 120573 tienen una excelente capacidad de formacioacuten en caliente La densidad del

cobre es 889 1198921198881198983 y su punto de fusioacuten es 1083 Seguacuten American Society For Testing

Materials la cual es revisada anualmente

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25 Dopado al Oacutexido de Zinc

Los elementos del grupo IB como el cobre la plata y el oro no parecen de tanto intereacutes como

sus contrapartes del grupo IA y VA pero actualmente se vienen trabajando con estos elementos

ya que cambian las propiedades del ZnO esto podriacutea significar que una sustitucioacuten con zinc podriacutea

resultar un defecto de aniquilador de electrones Aunque estos pueden ser considerados costosos

la plata y el cobre podriacutea ser una alternativa maacutes econoacutemica en comparacioacuten con otros elementos

que han sido usados como dopantes al fin de cuentas estas poseen una conductividad uacutenica

(Wolgamott 2017)

Las figuras 23 24 y2 5 muestran las energiacuteas de formacioacuten por defecto para el ZnO dopado

con cobre plata y oro estas cifras junto con un caacutelculo hecho por Yan Al-Jassim ampWei (2006)

muestran que bajo condiciones ricas en oxiacutegeno los elementos del grupo IB tienen una baja energiacutea

de formacioacuten para la sustitucioacuten del zinc Esta misma condicioacuten rica en oxiacutegeno tambieacuten suprime

la formacioacuten de defectos nativos en el agujero de perforacioacuten aumentando asiacute la posibilidad de

una peliacutecula delgada de ZnO dopado del tipo p (Wolgamott 2017)

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Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

El cobre y la plata ofrecen una mejor ruta para la reproduccioacuten de peliacuteculas delgadas de ZnO

del tipo p El dopaje con nitroacutegeno solo es favorable en condiciones ricas en zinc esto aumenta la

probabilidad de que se formen defectos por la formacioacuten de agujeros para compensar Para

ajustarse a esto teacutecnicas de procesamiento novedoso y no equilibrado deben ser usadas esta

dificultad aumenta los costos de procesamiento y reduce la reproduccioacuten de tales (Wolgamott

2017)

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Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

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CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE

PELIacuteCULAS DELGADAS

Una variedad de teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas han sido empleadas para el

depoacutesito de oacutexidos conductores trasparentes tales como el oacutexido de estantildeo (SnO2) dopado con

antimonio (SnO2 ∶ Sb) o con fluorina (SnO2 ∶ F) el oacutexido de indio(In2O3) dopado con estantildeo

(In2O3 ∶ Sn) el oacutexido de zinc (ZnO) dopado con indio (ZnO ∶ In) Ya que el transporte oacuteptico y

eleacutectrico en estas peliacuteculas depende fuertemente de su estequiometria su microestructura y de la

naturaleza de las impurezas presentes por lo tanto cada teacutecnica de deposicioacuten con los paraacutemetros

asociados produce peliacuteculas con diferentes propiedades Dependiendo de queacute teacutecnica de

deposicioacuten se use el sustrato influiraacute significativamente en las propiedades de las peliacuteculas Los

sustratos de vidrio son los de uso comuacuten para estos procesos Los procesos a baja temperatura tales

como la pulverizacioacuten catoacutedica con magnetroacuten la pulverizacioacuten ioacutenica con haz de iones y el

recubrimiento ioacutenico reactivo permiten la deposicioacuten de las peliacuteculas de oacutexido sobre el sustrato de

poliacutemero como el plaacutestico Mylar y poly (Teraftalato de etileno) Seguacuten Waal amp Simons (1981)

el coeficiente de expansioacuten teacutermica del sustrato afecta las propiedades eleacutectricas de las peliacuteculas

especialmente en procesos como los de rociado piroliacutetico y de inmersioacuten en los cuales las tensiones

intriacutensecas son inducidas dentro de la peliacutecula El coeficiente de expansioacuten teacutermica influye en la

orientacioacuten preferente del cristalito en las peliacuteculas de ZnO (Ghandhi Field amp Shealy 1980)

El proceso que implica deposiciones a altas temperaturas el efecto de la difusioacuten de iones

alcalinos desde el sustrato de vidrio hacia la peliacutecula se vuelve extremadamente importante (Kane

Schweizer amp Kern 1976) Los cationes actuacutean como agentes dopantes de tipo-p y compensan los

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donantes nativos El problema es grave en los sustratos de vidrio Soda-lime los cuales tienen un

alto contenido en sodio alrededor del 10-15 peso 1198731198862119874 En La figura 31 podemos observar

los tipos de procesos para la obtencioacuten de peliacuteculas delgadas

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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31 Procesos Fiacutesicos

311 Evaporacioacuten teacutermica

Peliacuteculas delgadas de IO (oacutexido de indio) (Pan amp Ma 1980) ITO (oacutexido de indio dopado con

estantildeo) (Mizuhashi 1980) y ZnO (Wang et al 2005) han sido depositadas por evaporacioacuten

teacutermica o por haz de electrones de fuentes de oacutexido Debido a su alto punto de fusioacuten el TO

(oacutexido de estantildeo) ha sido depositado por haz de electrones (Mizuhashi 1980) Cuando los oacutexidos

puros o mixtos se evaporan se reducen y forman peliacuteculas opacas de oacutexidos inferiores Por lo tanto

los oacutexidos transparentes conductores son obtenidos por post-oxidacioacuten de peliacuteculas inferiores o

por introduccioacuten del oxiacutegeno durante la evaporacioacuten (Ruumlcker amp Becker 1978)

La cineacutetica de oxidacioacuten de sub-oacutexidos la dependencia de la resistividad y la transmisioacuten en el

sustrato y las temperaturas de oxidacioacuten han sido estudiadas para peliacuteculas de ITO (Mizuhashi

1980) La opacidad de las peliacuteculas depositadas ha sido atribuida a la presencia de indio libre en

una matriz de In2O3 que resulta de la reduccioacuten de especies de In2O que estaacuten presentes en la

fase de vapor

La post-oxidacioacuten del indio libre es a traveacutes de un proceso controlado por difusioacuten y las

propiedades eleacutectricas y oacutepticas finales de las peliacuteculas estaacuten determinadas por las tasas relativas

de oxidacioacuten y difusioacuten del indio (Mizuhashi 1980)

En el caso de la oxidacioacuten durante la deposicioacuten la temperatura del sustrato y la presioacuten parcial

de oxiacutegeno son los principales paraacutemetros de control para el proceso que han sido estudiados por

Mizuhashi (1980) que obtuvo peliacuteculas de ITO de buena calidad con una presioacuten parcial de

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oxiacutegeno de 10minus4 Torr y una temperatura de sustrato de 400 con una tasa de deposicioacuten de

aproximadamente 50 Å 119898119894119899minus1 para el O2 puro

De lo anterior se puede concluir que para obtener peliacuteculas altamente transparentes y

conductoras por evaporacioacuten es necesario que la presioacuten parcial del oxiacutegeno sea alta (suficiente

para oxidar casi todo el indio) que la temperatura del sustrato sea la adecuada y que la tasa de

evaporacioacuten sea raacutepida (para suprimir la disociacioacuten de In2O3)

312 Sputtering

El Sputtering o pulverizacioacuten catoacutedica es una de las teacutecnicas maacutes usadas para la deposicioacuten de

peliacuteculas conductoras transparentes Esta teacutecnica se basa esencialmente en un bombardeo intenso

de un material con iones producidos en una descarga eleacutectrica en forma de plasma cuando la

energiacutea de los iones incidentes es suficientemente elevada entonces la interaccioacuten con la superficie

del material a traveacutes de intercambio de momento cineacutetico hace que los aacutetomos de la superficie

sean arrancados para pasar a la fase de vapor La figura 32 muestra un esquema de las etapas del

proceso El caacutetodo el cual estaacute conectado a la terminal negativa de la fuente de alimentacioacuten estaacute

formado por el material a evaporar que tambieacuten es llamado blanco o sputtering target estaacute

sometido al bombardeo intenso de los iones positivos de la descarga una vez que son acelerados

desde el plasma como consecuencia de la caiacuteda de potencial asociada El bombardeo de los iones

produce no solo el efecto de sputtering o pulverizacioacuten del blanco sino tambieacuten la emisioacuten de

electrones secundarios que son acelerados hacia el plasma Una vez en el plasma estos electrones

tienen la energiacutea suficiente para producir nuevos iones mediante procesos de ionizacioacuten en cascada

por impacto con los aacutetomos del gas compensando asiacute la perdida de carga producida por colisiones

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de las especies cargadas en las paredes de la caacutemara de vaciacuteo Se dice que la descarga es auto

mantenida (Aacutelvaro 2014)

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipo (Fuente Aacutelvaro)

El gas de la descarga suele ser un gas inerte de masa elevada con el objeto de aumentar la

transferencia del momento cineacutetico a los aacutetomos del blanco por razones de precio en la mayoriacutea

de las aplicaciones el gas utilizado es argoacuten con una masa atoacutemica de 40 los sustratos a recubrir

estaacuten colocados sobre el aacutenodo aunque se pueden situar sobre un soporte auxiliar frente al caacutetodo

El electrodo que actuacutea de aacutenodo suele estar conectado al potencial de tierra junto con la caacutemara

de vaciacuteo por razones de seguridad A diferencia de la teacutecnica de evaporacioacuten teacutermica la trayectoria

de las partiacuteculas pulverizadas no es rectiliacutenea ya que a presiones de trabajo alrededor de

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10minus3 mbar el recorrido libre medio es del orden de unos pocos mm Los aacutetomos evaporados

pueden alcanzar al sustrato desde cualquier direccioacuten despueacutes de sufrir una serie de colisiones en

la atmosfera de sputtering en las cuales sufren una peacuterdida de su energiacutea inicial Por lo tanto los

problemas de direccionalidad y los de homogeneidad del espesor de la capa depositada son

menores que en la evaporacioacuten teacutermica Al mismo tiempo los aacutetomos del gas inerte y la radiacioacuten

procedente del plasma tambieacuten interaccionan con la superficie de los sustratos produciendo

efectos laterales De hecho existe la posibilidad de que aacutetomos del gas inerte puedan contaminar

la capa depositada en el sustrato al quedar atrapados en su interior durante el crecimiento (Aacutelvaro

2014)

32 Procesos Quiacutemicos

321 CVD

La deposicioacuten quiacutemica por vapor (Chemical Vapor Deposition) es un proceso antiguo que data

del 1800 En este tiempo esta teacutecnica fue usada principalmente para producir materiales

refractores de alta pureza tales como el zirconio y el titanio Despueacutes de la segunda guerra mundial

los investigadores comenzaron a darse cuenta de las ventajas potenciales que ofreciacutea el CVD

Esta teacutecnica consiste en la deposicioacuten por vapor sobre una superficie caliente Esto pertenece a

las teacutecnicas de transferencia de vapor Con esta teacutecnica la liacutenea de visioacuten con la superficie de

recubrimiento no es necesaria por lo tanto permite la deposicioacuten en superficies complejas tambieacuten

posee una alta tasa de deposicioacuten y puede ser usado para recubrimientos gruesos esto permite la

co-deposicioacuten de los elementos y no requiere de un proceso de alto vaciacuteo

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La figura 33 muestra un CVD tiacutepico El primer paso es la activacioacuten teacutermica de los precursores

quiacutemicos para formar el vapor este a su vez es transportado a traveacutes de una caacutemara caliente en

donde el sustrato estaacute colocado en esta caacutemara la reaccioacuten gaseosa ocurre y los reactantes son

depositados en la superficie del sustrato con lo cual resulta la formacioacuten de la peliacutecula Los

subproductos volaacutetiles son desorbidos desde la peliacutecula y removidos de la caacutemara por medio de la

conveccioacuten

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica para un proceso de cvd (Fuente En liacutenea)

Un proceso tiacutepico de CVD requiere de temperaturas altas que la reaccioacuten de fase gaseosa ocurra

esto no soacutelo aumenta los costos de proceso sino que tambieacuten limita los tipos de sustratos donde la

peliacutecula delgada puede ser depositada Los precursores quiacutemicos con alta presioacuten de vapor que se

necesitan para el CVD son en su mayoriacutea toacutexicos y peligrosos para trabajar con ellos Finalmente

los subproductos de la reaccioacuten gaseosa que no permanecen en el sustrato pueden ser toacutexicos e

incluso corrosivos La neutralizacioacuten de estos subproductos implicariacutea un aumento del costo de

produccioacuten

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322 Sol-Gel

Esta teacutecnica de crecimiento es un proceso quiacutemico huacutemedo realizado a bajas temperaturas que

permite fabricar materiales amorfos y poli cristalinos estos uacuteltimos se obtienen despueacutes de un

tratamiento teacutermico En el meacutetodo Sol-Gel se puede controlar la composicioacuten quiacutemica estructura

cristalina y morfologiacutea superficial de las peliacuteculas ajustando los paraacutemetros de procesamiento tales

como relacioacuten molar entre los reactivos cantidad y naturaleza de los precursores disolventes

catalizadores aditivos e impurificantes Este proceso sigue la ruta quiacutemica que muestra en la figura

34 este parte de una solucioacuten inicial compuesta por un alcoacutexido metaacutelico por agua y por un

disolvente al que se le agrega un catalizador que puede ser tanto aacutecido como baacutesico Las reacciones

de hidroacutelisis y condensacioacuten se desencadenan a fin de sintetizar una suspensioacuten coloidal de

partiacuteculas soacutelidas o cuacutemulos en un liacutequido llamado Sol A medida que la reaccioacuten continua aumenta

la viscosidad de la solucioacuten hasta la forma del Gel el cual estaacute constituido de dos partes una soacutelida

que corresponde a las partiacuteculas de oacutexido y una liacutequida que es el disolvente inicial del Sol Luego

de esto se inicia un periodo de secado en condiciones normales de presioacuten y temperatura en el cual

se lleva a cabo la eliminacioacuten del disolvente y del agua residual de tal modo que el Gel se encogeraacute

obtenieacutendose un xerogel Al teacutermino del tiempo de secado generalmente se tienen disolventes y

agua para solucionar esto se somete a un tratamiento teacutermico (Ramiacuterez 2015)

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Figura 34 Ruta quiacutemica para el proceso de sol-gel (Fuente Ramiacuterez)

323 Rociado Piroliacutetico

Esta teacutecnica consiste en la pulverizacioacuten de una solucioacuten que contiene los iones metaacutelicos del

oacutexido que se quiere producir sobre un sustrato que se encuentra a una temperatura elevada El

precursor del material a ser fabricado se disuelve en metanol o etanol esta solucioacuten denominada

solucioacuten precursora es transformada en partiacuteculas muy finas mediante un nebulizador formando

una especie de vapor la solucioacuten nebulizada se transporta hacia el sustrato caliente con ayuda de

un gas portador (aire comprimido) de tal manera que llega al sustrato en forma de gota pequentildea

La pirolisis se produce en la superficie caliente del sustrato dando lugar a la peliacutecula delgada como

producto de la descomposicioacuten del compuesto quiacutemico por accioacuten del calor los componentes

reactivos de la solucioacuten precursora se seleccionan de tal modo que los productos de la reaccioacuten

quiacutemica que no intervienen en la formacioacuten de la peliacutecula sean volaacutetiles a la temperatura de trabajo

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Esto requiere del anaacutelisis del precursor quiacutemico tanto de la fase liacutequida como de la fase gaseosa

y una exploracioacuten de las reacciones superficiales que llevan a la formacioacuten de la peliacutecula delgada

En este proceso de fabricacioacuten de peliacuteculas delgadas un factor muy importante es la uniformidad

del tamantildeo de las gotas generadas

Cuando el vapor de la solucioacuten se aproxima al sustrato en condiciones ideales se espera que el

solvente se vaporice totalmente provocando la descomposicioacuten de los componentes no volaacutetiles

(Leoacuten 2014) En la figura 35 se muestra un esquema del equipo detallando cada parte

componente del mismo

Figura 35 Esquema del equipo de rociado piroliacutetico (Fuente Acosta amp Magantildea)

Piroacutelisis La reaccioacuten piroliacutetica la cual determina la cineacutetica del depoacutesito se efectuacutea cuando el

rociacuteo entra en contacto con el sustrato caliente y seguacuten el tamantildeo de las gotas se produciraacute

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diferentes procesos dependientes del comportamiento teacutermico de las gotas A continuacioacuten se

detallan 4 procesos diferentes seguacuten el tamantildeo de la gota

Gotas de tamantildeo muy pequentildeo

La reaccioacuten se completa durante el transporte antes de llegar al sustrato y se produce un polvo

del material sobre el sustrato la facilidad de este proceso es que puede ser faacutecilmente removido

Gotas de tamantildeo ideal

El solvente pasa a la fase gaseosa completamente antes de alcanzar el sustrato las partiacuteculas

precipitadas se fusionan vaporizan y se difunden sobre la superficie del sustrato En este proceso

las partiacuteculas producidas sufren procesos de adsorcioacuten difusioacuten superficial reaccioacuten de

nucleacioacuten por lo tanto determinan el crecimiento del recubrimiento El resto de los productos de

la reaccioacuten se volatilizan y se difunden fuera del sustrato

Gotas de tamantildeo mediano

El solvente de las gotas se vaporiza al llegar al sustrato dejando partiacuteculas precipitadas de los

reactantes los cuales se fusionan en la superficie del sustrato y causan enfriamiento localizado

obtenieacutendose recubrimientos de baja calidad

Gotas de tamantildeo grande

La energiacutea teacutermica absorbida por la gota durante el transporte al sustrato no es suficiente para

que el solvente se pueda evaporar por completo El solvente residual se evaporaraacute en el sustrato

formando estructuras no homogeacuteneas

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Para lograr la selectividad de las gotas que llegaraacuten al sustrato se graduacutea la longitud entre lo

boquilla y el sustrato Considerando que la fuerza gravitacional es proporcional a 1199033 siendo r el

radio de la gota Las gotas de radios mayores al valor criacutetico no pueden ser transportadas por el

gas portador y por lo tanto regresan al nebulizador En las cercaniacuteas del sustrato se forma una

niebla de la solucioacuten con una distribucioacuten uniforme de gotas de tamantildeo pequentildeo requisito

importante para la obtencioacuten de recubrimientos delgados de buena calidad

Las fuerzas que determinan el recorrido de las gotas por la tobera son la gravitacional y la fuerza

de Stokes debido a la friccioacuten entre la gota y las moleacuteculas de aire seguacuten Silva (2013)

119917119956 = 120788120645120636119955(119959119941 + 119959119938) [120783 +120785

120790119929119942] 120784 120783

119917 = 119950119944 120784 120784

En donde 120578 es la viscosidad de la gota 119903 es el radio de la gota 119907119889 es la velocidad de la gota 119907119886

es la velocidad del aire y 119877119890 es el nuacutemero de Reynolds

El nuacutemero de Reynolds para partiacuteculas esfeacutericas en un flujo gaseoso es

119929119942 = 120784119955(119959119941 + 119959119938)

120636120633119938 120784 120785

En donde 120575119886 es la densidad del aire

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Cuando estas dos fuerzas alcanzan el equilibrio (119865 = 119865119904) las gotas viajan con velocidad

constante denominada velocidad liacutemite (119907119889119897) Al resolver la ecuacioacuten cuadraacutetica que nos da el

igualar las ecuaciones 21 y 22 tenemos

119959119941119949 = minus (119939

120784) + (

119939120784

120786minus 119940)

120783120784

120784 120786

En donde

119939 =120786120636

120785119955120633119938minus 120784119959119938 119962 119940 = 119959119938

120784 minus120786120636

120785119955120633119938119959119938 + (120633(119931) +

119924119956119924

120783120782120785)

120790119955

120784120789120633119938

Siendo 120575(119879) la densidad del solvente a temperatura T 119872119904 el peso molar del soluto y M la

molaridad de la solucioacuten (Leoacuten 2014)

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas

Los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas en sus etapas iniciales se

pueden ver en la figura 36 una vez que la partiacutecula se ha condensado de la fase gaseosa puede

inmediatamente re-evaporarse o difundirse sobre la superficie este proceso de difusioacuten puede

conducir a la adsorcioacuten especialmente en sitios como orillas y otros defectos (M Peacuterez 2005)

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Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas delgadas (Fuente M

Peacuterez)

Las energiacuteas de activacioacuten para la adsorcioacuten y difusioacuten dependen de los detalles atoacutemicos del

proceso en particular y la nucleacioacuten de maacutes de una partiacutecula adsorbida puede ocurrir En equilibrio

termodinaacutemico todos los procesos ocurren o proceden en dos direcciones opuestas a la misma

rapidez Por lo tanto en el equilibrio no hay un crecimiento neto de una partiacutecula y por lo tanto el

crecimiento del cristal debe ser un proceso cineacutetico de no equilibrio Desde un enfoque

fenomenoloacutegico existen tres modos diferentes del crecimiento de peliacuteculas como se observa en la

figura 37 (M Peacuterez 2005)

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes isla y (c) por islas

(Fuente M Peacuterez)

El crecimiento de peliacuteculas delgadas es descrito por minimizacioacuten de la energiacutea libre superficial

de la capa superior (120574119904119906119901) del sustrato (120574119904) y de la energiacutea libre de la interfase (120574119894119899119905) el cual

estaacute descrito por Δ120574 = 120574119904 minus 120574119904119906119901 minus 120574119894119899119905 (Leoacuten 2014 Aacutelvaro 2014)

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331 Modo de crecimiento capa por capa (120491120632 gt 120782)

Donde la interaccioacuten entre el sustrato y los aacutetomos de las capas es maacutes fuerte que entre los

mismos aacutetomos de las capas (Leoacuten 2014)

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas

Corresponde a un caso intermedio despueacutes de la formacioacuten de una o de muchas mono-capas

completas ocurre la formacioacuten de islas El crecimiento de islas 3D crece sobre la primera o la

uacuteltima mono capa (Leoacuten 2014 Ramiacuterez 2015)

333 Modo de crecimiento por islas (120491120632 lt 120782)

Es el caso en el que la interaccioacuten entre los aacutetomos que conforman las peliacuteculas es maacutes fuerte

(Leoacuten 2014)

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CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO

Realizar la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas sobre el sustrato requiere una cuidadosa

optimizacioacuten La siacutentesis de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se realizoacute por el meacutetodo de rociado

piroliacutetico con paraacutemetros optimizados como son la molaridad del precursor la temperatura del

sustrato la presioacuten de aire del compresor el flujo de aire y la distancia de la boquilla al sustrato

El objetivo de este trabajo de tesis fue analizar el efecto de la temperatura de recocido en un

rango de 400 minus 500 sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

En este capiacutetulo se detalla el procedimiento que se utilizoacute para la siacutentesis de las peliacuteculas

delgadas La limpieza del sustrato tambieacuten es una parte importante en la fabricacioacuten de las peliacuteculas

delgadas ya que es en donde se realizaraacute el depoacutesito y por lo tanto debe encontrarse libre de

impurezas y grasa

41 Materiales Equipos e Instrumentos

Como sustrato en donde se depositoacute la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se usoacute un vidrio

(Figura 41) con un aacuterea de 762 times 254 1198981198982

Para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol se utilizaron como precursores el Acetato de Zinc

Dihidratado [119885119899(1198621198673119862119874119874)2 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995) el Cloruro de Cobre

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dihidratado [1198621199061198621198972 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995 ) y como solvente etanol absoluto

[C2H5OH] del laboratorio Merck (998)

Para la limpieza de los sustratos se utilizoacute un agitador ultrasoacutenico (figura 42) y un horno

eleacutectrico marca Oster (119879119898aacute119909 = 400 )

Para lograr la uniformidad al momento de mezclar los materiales precursores se utilizoacute un

agitador magneacutetico (Hot Plate Stirring VWR)

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearl (Fuente Elaboracioacuten Propia)

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Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratos (Fuente Elaboracioacuten propia)

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42 Meacutetodo

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos

Para una buena deposicioacuten de la peliacutecula el sustrato a utilizar debe estar libre de impurezas

asegurando una oacuteptima adherencia

El proceso de limpieza de los sustratos empezoacute por la colocacioacuten de eacutestos en un depoacutesito que

conteniacutea agua potable y detergente marca Ariel por un tiempo de 5 minutos (Figura 43) luego se

trasladoacute a otro depoacutesito que conteniacutea aacutecido niacutetrico [1198671198731198743] al 65 durante 15 minutos en seguida

se procedioacute a enjuagarlos con agua ultrapura despueacutes se colocoacute en recipiente que conteniacutea agua

ultrapura y fueron puestos en el agitador ultrasoacutenico por 15 minutos (Figura 44) Pasado este

tiempo se retiraron los sustratos y se colocaron dentro del horno marca Oster por 10 min a 205

(Figura 45)

Figura 43 Sustratos en detergente (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenico (Fuente Elaboracioacuten propia)

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en horno (Fuente Elaboracioacuten propia)

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422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

Preparacioacuten de la solucioacuten precursora

Para la preparacioacuten de la solucioacuten se calculoacute la cantidad en gramos que debemos tener del

precursor en nuestro caso el acetato de zinc di-hidratado Para ello se utilizoacute la siguiente foacutermula

119950(119944) = 119924 times 119917119934 times 119933119952119949(119930119952119949 ) times 119927119958119955119942119963119938 120786 120783

Doacutende

m (g) Masa en gramos del precursor

M Molaridad (molLitro)

FW masa molar (gmol)

Vol (Sol) Volumen de la solucioacuten (Litros)

Pureza Porcentaje de pureza del precursor

La masa molar del acetato de zinc di-hidratado es de 21949 gmol el volumen de etanol que

se preparoacute fue 0020 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120784120783120791 120786120791

119944

119950119952119949) (120782 120782120784120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120786120785120790120789120788

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La masa del precursor fue medida con una balanza analiacutetica marca Mettler Toledo (plusmn01 119898119892)

ver figura 46

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica (Fuente Elaboracioacuten propia)

En un recipiente se mezclaron la masa medida del acetato de zinc di-hidratado y los 20 ml de

etanol que llamaremos mezcla 1

Para lograr uniformidad en la solucioacuten esta fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a una

temperatura de 60 durante 2 h (Figura 47) resultando transparente y homogeacutenea

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Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

La masa molar del cloruro de cobre di-hidratado es de 17048 gmol el volumen que se preparoacute

fue 0010 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120783120789120782 120786120790

119944

119950119952119949) (120782 120782120783120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120783120789120782120785120791

La masa de los precursores fue medida nuevamente con la balanza analiacutetica marca Mettler

Toledo (plusmn01 119898119892)

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En otro recipiente se combinaron la masa medida del cloruro de cobre dihidratado y los 10 ml

de etanol que llamaremos mezcla 2 luego fue colocado en el agitador magneacutetico a temperatura

ambiente durante 15 min

Despueacutes de haber agitado magneacuteticamente cada precursor en otro recipiente se colocoacute 194 ml

de la mezcla 1 y se le agregoacute 06 ml de la mezcla 2 de tal forma que se pueda tenerse una

proporcioacuten 119881119900119897119862119906

119881119900119897119885119899= 3 A esta nueva solucioacuten llamaremos mezcla 3

Para lograr uniformidad la nueva solucioacuten fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a

temperatura ambiente durante 15 min (Figura 48) para lograr su homogeneidad

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Proceso de siacutentesis

Para la obtencioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se utilizoacute el equipo de rociado

piroliacutetico que se encuentra en la seccioacuten de Nanociencia y Nanomateriales del Laboratorio de

Fiacutesica de Materiales ldquoDr Lennart Haselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo ver figura

49

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3

vol (Fuente Elaboracioacuten propia)

Este equipo de rociado piroliacutetico utilizado en la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas consiste de

los siguientes componentes Compresor de aire (1) Controlador de presioacuten en el rango de 0 ndash 80

psi (2) Controlador de flujo de aire en el rango de 1 ndash 15 Lmin (3) Caacutemara de vidrio (4)

Termoacutemetro (5) Nebulizador (6) Boquilla o Tobera (7) Platea caliente (8) Soporte universal (9)

Dispositivo moacutevil con una rapidez de 2311990910minus3 119888119898 119904frasl (10) Fuente de alimentacioacuten DC de 0 ndash 12

V (11) Fuente de alimentacioacuten AC de 0- 40 V (12) y Termocupla y controlador de temperatura en

el rango de 0 minus 500 (13)

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Sobre el nebulizador se colocoacute una tobera de vidrio piacuterex por la que ascienden las gotas maacutes

pequentildeas hasta llegar al sustrato caliente sobre el cual se produjo el proceso de piroacutelisis El

conjunto nebulizador y tobera estaacute acoplado a un dispositivo moacutevil el cual se va desplazando en

la direccioacuten del sustrato con el fin de obtener un recubrimiento uniforme

Las siacutentesis de la peliacutecula se hizo a la temperatura de 300 plusmn 10 La presioacuten del compresor

y el flujo de aire se mantuvieron a 30 119901119904119894(~207 119896119875119886) 119910 5 119871119898119894119899 respectivamente La distancia

boquilla sustrato se mantuvo a 30 cm con el fin de que el flujo nebulizado dirigido hacia la

superficie del sustrato se mantenga laminar El desplazamiento de la tobera-boquilla a lo largo del

sustrato se hizo con una rapidez aproximada de 04 mms con intervalos de 40 plusmn 05 119898119894119899 entre

cada ida y vuelta tiempo necesario para mantener la temperatura estable y mejor cristalizacioacuten del

soacutelido El nuacutemero de capas que consideramos oacuteptimas en este trabajo fue de 6 seguacuten E Noriega

(2015)

Al teacutermino del proceso el sistema compuesto peliacuteculasustrato se dejoacute enfriar lentamente dentro

de la caacutemara hasta la temperatura ambiente por 15 horas con el fin de lograr una buena

cristalizacioacuten

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol

Para el tratamiento teacutermico se dividioacute el sustrato que conteniacutea la peliacutecula en 4 partes usando

una como muestra testigo (300 ) y las tres restantes sometieacutendolas por dos horas de

mantenimiento a las temperaturas de recocido de 400 450 119910 500 El horno donde se hizo el

recocido fue un Horno eleacutectrico Marca Brasimet ver figura 410 con una incertidumbre de plusmn5

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la figura 411 se puede ver un diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas

delgadas de ZnO Cu 3 vol

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Figura 411 Diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten

Para caracterizar las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol se emplearon las teacutecnicas de

difraccioacuten de rayos X (DRX) para determinar el tamantildeo del cristalito y la estructura la

espectrofotometriacutea ultravioleta visible (UV-Vis) para determinar la transmitancia absorbancia y

energiacutea del gap y por el uacuteltimo se utilizoacute el Microscopio de Fuerza Atoacutemica (AFM) para

determinar la morfologiacutea y rugosidad A continuacioacuten se describiraacuten brevemente estas teacutecnicas

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX)

La difraccioacuten de rayos X es una teacutecnica de caracterizacioacuten que sirve para analizar espectros

relacionados con la estructura de los materiales que son la constante de red estructura cristalina

identificacioacuten de materiales orientacioacuten de monocristales y orientaciones preferenciales de

policristales Los rayos X se caracterizan porque su longitud de onda variacutea de 01 minus 100 Å (Rayos

X fluorescencia online) En la figura 412 se puede ver un esquema de difraccioacuten de rayos X

basado en la ley de Bragg

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos x (Fuente Rojas)

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Cuando un haz de rayos X de una longitud de onda especiacutefica del mismo orden de magnitud de

las distancias interatoacutemicas del material llega a este los rayos X se dispersan en todas las

direcciones La mayor parte de la radiacioacuten dispersada por un aacutetomo anula la radiacioacuten dispersada

en otros aacutetomos Los rayos X que llegan a ciertos planos cristalograacuteficos formando aacutengulos

especiacuteficos con ellos se refuerzan en lugar de aniquilarse a este fenoacutemeno se llama difraccioacuten

Los rayos X se difractan o el haz se refuerza cuando las condiciones satisfacen la Ley de Bragg

119852119842119847 120637 =119951120640

120784119941119945119948119949 120786 120783

Donde 120579 es la mitad del aacutengulo que forman el haz difractado y el haz original n es el orden de

difraccioacuten 120582 es la longitud de onda de los rayos X 119889ℎ119896119897 es la distancia interplanar que produce

refuerzo del haz ℎ119896119897 son los iacutendices de Miller (Askeland 1998) La difraccioacuten ocurre siempre y

cuando se satisfaga la ley de Bragg por lo que no necesariamente cualquier direccioacuten arbitraria

produciraacute difraccioacuten

La informacioacuten obtenida se presenta en un graacutefico de intensidad en funcioacuten de 2120579 llamado

patroacuten de difraccioacuten Cada sustancia produce siempre un patroacuten de difraccioacuten caracteriacutestico

independientemente de que si se encuentra en un estado puro o formando parte de una mezcla de

sustancias (Askeland 1998)

Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

fueron obtenidos con el difractoacutemetro RIGAKU Miniflex-600 que opera en la geometriacutea Bragg-

Brentano donde la radiacioacuten 119862119906 119896120572 (120582 = 15406 Aring) fue utilizada como fuente de rayos X El

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equipo operoacute a 30 KV de voltaje y 10 mA de corriente el barrido se realizoacute en un aacutengulo de 2120579

con rango desde 20deg a 70deg con velocidad de escaneo de 5 deg119898119894119899

La identificacioacuten de los picos de difraccioacuten se comparoacute con la base de datos Card info 00-900-

8877 de la Crystallography Open Database mostrado en el anexo A

La distancia interplanar se calculoacute con la ley de Bragg para el primer orden (n=1) de difraccioacuten

de acuerdo a la ecuacioacuten 41 tendriacuteamos

119837 =120640

120784 119852119842119847 120637 120786 120784

En donde 120579 es el aacutengulo de incidencia y 120582 = 15405981 Aring

Paraacutemetros de red

Para identificar la constante de red c de la estructura de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se tomoacute

en cuenta la estructura hexagonal wurtzita cuya distancia interplanar estaacute relacionada con los

iacutendices de Miller de los planos (hkl) y las constantes de red a y c a traveacutes de la ecuacioacuten 43

(Askeland 1998) y con el tamantildeo de cristalito (119863)

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784 120786 120785

A partir de la ecuacioacuten 43 es posible determinar los paraacutemetros de la red cristalina Cuando se

incide sobre un cristal muy pequentildeo del orden de nanoacutemetros se produce un ensanchamiento del

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pico de difraccioacuten esto permite determinar el tamantildeo promedio del cristal (119863) por medio de la

ecuacioacuten de Scherrer (Gurumurugan amp Mangalaraj 1995)

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637 120786 120786

Donde D es el tamantildeo del cristalito K es el factor de forma (K=09 para esferas) 120582 es la longitud

de onda de los rayos X (120582 = 15405981 Aring ) 120573 es el ancho completo de la mitad del maacuteximo y se

encuentra en radianes por lo tanto hay que convertir los valores de (FWHM) que se encuentran en

grados multiplicaacutendolos por 120587 180degfrasl y 120579 es el aacutengulo de Bragg

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectrometriacutea UV-Vis se basa en la absorcioacuten de radiacioacuten UV o visible por parte de las

moleacuteculas y se emplea para analizar muestras en fase liacutequida o soacutelida La espectrometriacutea de

absorcioacuten implica la medida de la fraccioacuten de la luz de una longitud de onda que pasa a traveacutes de

una muestra la figura 413 muestra la geometriacutea del equipo la muestra no emite luz por siacute misma

por lo que se debe incluir una fuente de radiacioacuten El paso de la luz a traveacutes de un monocromador

o un filtro selecciona la longitud de onda para el anaacutelisis (Hernaacutendez 2014)

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Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vis (Fuente Hernaacutendez)

Durante el anaacutelisis de la muestra se hacen dos mediciones en la primera se mide la cantidad de

luz en funcioacuten de la longitud de onda que llega al transductor cuando se ha colocado un blanco

(vidrio) Se denomina 1198680 del blanco cuando la concentracioacuten del material analizado es cero

La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras (vidrio + peliacutecula) con la

medida del blanco (vidrio) Llamamos 119868 a la intensidad que se mide con las muestras o con el

estaacutendar La comparacioacuten que se hace implica la relacioacuten 1198681198680 con ambas intensidades medidas

en las mismas condiciones del instrumento (longitud de onda geometriacutea) Se utilizan tres teacuterminos

diferentes para expresar esta relacioacuten

El primero es simplemente la relacioacuten 1198681198680 y se denomina Transmitancia que es denotada por

la letra T

119931 =119920

119920120782 120786 120785

El segundo es el porcentaje de transmitancia

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119931 = 119931 lowast 120783120782120782 120786 120786

El tercero es el logaritmo negativo de T que se denomina Absorbancia y se denota con la letra

A

119912 = minus 119845119848119840119920

119920120782= minus 119845119848119840 119931 120786 120787

Para la determinacioacuten del ancho de banda de energiacutea prohibida la energiacutea del gap (119864119892) es

determinada del espectro experimental del coeficiente de absorcioacuten (120572) como una funcioacuten de la

energiacutea del fotoacuten (ℎ120592)

En los materiales de gap directo como el ZnO se utiliza la siguiente ecuacioacuten

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ

es la constante de Planck 120584 es la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

En una graacutefica (120572ℎ120584)2 119907119904 ℎ120584 el ajuste a una recta de la parte proacutexima a 120572 = 0 el intercepto

para la ordenada nula es el valor de la energiacutea prohibida Esta recta tiene una expresioacuten de la forma

119910 = 119898119909 + 119887 lo que se tiene que buscar es el valor de 119909 para 119910 = 0 esto es 119909 = minus119887119898

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La conversioacuten de la energiacutea del fotoacuten en funcioacuten de la longitud de onda se realiza mediante la

constante de Planck(ℎ) y la de la velocidad de la luz (119888) La frecuencia del fotoacuten se relaciona con

la longitud de onda a traveacutes de la siguiente ecuacioacuten

119940 = 120642120640 120786 120789

Entonces la energiacutea del fotoacuten se puede escribir en funcioacuten de la longitud de onda como

119916 =119945119940

120640 120786 120790

Por lo tanto la energiacutea del fotoacuten puede calcularse como 12398

120582(119899119898) Aplicando al caso del ZnO se

adquieren los valores de la longitud de onda y la transmitancia del vidrio y la medida se divide la

transmitancia medida entre la del vidrio para obtener la transmitancia de la peliacutecula Se transforma

la transmitancia en coeficiente de absorcioacuten y la longitud de onda en energiacutea (H Bubert amp Jenett

2002)

Los anaacutelisis de absorbancia y transmitancia para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con

tratamiento de recocido se realizaron con el espectroacutemetro UV-Vis marca Analytik Jena Modelo

Specord Plus 250 y con un barrido de longitud de onda de 300 nm a 800 nm

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443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)

Este meacutetodo inventado en 1985 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer pertenece al grupo de

teacutecnicas de microscopiacutea de fuerza de barrido un grupo de teacutecnicas que estaacuten basadas en la

medicioacuten de diferentes fuerzas como son la fuerza atractiva la gravitatoria la repulsiva la

magneacutetica la de Van Der Walls y la electrostaacutetica esta medicioacuten es hecha entre la punta fina y la

superficie de la muestra

La formacioacuten de la imagen se lleva a cabo mediante la medicioacuten de la fuerza de interaccioacuten a

traveacutes de la deflexioacuten de un cantileacutever Aunque diversos tipos de fuerzas se encuentran cuando una

punta se aproxima a la superficie de la muestra la generacioacuten de la sentildeal en el AFM se basa

esencialmente en fuerzas repulsivas interatoacutemicas que son de naturaleza de corto alcance

En el caso ideal se puede asumir ver figura 414 lo que significa que el contacto directo de la

punta con la superficie se la muestra se limita a un aacuterea muy pequentildea Como resultado de esto

siempre hay una fuerza repulsiva interatoacutemica en esta pequentildea aacuterea de contacto debido a la

penetracioacuten de las capas electroacutenicas de los aacutetomos de la punta y los de la superficie de la muestra

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Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del sustrato (Fuente Rojas)

La fuerza repulsiva interatoacutemica estaacute influenciada por la densidad total de electrones alrededor

de un aacutetomo y no soacutelo por los estados particulares de la energiacutea La interaccioacuten entre la punta y la

muestra puede ser descrita por una graacutefica fuerza vs distancia esta graacutefica mostrada en la figura

415 permite ver los cambios de fuerza cuando la punta se acerca a la muestra si hay una gran

separacioacuten no hay interaccioacuten por lo tanto la fuerza seriacutea cero (en la liacutenea entre 1 y 2 no habriacutea

fuerzas electrostaacuteticas) En la posicioacuten 2 la punta pasa a estar en contacto debido a la fuerza

atractiva de Van Der Walls como la punta se mueve hacia la muestra entonces la fuerza total que

actuacutea sobre el cantileacutever es repulsiva Cuando la punta es arrastrada sobre la muestra las fuerzas

se reducen a lo largo de la liacutenea pasando de la posicioacuten 3 a la posicioacuten 4

Por debajo de la liacutenea de fuerza del diagrama dicha fuerza que actuacutea sobre el cantileacutever se

vuelve atractiva debido a la adhesioacuten En el punto 4 la fuerza es de adhesioacuten y la carga del

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cantileacutever apenas estaacute equilibrada la punta es tirada hacia afuera de la superficie debido a las

fuerzas de repulsioacuten

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta con la superficie del

sustrato (Fuente Rojas)

Modos de trabajo de un microscopio de fuerza atoacutemica

El AFM puede funcionar en distintos arreglos o modos experimentales estos modos se dividen

baacutesicamente en dos grupos modos de contacto continuo y modos dinaacutemicos Los modos de

contacto continuo fueron los primeros utilizados en los antildeos tempranos del AFM y su uso apenas

insinuaba la resolucioacuten nanomeacutetrica de la que el instrumento era capaz El meacutetodo dinaacutemico de

maacutes uso es el meacutetodo de contacto intermitente o tapping mode (Loacutepez y Solares 2014)

Modo contacto

El modo contacto es el disentildeo experimental maacutes simple en este modo la punta de la sonda se

encuentra en contacto perpetuo con la muestra por lo que tambieacuten es llamado modo estaacutetico La

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figura 416 muestra el funcionamiento del AFM en modo contacto Durante la toma de imaacutegenes

en modo contacto la variable control es la deflexioacuten de la micropalanca (anaacutelogo a la compresioacuten

o estiramiento de un resorte) La variable control es mantenida constante por medio de un circuito

de retroalimentacioacuten (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemica (Fuente Loacutepez y Solares)

El escaacutener sobre el que descansa la muestra se encarga de moverla con respecto a la

micropalanca en direccioacuten ldquoxyrdquo para realizar distintas liacuteneas de escaneo La micropalanca al

interactuar con la muestra sufre una deflexioacuten proporcional a la fuerza de interaccioacuten con la

superficie obedeciendo a la ley de Hooke (ecuacioacuten 49) En este circuito la sentildeal de deflexioacuten es

leiacuteda en el fotodetector y transmitida a la caja electroacutenica donde se compara el valor actual con el

punto de ajuste (setpoint) De acuerdo a esa diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal de salida

al escaacutener para ajustar la posicioacuten en el eje ldquozrdquo de la muestra si fuera necesario para mantener la

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variable control constante Como consecuencia de las exploraciones en ejes ldquoxyrdquo asiacute como los

cambios en ldquozrdquo se genera una imagen topograacutefica de la superficie de la muestra estudiada (Loacutepez

y Solares 2014)

= 119948119963∆119937 120786 120791

Donde

Fuerza arbitraria de magnitud F

∆119937 Compresioacuten del resorte

119948119963 Constante elaacutestica

Modo contacto intermitente

Eacuteste meacutetodo es comuacutenmente conocido como ldquotapping moderdquo en ingleacutes es el meacutetodo maacutes baacutesico

de los meacutetodos dinaacutemicos ademaacutes es el meacutetodo maacutes frecuente utilizado en AFM En este meacutetodo

la micropalanca se hace vibrar con amplitudes en el rango nanomeacutetrico (aproximadamente entre 5

y 200 nm) razoacuten por la que se le conoce como una teacutecnica de amplitudes ldquograndesrdquo El teacutermino

ldquograndesrdquo es relativo cuando se compra a otras teacutecnicas dinaacutemicas en la que la micropalanca puede

vibrar en el rango de los angstroms como en el caso de modulacioacuten de frecuencia en alto vaciacuteo

(Gross et al 2009)

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El AFM de contacto intermitente funciona con un circuito que controla la amplitud y se encarga

de mantenerla a un valor preestablecido (setpoint) En el circuito de modulacioacuten de amplitud ver

figura 417 la amplitud es calculada internamente con los valores de pendiente de la micropalanca

que lee el fotodetector Luego esa amplitud se compara con el valor preestablecido de amplitud y

si existe una diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal al escaacutener este se encarga de hacer la

correccioacuten en el eje ldquozrdquo para poder alcanzar el valor preestablecido y de esta forma mantener la

variable control (amplitud) constante Al igual que el meacutetodo de contacto las exploraciones en

ejes ldquoxyrdquo asiacute como los cambios en el eje ldquozrdquo generan una imagen topograacutefica de la superficie

estudiada (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitente (Fuente Loacutepez y Solares)

Los cambios topograacuteficos generan cambios en la amplitud de oscilacioacuten Por ejemplo si la

micropalanca se encuentra con una protuberancia la amplitud de la punta se veraacute reducida

temporalmente luego para compensar por esa peacuterdida de amplitud el escaacutener recibiraacute a traveacutes del

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circuito la sentildeal para mover la muestra hacia abajo con el objetivo de mantener la amplitud

preestablecida (setpoint) Es importante mencionar que en este modo se escoge una amplitud en el

experimento correspondiente a una fraccioacuten de la amplitud libre ver figura 417) Tanto la

amplitud libre de la punta como la fraccioacuten de la amplitud libre se escogen durante el experimento

la eleccioacuten de estos paraacutemetros antildeade complejidad si lo comparamos con el modo contacto donde

el usuario uacutenicamente se preocupa de una variable que es la deflexioacuten de la micropalanca (Loacutepez

y Solares 2014) Es por ello que en general el aumento del grado de sofisticacioacuten del meacutetodo en

AFM permite la recopilacioacuten de mayor informacioacuten pero al mismo tiempo requiere de mayor

juicio conocimiento y experiencia del usuario

Existen ecuaciones que sirven para determinar los distintos paraacutemetros de rugosidad de las

muestras a analizar de las cuales soacutelo se usaron dos en este trabajo de tesis que son

Desviacioacuten Promedio

119929119938 =120783

119951 sum|119962119946|

119951

120783

120786 120783120782

Desviacioacuten Estaacutendar

119929119954 = radic120783

119951 sum 119962119946

120784

119951

120783

120786 120783120783

Donde

119962119946 Distancia vertical desde la liacutenea principal hasta el i-eacutesimo punto de dato

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119951 Orden de los perfiles de rugosidad

119929119938 Desviacioacuten Promedio (Rugosidad Media)

119929119954 Desviacioacuten Estaacutendar (Rugosidad Cuadraacutetica Media)

Los anaacutelisis de rugosidad de las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

se realizaron con el equipo de Microscopiacutea de fuerza atoacutemica marca Bruker y modelo Dimension

Edge V-T 102

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CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

51 Difraccioacuten de Rayos X

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano

En la figura 51 se observan los picos de difraccioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

sintetizada a 300 y de las recocidas a las temperaturas de 400 450 119910 500 respectivamente

Los picos de difraccioacuten teoacutericos se encuentran en el anexo A Todas las muestras presentan

naturaleza policristalina y estructura hexagonal wurtzita con una clara orientacioacuten preferencial en

el plano (002) no se presentaron picos caracteriacutesticos del cobre debido al bajo porcentaje de

dopaje La intensidad del pico del plano (002) en las peliacuteculas sometidas a temperaturas de

recocido son mayores en comparacioacuten a la de la peliacutecula sin recocido presentando el mayor pico

a 450 mientras que el plano (100) aparece uacutenicamente en la peliacutecula recocida a 400 S

observoacute una disminucioacuten del tamantildeo del cristalito con la primera temperatura de recocido de alliacute

en adelante fue aumentando en cambio el paraacutemetro de red c fue disminuyendo con la temperatura

de recocido Todo esto puede ser quizaacutes a la sustitucioacuten de iones de cobre en los sitios del zinc

ingreso de iones de cobre a los intersticios (ya que el radio ioacutenico del zinc es casi del mismo tamantildeo

que el del cobre) o vacancias de iones de zinc u oxiacutegeno produciendo una deformacioacuten en la red

seguacuten Filali Torchynska Diacuteaz amp Morales (2015) Si iones Cu1 sustituyen a iones Zn2 en la

estructura cristalina existe un incremento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como

se observa en las peliacuteculas recocidas a 450 119910 500 pero si es el ion Cu2 el que sustituye a iones

Zn2 se observa un decrecimiento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como sucede en

las peliacuteculas de 300 400 119910 450

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Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con recocido (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la tabla 1 se muestran los valores calculados para el aacutengulo de Bragg del plano (002) la

distancia interplanar el paraacutemetro c el ancho completo de la mitad del maacuteximo y el tamantildeo del

cristalito

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Tabla 1

Tabla de valores para las propiedades estructurales

Datos obtenidos mediante DRX y caacutelculos (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra

120784120637(deg)

119941119945119948119949(Aring)

119836 (Aring)

FWHM 119811 (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3441 2604 5208 03221 2582

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 3448 2599 5198 04430 1878

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 3463 2588 5176 03161 2633

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 3458 2592 5184 02847 2923

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En la figura 52 se observa la relacioacuten entre el tamantildeo del cristalito y la temperatura de recocido

el recocido a 400 no fue suficiente para lograr aumentar el tamantildeo del cristalito es por eso que

disminuye considerablemente a partir de alliacute aumenta a medida que lo hace la temperatura

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica

521 Morfologiacutea y rugosidad

La figura 53 a-d muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas tomadas en AFM en dos

dimensiones barridas en un aacuterea de 5120583119898 119909 5120583119898 La superficie de las peliacuteculas no son homogeacuteneas

son rugosas con tamantildeo de grano variable Para a) se observa que el crecimiento del grano se dio

en forma de montantildeas en b) el crecimiento del grano cambioacute draacutesticamente y se dio en forma de

espiral esto puede ser debido al reordenamiento de los aacutetomos que se dio al someter la peliacutecula a

la temperatura de recocido para c) mejoroacute la cristalinidad y la forma de crecimiento fue

nuevamente como montantildea esto concuerda con el aumento del valor del tamantildeo del cristalito y

para d) la cristalinidad volvioacute a mejorar en concordancia con el tamantildeo del cristalito que aumento

un poco maacutes Esto es debido a que el incremento del tamantildeo del cristalito causa un aumento en la

rugosidad seguacuten Saidani et al (2006)

Para cada peliacutecula se hicieron tres mediciones en diferentes zonas para determinar los

paraacutemetros de rugosidad siendo sus valores promedio Rugosidad Promedio (119877119886) 000611 120583119898 y

la Rugosidad Cuadraacutetica Media (119877119902) 0007843 120583119898 que son mostrados en la tabla 2

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Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 ordmC c) rec a 450 ordmC

y d) rec a 500 ordmC (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la figura 54 a b c y d se muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas ahora en tres

dimensiones en estas imaacutegenes se observa mucho mejor el cambio de la cristalinidad y la

morfologiacutea para cada peliacutecula la rugosidad (Ra) aumenta en funcioacuten de la temperatura de recocido

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 c) rec a 450 y

d) rec a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

En la tabla 2 se han registrado los valores de la rugosidad media (Ra) y la rugosidad cuadraacutetica

media (Rq) para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

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Tabla 2

Tabla de valores de las rugosidades

Datos obtenidos mediante el software del equipo de afm (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra 119929119954 (120641119950) 119929119938 (120641119950)

ZnOCu 3 vol sin recocido 0007843 0006110

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 0006960 0005336

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 0011033 0008840

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 0011933 00095733

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En la figura 55 se observa la rugosidad media (Ra) en funcioacuten de la temperatura de recocido

con lo cual se puede confirmar que a medida que aumenta la temperatura de recocido aumenta la

rugosidad de la peliacutecula a partir de 400

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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53 Espectrometriacutea UV-Vis

531 Transmitancia

En la figura 56 se observan los espectros de transmitancia oacuteptica de las peliacuteculas delgadas de

ZnOCu 3 vol sintetizadas por el meacutetodo de rociado piroliacutetico a 300 ordmC y las sometidas a

temperaturas de recocido de 400 ordmC 450 ordmC y 500 ordmC obtenidas por espectrofotometriacutea UV-Vis

en el rango de longitudes de onda de 300 a 750 nm

Las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin recocido y con recocido presentan alta

transmitancia (gt80) esto se debe al dopaje con cobre seguacuten Bunyod Allabergenov et al (1946)

La muestra recocida a 500 ordmC presenta la mayor transmitancia (gt80) en el rango de 500 a 600

nm

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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532 Absorbancia y energiacutea del gap

En la figura 57 se puede ver el espectro de absorbancia para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol

sin y con recocido

El pico de absorbancia para todas las peliacuteculas se tiene aproximadamente en 375 nm luego

decae hasta hacerse casi nula para todas las peliacuteculas esto se debe al dopaje con cobre seguacuten

Bunyod Allabergenov (1946)

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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Se utilizoacute el modelo de Tauc para calcular la energiacutea del gap en cada peliacutecula El dopaje con

cobre disminuyoacute la energiacutea del gap a 3256 eV comparaacutendola con el valor teoacuterico (337 eV)

mientras que al someter las peliacuteculas a temperaturas de recocido se observa que el valor de la

energiacutea del gap cambia ligeramente siendo 3256 3263 y 3257 eV para las peliacuteculas recocidas a

400 450 119910 500 respectivamente a diferencia de lo reportado por Mathew (2015) esto se deba

quizaacutes a que la cantidad de cobre no fue la suficiente para lograr la disminucioacuten de la energiacutea del

gap

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para la peliacutecula recocida a

400 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y derecha para la peliacutecula

recocida a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la tabla 3 se han registrado los valores de la energiacutea del gap para las muestras sin y con

recocido de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol

Tabla 3

Tabla de valores de la Energiacutea del Gap

Datos obtenidos usando la relacioacuten de Tauc (Fuente Elaboracioacuten Propia)

Muestra Energiacutea del Gap (eV)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 400 deg119914 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 450 deg119914 3263

ZnOCu 3 vol recocido a 500 deg119914 3257

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CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES

bull Utilizando la teacutecnica de rociado piroliacutetico se obtuvo la peliacutecula delgada de ZnOCu

3 vol siendo la temperatura de siacutentesis de 300ordmC sobre un sustrato de vidrio marca

Pearl

bull Los patrones de difraccioacuten de rayos X nos ayudaron a determinar los picos de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol obtenieacutendose como resultado

un crecimiento preferencial en la direccioacuten del plano (002) siendo la muestra recocida

a 450 ordmC la que presentoacute el pico maacutes elevado Esto es caracteriacutestico de la estructura

hexagonal wurtzita

bull El tamantildeo del cristalito aumenta a medida con la temperatura de recocido a partir de

400 ordmC

bull El paraacutemetro c disminuye a medida que aumenta la temperatura de recocido

bull Las imaacutegenes obtenidas por AFM muestran que la rugosidad media (Ra) de las

peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol aumentaron a medida que aumenta la

temperatura de recocido a partir de 400 ordmC

bull La espectrofotometriacutea UV-Vis revela que todas las muestras de ZnOCu 3 vol

presentan alta transmitancia (gt80) a partir de 400 nm hasta los 750 nm siendo la

muestra recocida a 500ordmC la que presenta mayor transmitancia (gt90) en el rango de

500 a 600 nm

bull La absorbancia a partir de 400 nm es casi nula en todas las muestras

bull La energiacutea del gap se mantiene casi constante con la temperatura de recocido

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CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS

bull Se sugiere incrementar el nuacutemero de capas de la peliacutecula delgada ya que se si bien es

cierto que si se pudieron observar los patrones de difraccioacuten estos presentan ruido en

su graacutefica y se cree que esto puedo mejorar haciendo maacutes gruesa la peliacutecula

bull Se sugiere incrementar el rango de temperaturas de recocidos para poder obtener maacutes

detalles acerca de la influencia de eacutesta temperatura en las propiedades que se quieran

analizar de las peliacuteculas delgadas

bull Se sugiere realizar el dopaje con otros porcentajes de cobre para obtener maacutes

informacioacuten acerca de la influencia de esto en las propiedades a estudiar

bull Se sugiere calcular los esfuerzos por deformacioacuten

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71

REFERENCIAS

Acosta D R y Magantildea C R (2012) Oacutexidos conductores transparentes (119885119899119874 minus 1198781198991198742) Para

Remediacioacuten Ambiental Por Procesos Fotocataliacuteticos Muestra de proyectos ambientales

de tu ciudad Instituto de Fiacutesica de la Universidad Nacional Autoacutenoma de Meacutexico

Meacutexico DF

Alamri S N y Brinkman W A (2000) The effect of the transparent conductive oxide on the

performance of thin film CdSCdTe Solar cells J Phys D Appl Phys 33(1)

Aacutelvaro A D (2014) Estudio de Peliacuteculas Delgadas de 1198821198743 depositadas por la teacutecnica de

Sputtering Reactivo (tesis de pregrado) Cimav Chihuahua Meacutexico

American Society For Testing Materials Copper and Copper Alloys Annual Book of ASTM

Standards Vol21 (2) (ASTM International West Conshohocken PA) Revisado

anualmente

Askeland D (1998)Ciencia e Ingenieriacutea de los MaterialesUsa Thomson

Bedia F Z Bedia A N Maloufi N Aillerie M Gent F y Benyoucef B (2014) Effect

of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray

pyrolysis technique Journal of Alloys and Compounds 616 312ndash318

Benharrats F Zitouni K Kadri A y Gil B (2010) Determination of piezoelectric and

spontaneous polarization fields in CdxZn1ndashxOZnO quantum wells grown along the polar

(0001) direction Superlattices and Microstructures 47 592ndash596

Bubert H y Jenett H (2002) Surface and Thin Films Analysis Alemania Wiley

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

72

Bunyod A Oybek T Amir I A Jeong S W y Sungjin K (1946) Study of optical

properties in cu-doped zno thin films fabricated by dc magnetron sputtering Kumoh

National Institute of Technology (KIT) Metallkunde 37 40-4

Caglar Y Aksoy S Ilican S y Caglar M (2009) Crystalline structure and morphological

properties of undoped and Sn doped ZnO thin films Superlattices and Microstructures

46 469-475

Crystallography Open Database (2018) Recuperado de

httpwwwcrystallographynetcod1011258html

Deinert J (2016) Zinc Oxide Surfaces and Interfaces Electronic Structure and Dynamics of

Excited States (tesis postdoctoral) Department of Physics Technische Universitaumlt

Berlin Berlin Alemania

Filali B E Torchynska T V Diacuteaz C A y Morales R M (2015) Structural and raman

scattering studies of ZnO Cu nanocrystals grown by spray pyrolysis Revista Mexicana

de Ingenieriacutea Quiacutemica 14(3) 781-788

Gross L Mohn F Liljeroth P Repp J Giessibl FG y Meyer G (2009) Measuring the

charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy Science 324(5933)

1428-1431

Gurumurugan y Mangalaraj (1995) Structural Characterization of zinc oxide thin films

deposited by sol-gel Journal of Crystal Growth 147 335-360

Hafdallah A Herissi I Chergui N Kebaili Z Aida M y Attaf N (2018) Structural and

optical properties of ZnO thin films deposited by pyrolysis spray method effect of Al

doping Nanotechnology Letters

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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BIBLI

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

73

Hernaacutendez S S (2014) Preparacioacuten y Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de ZnO y

ZnOAl por la teacutecnica de Rociacuteo Piroliacutetico Para su Aplicacioacuten en Celdas Solares (tesis de

maestriacutea) Instituto Politeacutecnico Nacional Altamira Meacutexico

Hirata G A McKittrick J Siqueiros J Loacutepez O A Cheeks T Contreras O y Yi J Y

(1996) High transmittance-low resistivity ZnOGa films by laser ablation Journal of

Vacuum Science amp Technology A Vacuum surfaces and films 14(3) 791-794

Jeong S H Park B N Yoo D G y Boo J H (2007) Al-ZnO thin films as transparent

conductive oxides synthesis characterization and application tests Journal of the

Korean Physical Society 50(3) 622-625

Jijoy P M Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties of

Transition Metal Doped ZnO Thin Films IOP Conf Series Materials Science and

Engineering 731-5 doi 1010881757-899X

Kane J Schweizer H P y Kern W (1976) Chemical Vapor Deposition of Antimony-Doped

Tin Oxide Films Formed from Dibutyl Tin Diacetate Journal of the Electrochemical

Society 126(2) 270-277

Koumllble Ch Greiner D Klaer J Klenk R Meeder A y Ruske F (2009) DC reactive

sputtering of aluminum doped zinc oxide films for solar modules controlled by target

voltage Thin Solid Films 520 1913-1917

Leoacuten L H (2014) Efecto de la temperatura de recocido en la resistividad eleacutectrica de las

peliacuteculas de SnO2 sintetizadas por rociado piroliacutetico (tesis de pregrado) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

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S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

74

Liu H Avrutin V Izyumskaya N Oumlzguumlr Uuml y Morkoccedil H (2010) Transparent conducting

oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices Superlattices

and Microstructures 48 458ndash484

Loacutepez W Castro P Molina J y Arbey J (2011) Estabilidad y estructura electroacutenica del

ZnO Revista Colombiana de Fiacutesica 43 (I)

Loacutepez G Morales R Olea O Saacutenchez V Trujillo J Varela V y Vilchis A (2013)

Nanoestructuras metaacutelicas Siacutentesis caracterizacioacuten y aplicaciones Meacutexico DF

Meacutexico Reverteacute

Loacutepez E A y Solares S D (2014) El microscopio de fuerza atoacutemica meacutetodos y aplicaciones

Revista 28 de la Universidad del Valle de Guatemala 14-23

Mathew J P Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties

of Transition Metal Doped ZnO Thin Films Mat Sci and Eng 73 1-5

Minami T (2008) Present status of transparent conducting oxide thin-film development for

Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes Thin Solid Films 516 5822-5828

Mizuhashi M (1980) Electrical properties of vacuum-deposited indium oxide and indium tin

oxide films Thin Solid Films 70(1) 91-100

Mooney J B amp Rading S B (1982) Spray Pyrolysis Processing Annual Reviews of

Materials Science 12 81-101

Noriega D E (2015) Efecto de la temperatura del sustrato en los esfuerzos residuales de las

peliacuteculas de ZnO sintetizadas por Rociado Piroliacutetico (tesis de Maestriacutea) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

Pan C A y Ma T P (1980) High-quality transparent conductive indium oxide films

prepared by thermal evaporation Applied Physics Letter 37(2) 163

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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BIBLI

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

75

Peacuterez M L (2005) Fabricacioacuten y Caracterizacioacuten Oacuteptica Estructural y Eleacutectrica de Peliacuteculas

Delgadas Transparentes de Oacutexidos de Estantildeo Circonio y Zinc (tesis de doctorado)

Instituto Politeacutecnico Nacional Meacutexico DF Meacutexico

Rahmani M B Keshmiri S H Shafiei M Latham K Wloarski W Plessis J du y

Kalantar-Zadeh K (2009) Transition from n- to p- Type of Spray Pyrolysis Deposited

Cu Doped ZnO Thin Films for NO2 Sensing ASP 7 1-8

Ramiacuterez C M (2015) Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de 119885119899119874 1198661198863+ Obtenidas Por La

Teacutecnica de Sol-Gel (tesis de pregrado) Universidad Tecnoloacutegica de la Mixteca

OaxacaMeacutexico

Rojas F S (2013) Influencia de la temperatura de recocido de las peliacuteculas de ZnO

compuestas con nanopartiacuteculas de Au sobre el crecimiento de Nanorods (tesis de

pregrado) Universidad Nacional de Trujillo Trujillo La Libertad Peruacute

Rozati S M (2008) Effect of film thickness on the physical properties of ZnOAl thin films

deposited using a spray pyrolysis technique Canadian J Phys 86 379ndash382

Ruumlcker N y Becker K J (1978) Life stability of transparent semiconducting oxide films

deposited onto cold substrates Thin Solids Films 53(2) 163-167

Sahay PP y Nath RK (2008) Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG)

sensors Sensors and ActuatorsB(133) 222ndash227

Saidani T Zaabat M Aida M S Benoboud A Benzitouni S y Boudine A (2014)

Influence of annealing temperature on the structural morphological and optical properties

of Cu doped ZnO thin films deposited by the sol-gel method Superlattices and

Microstructures 75 47-53

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76

Ghandi S K Field R J y Shealy J R (1980) Highly oriented zinc oxide films grown by the

oxidation of diethylzinc Applied Physics Letters 37(5) 449

Waal H y Simons F (1981) Tin oxide coatings Physical properties and applications Thin

Solid Films 77 253-258

Wang L Zhang X Zhao S Zhou G Zhou Y y Qi J (2005) Synthesis of well-aligned

ZnO nanowires by simple physical vapor deposition on c-oriented ZnO thin films without

catalyst or additives App Phy Lett 86(2)

Wolgamott J C (2017) Analysis of Zinc Oxide Thin Films Synthesized by Sol-Gel via Spin

Coating (tesis de maestriacutea) The University of Wisconsin-Milwaukee USA

Yan Y Al-Jassim M M y Wei S (2006) Doping of ZnO by group-IB element Applied

Physics Letters 89

Zhon L W (2004) Nanostructures of Zinc Oxide Materials today 7 26-33

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77

ANEXOS

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78

ANEXO A

Valores Teoacutericos Del Zno

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnO (Fuente En liacutenea)

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79

ANEXO B

Caacutelculo de la distancia interplanar

La distancia interplanar fue calculada a partir de la Ley de Bragg

119941 =120640

120784 119852119842119847 120637

Doacutende d es la distancia interplanar 120582 es la longitud de onda de rayos X (15405981 A) y 120579 es

el aacutengulo de Bragg

Se tomoacute como plano de referencia el (002)

Para la muestra sin tratamiento de recocido el aacutengulo fue 2120579 = 3441deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120782120787deg

119941 = 120784 120788120782120786 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3448deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120786deg

119941 = 120784 120787120791120791 119808

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80

Para la muestra recocida a 450deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3463deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120785120783120787deg

119941 = 120784 120787120790120790 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3458deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120791deg

119941 = 120784 120787120791120784 119808

Caacutelculo del paraacutemetro c

El paraacutemetro de red C fue calculado para cada muestra con la foacutermula

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784

Doacutende h=k=0 y l=2 reemplazando estos datos tenemos

119940 = 119949 119941119945119948119949

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81

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119940 = (120784)120784 120788120782120786 119808

119940 = 120787 120784120782120790 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120791 119808

119940 = 120787 120783120791120790 119808

Para la muestra recocida a 450deg119862

119940 = (120784)120784 120787120790120790 119808

119940 = 120787 120783120789120788 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120784 119808

119940 = 120787 120783120790120786 119808

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82

Caacutelculo del tamantildeo de grano

Para calcular el tamantildeo del cristalito se utilizoacute la ecuacioacuten de Debye-Scherrer

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637

Doacutende K es la constante que es 09 para partiacuteculas esfeacutericas 120582 es la longitud de onda de los

rayos X (15405981 A) 120573 es la mitad del ancho del maacuteximo (FWHM) pico que para nuestro caso

fue el que correspondiacutea al plano (002) y estaacute dado en radianes y 120579 es el aacutengulo de Bragg

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120788120784120783) 119836119848119852 120783120789 120784120782120787deg119808

119915 = 120784120787 120790120784 119951119950

Para la muestra recocida a 400deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120789120789120785120783) 119836119848119852 120783120789 120784120786deg119808

119915 = 120783120790 120789120790 119951119950

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83

Para la muestra recocida a 450deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120787120783120789) 119836119848119852 120783120789 120785120783120787deg119808

119915 = 120784120788 120785120785 119951119950

Para la muestra recocida a 500deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120786120791120788120789) 119836119848119852 120783120789 120784120791deg119808

119915 = 120784120791 120784120785 119951119950

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84

ANEXO C

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada

Se realizoacute una pequentildea incisioacuten en la peliacutecula con una navaja de tal forma que la peliacutecula pueda

ser desprendida pero que no produzca rayaduras en el sustrato y utilizando el Meacutetodo Section del

Software NanoScope Analysis version 140 se calculoacute la distancia vertical y horizontal en tres

regiones para obtener un promedio con lo cual seriacutea el espesor aproximado de la peliacutecula

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b) Imagen 3D del escaloacuten

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85

Tabla 4

Tabla de datos de las alturas horizontales y verticales

Datos obtenidos para calcular el espesor de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 (Elaboracioacuten Propia)

Calculando el promedio de las distancias verticales

(189441 + 184037 + 170941)119899119898 = 544419 119899119898

544419119899119898

3= 181473 119899119898

El grosor de la peliacutecula fue 181 473 nm

Este proceso se realizoacute para todas las muestras en la tabla 5 se muestran los valores

correspondientes cada peliacutecula

Tabla 5

Tabla de valores del espesor de cada peliacutecula

Muestra Espesor (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 181473

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 179596

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 181210

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 183498

Datos calculados para el espesor de cada peliacutecula (Fuente Elaboracioacuten propia)

N Distancia Horizontal Distancia Vertical

1 3249 (microm) 189441 (nm)

2 3679 (microm) 184037 (nm)

3 3914 (microm) 170941 (nm)

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86

ANEXO D

Caacutelculo de los valores de Rugosidad

Se calculoacute el promedio de la rugosidad media y la rugosidad cuadraacutetica media para cada

peliacutecula El aacuterea de anaacutelisis en todas las muestras fue 3um x 1um y los valores fueron obtenidos

por el sensor de altura en el software de AFM Dimension Edge VT-112

Muestra Sin Rec

Figura D 1 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra sin rec

Tabla 6

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rec

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000751 000589

ZONA 2 000849 000646

ZONA 3 000753 000598

PROMEDIO 000784 000611

Datos para el promedio de la rugosidad de ZnOCu 3 vol Sin Rec (Elaboracioacuten Propia)

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87

Muestra Rec a 120786120782120782

Figura D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 400 ordmC

Tabla 7

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

Muestra Rec a 120786120787120782

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000634 000506

ZONA 2 000769 000590

ZONA 3 000685 000505

PROMEDIO 000696 000534

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88

Figura D3 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 450 ordmC

Tabla 8

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00112 000903

ZONA 2 00110 000872

ZONA 3 00109 000877

PROMEDIO 00110 000884

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89

Muestra Rec a 120787120782120782

Figura D4 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 500 ordmC

Tabla 9

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec 500 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00119 000956

ZONA 2 00120 000969

ZONA 3 00119 000947

PROMEDIO 00119 000957

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90

ANEXO E

Caacutelculo de la energiacutea del gap

Se utilizoacute la foacutermula 46

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material que es igual a la absorbancia dividida por

el espesor de la peliacutecula 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ es la constante de Planck 120584 es

la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

Haciendo los caacutelculos respectivos en Excel obtuvimos los valores de ℎ120584 y (120572ℎ120584)2

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauc

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91

Luego graficamos esto usando Origin 8 y trazando la recta hasta el intercepto con el eje x

obtuvimos el valor de la energiacutea del gap Esto se hizo para todas las peliacuteculas

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas las peliacuteculas

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AS

Page 7: FÍSICAS INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO …

vii

ABSTRACT

In this thesis work Iacuteve studied the influence of annealing temperature over to rugosity

transmitance and cristallite size of ZnOCu 3 thin films The ZnOCu 3 thin films was

synthetisized over glass substrates by spray pyrolisys technique using zinc acetate

dyhidrate[119885119899(11986211986731198621198742)2 21198672119874] and copper chloride dyhidrate[1198621198972119862119906 21198672119874] as precursor

solutions mixed in ethanol The diffraction patterns of ZnOCu 3 thin films both without

annealing and annealed at 400 450 and 500 indicates that all samples are polycrystalline with

wurtzita hexagonal structure The preferred plane of growth was (002) decreasing the intensity of

its peak only in the sample annealed at 400 The crystallite size for the sample without annealing

was 2582 nm and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 1878 2633 and 2923 nm

respectively The images obtained by atomic force microscopy indicate that the average roughness

(Ra) increases with annealing temperature except for the sample annealed at 400 which

decreases Analyzes in the UV-Vis indicate that these films have high transmittance greater than

80 and that the absorbance is minimal The band gap for sample without annealing was 3256

eV and for the samples annealed at 400 450 and 500 of 3256 3263 and 3257 eV respectively

Keywords Annealing temperature thin film spray pyrolysis polycrystalline average roughness

band gap

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viii

IacuteNDICE GENERAL

PRESENTACIOacuteN iii

DEDICATORIA iv

AGRADECIMIENTOS v

RESUMEN vi

ABSTRACT vii

IacuteNDICE GENERAL viii

IacuteNDICE DE FIGURAS xii

Capiacutetulo 2 xii

Capiacutetulo 3 xii

Capiacutetulo 4 xiii

Capiacutetulo 5 xiv

Anexos xiv

IacuteNDICE DE TABLAS xvi

CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1

CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 5

21 Oacutexido de Zinc 5

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO 5

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ix

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO 7

24 El Cobre y Sus Propiedades 8

25 Dopado al Oacutexido de Zinc 9

CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE PELIacuteCULAS DELGADAS 12

31 Procesos Fiacutesicos 14

311 Evaporacioacuten teacutermica 14

312 Sputtering 15

32 Procesos Quiacutemicos 17

321 CVD 17

322 Sol-Gel 19

323 Rociado Piroliacutetico 20

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas 24

331 Modo de crecimiento capa por capa Δ120574 gt 0 26

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas 26

333 Modo de crecimiento por islas Δ120574 lt 0 26

CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO 27

41 Materiales Equipos e Instrumentos 27

42 Meacutetodo 30

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos 30

422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol 32

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol 38

44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten 40

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX) 40

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis) 43

443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) 47

CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 55

51 Difraccioacuten de Rayos X 55

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano 55

52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 59

521 Morfologiacutea y rugosidad 59

53 Espectrometriacutea UV-Vis 64

531 Transmitancia 64

532 Absorbancia y energiacutea del gap 65

CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES 69

CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS 70

REFERENCIAS 71

ANEXOS 77

ANEXO A 78

Valores Teoacutericos Del Zno 78

ANEXO B 79

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Caacutelculo de la distancia interplanar 79

Caacutelculo del paraacutemetro c 80

Caacutelculo del tamantildeo de grano 82

ANEXO C 84

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada 84

ANEXO D 86

Caacutelculo de los valores de Rugosidad 86

Muestra Sin Rec 86

Muestra Rec a 400 87

Muestra Rec a 450 87

Muestra Rec a 500 89

ANEXO E 90

Caacutelculo de la energiacutea del gap 90

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IacuteNDICE DE FIGURAS

Capiacutetulo 2

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn

de color gris oscurohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnOhelliphelliphelliphelliphellip8

Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles

de fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Capiacutetulo 3

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipohelliphelliphellip16

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica de para un proceso de CVDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

Figura 34 Ruta Quiacutemica para el proceso de Sol-Gelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

Figura 35 Esquema del equipo de Rociado Piroliacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes

isla y (c) por islashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

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xiii

Capiacutetulo 4

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

Figura 43 Sustratos en detergentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenicohelliphellip31

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en hornohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica33

Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip34

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphellip35

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula

delgada de ZnOCu 3 vol helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

Figura 411 Diagrama de flujo del Proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadashelliphelliphellip39

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del

sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta

con la superficie del sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitentehelliphelliphelliphelliphelliphellip52

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Capiacutetulo 5

Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con

recocidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip58

Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 ordmC c) rec a 450 ordmC y d) rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 c) rec a 450 y d) rec a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y

con recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con

recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para

la peliacutecula recocida a 400 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y

derecha para la peliacutecula recocida a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

Anexos

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b)

Imagen 3D del escaloacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84

Figura D1 a Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra sin rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

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xv

Figura D2 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 400 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87

Figura D3 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 450 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88

Figura D4 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 500 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas

las peliacuteculashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91

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IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de valores para las propiedades estructuraleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

Tabla 2 Tabla de valores de las rugosidadeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

Tabla 3 Tabla de valores de la Energiacutea del Gaphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

Tabla 4 Tabla de datos de las alturas horizontales y verticaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 5 Tabla de valores del espesor de cada peliacuteculahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 6 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

Tabla 7 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87

Tabla 8 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88

Tabla 9 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

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CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN

Los materiales desarrollados a base de oacutexidos transparentes y conductores (por sus siglas en

ingleacutes TCOs) han recibido una gran aceptacioacuten en la comunidad cientiacutefica debido a sus muacuteltiples

aplicaciones en la industria optoelectroacutenica ya que sus propiedades de alta transparencia y baja

resistividad los hacen aptos para aplicaciones en celdas solares sensores de gases (Koumllble et al

2009) pantallas planas pantallas de cristal liacutequido ventanas electro-croacutemicas entre otros

Los TCOs son semiconductores que se caracterizan por tener altos valores de transmisioacuten oacuteptica

(~ 80 ) en el intervalo visible y bajas resistividades (lt 10minus3Ω119888119898) seguacuten Minami (2008)

Algunos de los oacutexidos metaacutelicos preparados en forma de peliacutecula delgada que son o pueden ser

utilizados como conductores transparentes son oacutexido de cadmio (119862119889119874) oacutexido de estantildeo (1198781198991198742)

ITO (11986811989921198743 119878119899) FTO (1198781198991198742 119865) y AZO (119885119899119874 119860119897)(Alamri amp Brinkman 2000)

Uno de los oacutexidos conductores transparentes comuacutenmente utilizados debido a su alta

transmitancia en el visible gt 80 y su baja resistividad del orden de 10minus4Ω119888119898 es el oacutexido de

indio dopado con estantildeo (ITO) seguacuten Minami (2008) Pero debido a la rareza del indio en la tierra

su costo es elevado Otro oacutexido conductor transparente que ha llamado fuertemente la atencioacuten es

el CdO que es un semiconductor degenerado porque los estados en el fondo de la banda de

conduccioacuten se encuentran ocupados por lo tanto presenta alta conductividad sin necesidad de ser

dopado (Bhosale Kambale Kokate amp Rajpure 2005)

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Sin embargo ya que el Cd es muy toacutexico la unioacuten europea a traveacutes de la directiva de restriccioacuten

de sustancias peligrosas lo catalogoacute entre los 6 elementos restringidos para su uso en dispositivos

eleacutectricos y optoelectroacutenicos Debido a esta restriccioacuten es necesario buscar otras alternativas una

de ellas es el ZnO ya que presenta alta conductividad eleacutectrica seguacuten Jeon Park Yoo amp Boo

(2007) altos valores de transmitancia en la regioacuten visible del espectro electromagneacutetico (Hirata et

al 1996) bajo costo alta disponibilidad y no toxicidad

El oacutexido de Zinc es reconocido como un semiconductor porque tiene un ancho de banda de 337

eV a temperatura ambiente posee una gran energiacutea libre de unioacuten de excitones alta estabilidad

propiedades fiacutesicas oacutepticas etc (Benharrats Zitouni Kadri y Gil 2010)

Una peliacutecula delgada se encuentra en el rango de 1 119886 100 119899119898 (Loacutepez et al 2013) Para que

una peliacutecula delgada sea considerada como eficaz debe ser quiacutemicamente estable en el entorno a

usar debe adherirse bien a la superficie que cubre (sustrato) debe tener un espesor uniforme y

debe tener una baja densidad de imperfecciones (Leoacuten 2014)

Dentro de los diversos meacutetodos para obtener peliacuteculas delgadas tenemos el de rociado piroliacutetico

que puede ser maacutes barato simple y versaacutetil a comparacioacuten de otros meacutetodos Las propiedades de

las peliacuteculas rociadas pueden faacutecilmente adaptarse para las aplicaciones requeridas

Adicionalmente tambieacuten es un meacutetodo de deposicioacuten adecuado cuando se necesitan peliacuteculas de

grandes aacutereas (Rahmani et al 2009)

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El meacutetodo de rociado piroliacutetico es un proceso en el cual una peliacutecula delgada es depositada

mediante el rociado de una solucioacuten en una superficie caliente donde los constituyentes reaccionan

para formar un compuesto quiacutemico Los reactantes quiacutemicos son seleccionados de tal forma que

los productos distintos al del compuesto deseado sean volaacutetiles a la temperatura de deposicioacuten

(Mooney amp Rading 1982)

Las caracteriacutesticas estructurales eleacutectricas y oacutepticas de las peliacuteculas delgadas de ZnO han sido

ampliamente investigadas mientras que el efecto del dopado sobre estas propiedades auacuten estaacuten

siendo estudiadas (Rozati 2008 Caglar Ilikan y Caglar 2009) Las peliacuteculas de ZnO pueden

doparse con Al3+ (Sahay amp Nath 2008) Sn4+ y Sn5+ (Bedia et al 2014) F1- Cu1+ Ag1+ Ga3+

In3+ (Liu Avrutin Izyumskaya Oumlzguumlr y Morkoccedil 2010)

Elegir el Cu como dopante para las peliacuteculas delgadas de ZnO es una buena opcioacuten ya que

influye en las propiedades oacutepticas estructurales quiacutemicas y eleacutectricas del ZnO y el estudio del

estado electroacutenico del Cu en ZnO ha venido siendo el tema de intereacutes por mucho tiempo ya que

son uno de los componentes principales en celdas fotovoltaicas (Bunyod 1946)

El efecto de la temperatura de recocido sobre las peliacuteculas delgadas de ZnOCu estaacute siendo

estudiada minuciosamente debido a que se han reportado casos en los cuales disminuye la banda

del gap y aumenta el esfuerzo a medida que aumenta dicha temperatura (Jijoy Varguese amp

Mathew 2015)

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4

En el presente trabajo de investigacioacuten se realizoacute la siacutentesis de peliacuteculas delgadas de ZnOCu

3 por el meacutetodo de rociado piroliacutetico sobre un sustrato de vidrio a una temperatura de 300 ordmC y

luego sometida a temperaturas de recocido entre 400- 500 ordmC La caracterizacioacuten de las peliacuteculas

antes y despueacutes del recocido se realizoacute mediante DR-X UV-Vis y AFM

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CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO

21 Oacutexido de Zinc

El oacutexido de zinc es un compuesto inorgaacutenico relativamente abundante quiacutemicamente estable

y no toacutexico es insoluble en agua pero soluble en aacutecidos y bases diluidas su punto de fusioacuten es de

1975 ordmC temperatura a la que tambieacuten se descompone es un semiconductor formado por los

elementos del grupo-II ( 119885119899)30 y el grupo-VI ( 1198748

) El zinc tiene cinco isoacutetopos estables de los

cuales los maacutes comunes son el zinc 64 (4889 ) zinc 66 (2781 ) y el zinc 68 (1857 )

mientras que el oxiacutegeno consiste casi puramente en el isoacutetopo de oxiacutegeno 16 (9976 ) seguacuten

Loacutepez Castro Molina y Arbey (2011)

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO

Cada aacutetomo de zinc se encuentra rodeado por un tetraedro de 4 aacutetomos de oxiacutegeno y viceversa

tal y como se muestra en la figura 21 formando de esta manera una combinacioacuten alternada de

planos de aacutetomos oxiacutegeno y de planos de aacutetomos de zinc las cuales se encuentran a lo largo del

eje c con un desplazamiento entre ellos de 038c siendo c su paraacutemetro de red en la direccioacuten

vertical Los valores de los paraacutemetros de red para dicho material en condiciones normales de

presioacuten y temperatura son a = 032495 nm y c = 052069 nm (Hernaacutendez 2014)

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Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn de color gris oscuro

(Fuente Hernaacutendez)

Su estructura puede describirse como un nuacutemero de planos alternantes que estaacuten compuestos

por iones de oxiacutegeno 1198742minus e iones de zinc 1198851198992+ que se encuentran alternados en el eje c esta

estructura tetraeacutedrica es la que le confiere su baja simetriacutea y lo que resulta en sus propiedades de

piezoelectricidad (Hernaacutendez 2014)

Otra importante caracteriacutestica del ZnO es su superficie polar siendo la maacutes comuacuten la del plano

basal Los iones de zinc y oxiacutegeno generan superficies cargadas positiva para (119885119899 minus (0001)) y

negativa para (119874 minus (0001)) lo que resulta en un momento dipolar normal y una polarizacioacuten

espontaacutenea La estabilidad de la superficie polar 119885119899119874 plusmn (0001) es materia de estudio tambieacuten es

atoacutemicamente plana y estable sin reconstruccioacuten (Hafdallah et al 2018 Zhon 2004)

El zinc tiene una configuracioacuten electroacutenica (1119904)2(2119904)2(2119901)6(3119904)2(3119901)6(3119889)10(4119904)2 mientras

que la configuracioacuten electroacutenica del oxiacutegeno es (1119904)2(2119904)2(2119901)4 El enlace de ZnO en su red

cristalina involucra una hibridacioacuten 1199041199013 de los estados electroacutenicos lo cual lleva a cuatro orbitales

equivalentes en una geometriacutea tetraeacutedrica En el cristal semiconductor resultante los estados de

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enlace 1199041199013 constituyen la banda de valencia mientras que la banda de conduccioacuten se origina de su

contraparte de anti-enlace seguacuten Deinert (2016)

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO

Estructuralmente el oacutexido de zinc tiene tres tipos de direcciones raacutepidas de crecimiento las

cuales son lang2110rang ( plusmn[2110] plusmn[1210] plusmn[1120] ) lang0110rang ( plusmn[0110] plusmn[1010]

plusmn[1100] ) y plusmn[0001] El ZnO exhibe un amplio rango de nuevas estructuras que pueden ser

desarrolladas ajustando las tasas de crecimiento a lo largo de esas direcciones Uno de los mayores

factores que determinan la morfologiacutea implican las actividades superficiales relativas de diversas

facetas de crecimiento bajo condiciones dadas Macroscoacutepicamente un cristal tiene diferentes

paraacutemetros cineacuteticos para diferentes planos del cristal los cuales son controlados bajo condiciones

de crecimiento Asiacute despueacutes de un periodo inicial de incubacioacuten y nucleacioacuten un cristalito

comuacutenmente se convertiraacute en un objeto tridimensional bien definido con caras cristalograacuteficas de

bajo iacutendice La figura 2 de a) al c) muestran unas morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento en una

dimensioacuten para el ZnO dichas estructuras tienden a maximizar las aacutereas de las caras (2110) y

(0110) debido a la maacutes baja energiacutea y la morfologiacutea mostrada en la parte d) es dominada por las

superficies polares las cuales pueden ser crecidos mediante la introduccioacuten de defectos planares

paralelos a las superficies polares Los defectos planares y gemelos son observados ocasionalmente

paralelos al plano (0001) pero rara vez se pueden observar dislocaciones (Zhon 2004)

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Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnO (Fuente Zhon)

24 El Cobre y Sus Propiedades

El cobre con nuacutemero atoacutemico 29 y peso atoacutemico de 6354 exhibe una estructura cristalina cuacutebica

centrada en las caras El cobre es un elemento de transicioacuten y al ser un metal noble tiene

propiedades inherentes similares a las de la plata y el oro Tambieacuten posee excelente conductividad

maleabilidad resistencia a la corrosioacuten y biofuncionalidad El cobre tiene alta solubilidad para

otros elementos tales como el niacutequel el zinc el estantildeo y el aluminio Esta solucioacuten soacutelida de la

fase alfa (120572) es la responsable de la alta ductilidad exhibida para aleaciones de cobre Las adiciones

maacutes allaacute del liacutemite de solubilidad resultan en la fase beta (120573) la cual exhibe una estructura cuacutebica

de cuerpo centrado esta fase beta tiene alta estabilidad de temperatura y las aleaciones que exhiben

una estructura 120572 + 120573 tienen una excelente capacidad de formacioacuten en caliente La densidad del

cobre es 889 1198921198881198983 y su punto de fusioacuten es 1083 Seguacuten American Society For Testing

Materials la cual es revisada anualmente

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25 Dopado al Oacutexido de Zinc

Los elementos del grupo IB como el cobre la plata y el oro no parecen de tanto intereacutes como

sus contrapartes del grupo IA y VA pero actualmente se vienen trabajando con estos elementos

ya que cambian las propiedades del ZnO esto podriacutea significar que una sustitucioacuten con zinc podriacutea

resultar un defecto de aniquilador de electrones Aunque estos pueden ser considerados costosos

la plata y el cobre podriacutea ser una alternativa maacutes econoacutemica en comparacioacuten con otros elementos

que han sido usados como dopantes al fin de cuentas estas poseen una conductividad uacutenica

(Wolgamott 2017)

Las figuras 23 24 y2 5 muestran las energiacuteas de formacioacuten por defecto para el ZnO dopado

con cobre plata y oro estas cifras junto con un caacutelculo hecho por Yan Al-Jassim ampWei (2006)

muestran que bajo condiciones ricas en oxiacutegeno los elementos del grupo IB tienen una baja energiacutea

de formacioacuten para la sustitucioacuten del zinc Esta misma condicioacuten rica en oxiacutegeno tambieacuten suprime

la formacioacuten de defectos nativos en el agujero de perforacioacuten aumentando asiacute la posibilidad de

una peliacutecula delgada de ZnO dopado del tipo p (Wolgamott 2017)

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Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

El cobre y la plata ofrecen una mejor ruta para la reproduccioacuten de peliacuteculas delgadas de ZnO

del tipo p El dopaje con nitroacutegeno solo es favorable en condiciones ricas en zinc esto aumenta la

probabilidad de que se formen defectos por la formacioacuten de agujeros para compensar Para

ajustarse a esto teacutecnicas de procesamiento novedoso y no equilibrado deben ser usadas esta

dificultad aumenta los costos de procesamiento y reduce la reproduccioacuten de tales (Wolgamott

2017)

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Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

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CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE

PELIacuteCULAS DELGADAS

Una variedad de teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas han sido empleadas para el

depoacutesito de oacutexidos conductores trasparentes tales como el oacutexido de estantildeo (SnO2) dopado con

antimonio (SnO2 ∶ Sb) o con fluorina (SnO2 ∶ F) el oacutexido de indio(In2O3) dopado con estantildeo

(In2O3 ∶ Sn) el oacutexido de zinc (ZnO) dopado con indio (ZnO ∶ In) Ya que el transporte oacuteptico y

eleacutectrico en estas peliacuteculas depende fuertemente de su estequiometria su microestructura y de la

naturaleza de las impurezas presentes por lo tanto cada teacutecnica de deposicioacuten con los paraacutemetros

asociados produce peliacuteculas con diferentes propiedades Dependiendo de queacute teacutecnica de

deposicioacuten se use el sustrato influiraacute significativamente en las propiedades de las peliacuteculas Los

sustratos de vidrio son los de uso comuacuten para estos procesos Los procesos a baja temperatura tales

como la pulverizacioacuten catoacutedica con magnetroacuten la pulverizacioacuten ioacutenica con haz de iones y el

recubrimiento ioacutenico reactivo permiten la deposicioacuten de las peliacuteculas de oacutexido sobre el sustrato de

poliacutemero como el plaacutestico Mylar y poly (Teraftalato de etileno) Seguacuten Waal amp Simons (1981)

el coeficiente de expansioacuten teacutermica del sustrato afecta las propiedades eleacutectricas de las peliacuteculas

especialmente en procesos como los de rociado piroliacutetico y de inmersioacuten en los cuales las tensiones

intriacutensecas son inducidas dentro de la peliacutecula El coeficiente de expansioacuten teacutermica influye en la

orientacioacuten preferente del cristalito en las peliacuteculas de ZnO (Ghandhi Field amp Shealy 1980)

El proceso que implica deposiciones a altas temperaturas el efecto de la difusioacuten de iones

alcalinos desde el sustrato de vidrio hacia la peliacutecula se vuelve extremadamente importante (Kane

Schweizer amp Kern 1976) Los cationes actuacutean como agentes dopantes de tipo-p y compensan los

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donantes nativos El problema es grave en los sustratos de vidrio Soda-lime los cuales tienen un

alto contenido en sodio alrededor del 10-15 peso 1198731198862119874 En La figura 31 podemos observar

los tipos de procesos para la obtencioacuten de peliacuteculas delgadas

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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31 Procesos Fiacutesicos

311 Evaporacioacuten teacutermica

Peliacuteculas delgadas de IO (oacutexido de indio) (Pan amp Ma 1980) ITO (oacutexido de indio dopado con

estantildeo) (Mizuhashi 1980) y ZnO (Wang et al 2005) han sido depositadas por evaporacioacuten

teacutermica o por haz de electrones de fuentes de oacutexido Debido a su alto punto de fusioacuten el TO

(oacutexido de estantildeo) ha sido depositado por haz de electrones (Mizuhashi 1980) Cuando los oacutexidos

puros o mixtos se evaporan se reducen y forman peliacuteculas opacas de oacutexidos inferiores Por lo tanto

los oacutexidos transparentes conductores son obtenidos por post-oxidacioacuten de peliacuteculas inferiores o

por introduccioacuten del oxiacutegeno durante la evaporacioacuten (Ruumlcker amp Becker 1978)

La cineacutetica de oxidacioacuten de sub-oacutexidos la dependencia de la resistividad y la transmisioacuten en el

sustrato y las temperaturas de oxidacioacuten han sido estudiadas para peliacuteculas de ITO (Mizuhashi

1980) La opacidad de las peliacuteculas depositadas ha sido atribuida a la presencia de indio libre en

una matriz de In2O3 que resulta de la reduccioacuten de especies de In2O que estaacuten presentes en la

fase de vapor

La post-oxidacioacuten del indio libre es a traveacutes de un proceso controlado por difusioacuten y las

propiedades eleacutectricas y oacutepticas finales de las peliacuteculas estaacuten determinadas por las tasas relativas

de oxidacioacuten y difusioacuten del indio (Mizuhashi 1980)

En el caso de la oxidacioacuten durante la deposicioacuten la temperatura del sustrato y la presioacuten parcial

de oxiacutegeno son los principales paraacutemetros de control para el proceso que han sido estudiados por

Mizuhashi (1980) que obtuvo peliacuteculas de ITO de buena calidad con una presioacuten parcial de

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oxiacutegeno de 10minus4 Torr y una temperatura de sustrato de 400 con una tasa de deposicioacuten de

aproximadamente 50 Å 119898119894119899minus1 para el O2 puro

De lo anterior se puede concluir que para obtener peliacuteculas altamente transparentes y

conductoras por evaporacioacuten es necesario que la presioacuten parcial del oxiacutegeno sea alta (suficiente

para oxidar casi todo el indio) que la temperatura del sustrato sea la adecuada y que la tasa de

evaporacioacuten sea raacutepida (para suprimir la disociacioacuten de In2O3)

312 Sputtering

El Sputtering o pulverizacioacuten catoacutedica es una de las teacutecnicas maacutes usadas para la deposicioacuten de

peliacuteculas conductoras transparentes Esta teacutecnica se basa esencialmente en un bombardeo intenso

de un material con iones producidos en una descarga eleacutectrica en forma de plasma cuando la

energiacutea de los iones incidentes es suficientemente elevada entonces la interaccioacuten con la superficie

del material a traveacutes de intercambio de momento cineacutetico hace que los aacutetomos de la superficie

sean arrancados para pasar a la fase de vapor La figura 32 muestra un esquema de las etapas del

proceso El caacutetodo el cual estaacute conectado a la terminal negativa de la fuente de alimentacioacuten estaacute

formado por el material a evaporar que tambieacuten es llamado blanco o sputtering target estaacute

sometido al bombardeo intenso de los iones positivos de la descarga una vez que son acelerados

desde el plasma como consecuencia de la caiacuteda de potencial asociada El bombardeo de los iones

produce no solo el efecto de sputtering o pulverizacioacuten del blanco sino tambieacuten la emisioacuten de

electrones secundarios que son acelerados hacia el plasma Una vez en el plasma estos electrones

tienen la energiacutea suficiente para producir nuevos iones mediante procesos de ionizacioacuten en cascada

por impacto con los aacutetomos del gas compensando asiacute la perdida de carga producida por colisiones

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de las especies cargadas en las paredes de la caacutemara de vaciacuteo Se dice que la descarga es auto

mantenida (Aacutelvaro 2014)

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipo (Fuente Aacutelvaro)

El gas de la descarga suele ser un gas inerte de masa elevada con el objeto de aumentar la

transferencia del momento cineacutetico a los aacutetomos del blanco por razones de precio en la mayoriacutea

de las aplicaciones el gas utilizado es argoacuten con una masa atoacutemica de 40 los sustratos a recubrir

estaacuten colocados sobre el aacutenodo aunque se pueden situar sobre un soporte auxiliar frente al caacutetodo

El electrodo que actuacutea de aacutenodo suele estar conectado al potencial de tierra junto con la caacutemara

de vaciacuteo por razones de seguridad A diferencia de la teacutecnica de evaporacioacuten teacutermica la trayectoria

de las partiacuteculas pulverizadas no es rectiliacutenea ya que a presiones de trabajo alrededor de

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10minus3 mbar el recorrido libre medio es del orden de unos pocos mm Los aacutetomos evaporados

pueden alcanzar al sustrato desde cualquier direccioacuten despueacutes de sufrir una serie de colisiones en

la atmosfera de sputtering en las cuales sufren una peacuterdida de su energiacutea inicial Por lo tanto los

problemas de direccionalidad y los de homogeneidad del espesor de la capa depositada son

menores que en la evaporacioacuten teacutermica Al mismo tiempo los aacutetomos del gas inerte y la radiacioacuten

procedente del plasma tambieacuten interaccionan con la superficie de los sustratos produciendo

efectos laterales De hecho existe la posibilidad de que aacutetomos del gas inerte puedan contaminar

la capa depositada en el sustrato al quedar atrapados en su interior durante el crecimiento (Aacutelvaro

2014)

32 Procesos Quiacutemicos

321 CVD

La deposicioacuten quiacutemica por vapor (Chemical Vapor Deposition) es un proceso antiguo que data

del 1800 En este tiempo esta teacutecnica fue usada principalmente para producir materiales

refractores de alta pureza tales como el zirconio y el titanio Despueacutes de la segunda guerra mundial

los investigadores comenzaron a darse cuenta de las ventajas potenciales que ofreciacutea el CVD

Esta teacutecnica consiste en la deposicioacuten por vapor sobre una superficie caliente Esto pertenece a

las teacutecnicas de transferencia de vapor Con esta teacutecnica la liacutenea de visioacuten con la superficie de

recubrimiento no es necesaria por lo tanto permite la deposicioacuten en superficies complejas tambieacuten

posee una alta tasa de deposicioacuten y puede ser usado para recubrimientos gruesos esto permite la

co-deposicioacuten de los elementos y no requiere de un proceso de alto vaciacuteo

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La figura 33 muestra un CVD tiacutepico El primer paso es la activacioacuten teacutermica de los precursores

quiacutemicos para formar el vapor este a su vez es transportado a traveacutes de una caacutemara caliente en

donde el sustrato estaacute colocado en esta caacutemara la reaccioacuten gaseosa ocurre y los reactantes son

depositados en la superficie del sustrato con lo cual resulta la formacioacuten de la peliacutecula Los

subproductos volaacutetiles son desorbidos desde la peliacutecula y removidos de la caacutemara por medio de la

conveccioacuten

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica para un proceso de cvd (Fuente En liacutenea)

Un proceso tiacutepico de CVD requiere de temperaturas altas que la reaccioacuten de fase gaseosa ocurra

esto no soacutelo aumenta los costos de proceso sino que tambieacuten limita los tipos de sustratos donde la

peliacutecula delgada puede ser depositada Los precursores quiacutemicos con alta presioacuten de vapor que se

necesitan para el CVD son en su mayoriacutea toacutexicos y peligrosos para trabajar con ellos Finalmente

los subproductos de la reaccioacuten gaseosa que no permanecen en el sustrato pueden ser toacutexicos e

incluso corrosivos La neutralizacioacuten de estos subproductos implicariacutea un aumento del costo de

produccioacuten

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322 Sol-Gel

Esta teacutecnica de crecimiento es un proceso quiacutemico huacutemedo realizado a bajas temperaturas que

permite fabricar materiales amorfos y poli cristalinos estos uacuteltimos se obtienen despueacutes de un

tratamiento teacutermico En el meacutetodo Sol-Gel se puede controlar la composicioacuten quiacutemica estructura

cristalina y morfologiacutea superficial de las peliacuteculas ajustando los paraacutemetros de procesamiento tales

como relacioacuten molar entre los reactivos cantidad y naturaleza de los precursores disolventes

catalizadores aditivos e impurificantes Este proceso sigue la ruta quiacutemica que muestra en la figura

34 este parte de una solucioacuten inicial compuesta por un alcoacutexido metaacutelico por agua y por un

disolvente al que se le agrega un catalizador que puede ser tanto aacutecido como baacutesico Las reacciones

de hidroacutelisis y condensacioacuten se desencadenan a fin de sintetizar una suspensioacuten coloidal de

partiacuteculas soacutelidas o cuacutemulos en un liacutequido llamado Sol A medida que la reaccioacuten continua aumenta

la viscosidad de la solucioacuten hasta la forma del Gel el cual estaacute constituido de dos partes una soacutelida

que corresponde a las partiacuteculas de oacutexido y una liacutequida que es el disolvente inicial del Sol Luego

de esto se inicia un periodo de secado en condiciones normales de presioacuten y temperatura en el cual

se lleva a cabo la eliminacioacuten del disolvente y del agua residual de tal modo que el Gel se encogeraacute

obtenieacutendose un xerogel Al teacutermino del tiempo de secado generalmente se tienen disolventes y

agua para solucionar esto se somete a un tratamiento teacutermico (Ramiacuterez 2015)

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Figura 34 Ruta quiacutemica para el proceso de sol-gel (Fuente Ramiacuterez)

323 Rociado Piroliacutetico

Esta teacutecnica consiste en la pulverizacioacuten de una solucioacuten que contiene los iones metaacutelicos del

oacutexido que se quiere producir sobre un sustrato que se encuentra a una temperatura elevada El

precursor del material a ser fabricado se disuelve en metanol o etanol esta solucioacuten denominada

solucioacuten precursora es transformada en partiacuteculas muy finas mediante un nebulizador formando

una especie de vapor la solucioacuten nebulizada se transporta hacia el sustrato caliente con ayuda de

un gas portador (aire comprimido) de tal manera que llega al sustrato en forma de gota pequentildea

La pirolisis se produce en la superficie caliente del sustrato dando lugar a la peliacutecula delgada como

producto de la descomposicioacuten del compuesto quiacutemico por accioacuten del calor los componentes

reactivos de la solucioacuten precursora se seleccionan de tal modo que los productos de la reaccioacuten

quiacutemica que no intervienen en la formacioacuten de la peliacutecula sean volaacutetiles a la temperatura de trabajo

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Esto requiere del anaacutelisis del precursor quiacutemico tanto de la fase liacutequida como de la fase gaseosa

y una exploracioacuten de las reacciones superficiales que llevan a la formacioacuten de la peliacutecula delgada

En este proceso de fabricacioacuten de peliacuteculas delgadas un factor muy importante es la uniformidad

del tamantildeo de las gotas generadas

Cuando el vapor de la solucioacuten se aproxima al sustrato en condiciones ideales se espera que el

solvente se vaporice totalmente provocando la descomposicioacuten de los componentes no volaacutetiles

(Leoacuten 2014) En la figura 35 se muestra un esquema del equipo detallando cada parte

componente del mismo

Figura 35 Esquema del equipo de rociado piroliacutetico (Fuente Acosta amp Magantildea)

Piroacutelisis La reaccioacuten piroliacutetica la cual determina la cineacutetica del depoacutesito se efectuacutea cuando el

rociacuteo entra en contacto con el sustrato caliente y seguacuten el tamantildeo de las gotas se produciraacute

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diferentes procesos dependientes del comportamiento teacutermico de las gotas A continuacioacuten se

detallan 4 procesos diferentes seguacuten el tamantildeo de la gota

Gotas de tamantildeo muy pequentildeo

La reaccioacuten se completa durante el transporte antes de llegar al sustrato y se produce un polvo

del material sobre el sustrato la facilidad de este proceso es que puede ser faacutecilmente removido

Gotas de tamantildeo ideal

El solvente pasa a la fase gaseosa completamente antes de alcanzar el sustrato las partiacuteculas

precipitadas se fusionan vaporizan y se difunden sobre la superficie del sustrato En este proceso

las partiacuteculas producidas sufren procesos de adsorcioacuten difusioacuten superficial reaccioacuten de

nucleacioacuten por lo tanto determinan el crecimiento del recubrimiento El resto de los productos de

la reaccioacuten se volatilizan y se difunden fuera del sustrato

Gotas de tamantildeo mediano

El solvente de las gotas se vaporiza al llegar al sustrato dejando partiacuteculas precipitadas de los

reactantes los cuales se fusionan en la superficie del sustrato y causan enfriamiento localizado

obtenieacutendose recubrimientos de baja calidad

Gotas de tamantildeo grande

La energiacutea teacutermica absorbida por la gota durante el transporte al sustrato no es suficiente para

que el solvente se pueda evaporar por completo El solvente residual se evaporaraacute en el sustrato

formando estructuras no homogeacuteneas

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Para lograr la selectividad de las gotas que llegaraacuten al sustrato se graduacutea la longitud entre lo

boquilla y el sustrato Considerando que la fuerza gravitacional es proporcional a 1199033 siendo r el

radio de la gota Las gotas de radios mayores al valor criacutetico no pueden ser transportadas por el

gas portador y por lo tanto regresan al nebulizador En las cercaniacuteas del sustrato se forma una

niebla de la solucioacuten con una distribucioacuten uniforme de gotas de tamantildeo pequentildeo requisito

importante para la obtencioacuten de recubrimientos delgados de buena calidad

Las fuerzas que determinan el recorrido de las gotas por la tobera son la gravitacional y la fuerza

de Stokes debido a la friccioacuten entre la gota y las moleacuteculas de aire seguacuten Silva (2013)

119917119956 = 120788120645120636119955(119959119941 + 119959119938) [120783 +120785

120790119929119942] 120784 120783

119917 = 119950119944 120784 120784

En donde 120578 es la viscosidad de la gota 119903 es el radio de la gota 119907119889 es la velocidad de la gota 119907119886

es la velocidad del aire y 119877119890 es el nuacutemero de Reynolds

El nuacutemero de Reynolds para partiacuteculas esfeacutericas en un flujo gaseoso es

119929119942 = 120784119955(119959119941 + 119959119938)

120636120633119938 120784 120785

En donde 120575119886 es la densidad del aire

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Cuando estas dos fuerzas alcanzan el equilibrio (119865 = 119865119904) las gotas viajan con velocidad

constante denominada velocidad liacutemite (119907119889119897) Al resolver la ecuacioacuten cuadraacutetica que nos da el

igualar las ecuaciones 21 y 22 tenemos

119959119941119949 = minus (119939

120784) + (

119939120784

120786minus 119940)

120783120784

120784 120786

En donde

119939 =120786120636

120785119955120633119938minus 120784119959119938 119962 119940 = 119959119938

120784 minus120786120636

120785119955120633119938119959119938 + (120633(119931) +

119924119956119924

120783120782120785)

120790119955

120784120789120633119938

Siendo 120575(119879) la densidad del solvente a temperatura T 119872119904 el peso molar del soluto y M la

molaridad de la solucioacuten (Leoacuten 2014)

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas

Los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas en sus etapas iniciales se

pueden ver en la figura 36 una vez que la partiacutecula se ha condensado de la fase gaseosa puede

inmediatamente re-evaporarse o difundirse sobre la superficie este proceso de difusioacuten puede

conducir a la adsorcioacuten especialmente en sitios como orillas y otros defectos (M Peacuterez 2005)

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Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas delgadas (Fuente M

Peacuterez)

Las energiacuteas de activacioacuten para la adsorcioacuten y difusioacuten dependen de los detalles atoacutemicos del

proceso en particular y la nucleacioacuten de maacutes de una partiacutecula adsorbida puede ocurrir En equilibrio

termodinaacutemico todos los procesos ocurren o proceden en dos direcciones opuestas a la misma

rapidez Por lo tanto en el equilibrio no hay un crecimiento neto de una partiacutecula y por lo tanto el

crecimiento del cristal debe ser un proceso cineacutetico de no equilibrio Desde un enfoque

fenomenoloacutegico existen tres modos diferentes del crecimiento de peliacuteculas como se observa en la

figura 37 (M Peacuterez 2005)

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes isla y (c) por islas

(Fuente M Peacuterez)

El crecimiento de peliacuteculas delgadas es descrito por minimizacioacuten de la energiacutea libre superficial

de la capa superior (120574119904119906119901) del sustrato (120574119904) y de la energiacutea libre de la interfase (120574119894119899119905) el cual

estaacute descrito por Δ120574 = 120574119904 minus 120574119904119906119901 minus 120574119894119899119905 (Leoacuten 2014 Aacutelvaro 2014)

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331 Modo de crecimiento capa por capa (120491120632 gt 120782)

Donde la interaccioacuten entre el sustrato y los aacutetomos de las capas es maacutes fuerte que entre los

mismos aacutetomos de las capas (Leoacuten 2014)

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas

Corresponde a un caso intermedio despueacutes de la formacioacuten de una o de muchas mono-capas

completas ocurre la formacioacuten de islas El crecimiento de islas 3D crece sobre la primera o la

uacuteltima mono capa (Leoacuten 2014 Ramiacuterez 2015)

333 Modo de crecimiento por islas (120491120632 lt 120782)

Es el caso en el que la interaccioacuten entre los aacutetomos que conforman las peliacuteculas es maacutes fuerte

(Leoacuten 2014)

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CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO

Realizar la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas sobre el sustrato requiere una cuidadosa

optimizacioacuten La siacutentesis de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se realizoacute por el meacutetodo de rociado

piroliacutetico con paraacutemetros optimizados como son la molaridad del precursor la temperatura del

sustrato la presioacuten de aire del compresor el flujo de aire y la distancia de la boquilla al sustrato

El objetivo de este trabajo de tesis fue analizar el efecto de la temperatura de recocido en un

rango de 400 minus 500 sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

En este capiacutetulo se detalla el procedimiento que se utilizoacute para la siacutentesis de las peliacuteculas

delgadas La limpieza del sustrato tambieacuten es una parte importante en la fabricacioacuten de las peliacuteculas

delgadas ya que es en donde se realizaraacute el depoacutesito y por lo tanto debe encontrarse libre de

impurezas y grasa

41 Materiales Equipos e Instrumentos

Como sustrato en donde se depositoacute la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se usoacute un vidrio

(Figura 41) con un aacuterea de 762 times 254 1198981198982

Para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol se utilizaron como precursores el Acetato de Zinc

Dihidratado [119885119899(1198621198673119862119874119874)2 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995) el Cloruro de Cobre

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dihidratado [1198621199061198621198972 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995 ) y como solvente etanol absoluto

[C2H5OH] del laboratorio Merck (998)

Para la limpieza de los sustratos se utilizoacute un agitador ultrasoacutenico (figura 42) y un horno

eleacutectrico marca Oster (119879119898aacute119909 = 400 )

Para lograr la uniformidad al momento de mezclar los materiales precursores se utilizoacute un

agitador magneacutetico (Hot Plate Stirring VWR)

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearl (Fuente Elaboracioacuten Propia)

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Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratos (Fuente Elaboracioacuten propia)

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42 Meacutetodo

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos

Para una buena deposicioacuten de la peliacutecula el sustrato a utilizar debe estar libre de impurezas

asegurando una oacuteptima adherencia

El proceso de limpieza de los sustratos empezoacute por la colocacioacuten de eacutestos en un depoacutesito que

conteniacutea agua potable y detergente marca Ariel por un tiempo de 5 minutos (Figura 43) luego se

trasladoacute a otro depoacutesito que conteniacutea aacutecido niacutetrico [1198671198731198743] al 65 durante 15 minutos en seguida

se procedioacute a enjuagarlos con agua ultrapura despueacutes se colocoacute en recipiente que conteniacutea agua

ultrapura y fueron puestos en el agitador ultrasoacutenico por 15 minutos (Figura 44) Pasado este

tiempo se retiraron los sustratos y se colocaron dentro del horno marca Oster por 10 min a 205

(Figura 45)

Figura 43 Sustratos en detergente (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenico (Fuente Elaboracioacuten propia)

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en horno (Fuente Elaboracioacuten propia)

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422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

Preparacioacuten de la solucioacuten precursora

Para la preparacioacuten de la solucioacuten se calculoacute la cantidad en gramos que debemos tener del

precursor en nuestro caso el acetato de zinc di-hidratado Para ello se utilizoacute la siguiente foacutermula

119950(119944) = 119924 times 119917119934 times 119933119952119949(119930119952119949 ) times 119927119958119955119942119963119938 120786 120783

Doacutende

m (g) Masa en gramos del precursor

M Molaridad (molLitro)

FW masa molar (gmol)

Vol (Sol) Volumen de la solucioacuten (Litros)

Pureza Porcentaje de pureza del precursor

La masa molar del acetato de zinc di-hidratado es de 21949 gmol el volumen de etanol que

se preparoacute fue 0020 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120784120783120791 120786120791

119944

119950119952119949) (120782 120782120784120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120786120785120790120789120788

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La masa del precursor fue medida con una balanza analiacutetica marca Mettler Toledo (plusmn01 119898119892)

ver figura 46

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica (Fuente Elaboracioacuten propia)

En un recipiente se mezclaron la masa medida del acetato de zinc di-hidratado y los 20 ml de

etanol que llamaremos mezcla 1

Para lograr uniformidad en la solucioacuten esta fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a una

temperatura de 60 durante 2 h (Figura 47) resultando transparente y homogeacutenea

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Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

La masa molar del cloruro de cobre di-hidratado es de 17048 gmol el volumen que se preparoacute

fue 0010 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120783120789120782 120786120790

119944

119950119952119949) (120782 120782120783120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120783120789120782120785120791

La masa de los precursores fue medida nuevamente con la balanza analiacutetica marca Mettler

Toledo (plusmn01 119898119892)

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En otro recipiente se combinaron la masa medida del cloruro de cobre dihidratado y los 10 ml

de etanol que llamaremos mezcla 2 luego fue colocado en el agitador magneacutetico a temperatura

ambiente durante 15 min

Despueacutes de haber agitado magneacuteticamente cada precursor en otro recipiente se colocoacute 194 ml

de la mezcla 1 y se le agregoacute 06 ml de la mezcla 2 de tal forma que se pueda tenerse una

proporcioacuten 119881119900119897119862119906

119881119900119897119885119899= 3 A esta nueva solucioacuten llamaremos mezcla 3

Para lograr uniformidad la nueva solucioacuten fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a

temperatura ambiente durante 15 min (Figura 48) para lograr su homogeneidad

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Proceso de siacutentesis

Para la obtencioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se utilizoacute el equipo de rociado

piroliacutetico que se encuentra en la seccioacuten de Nanociencia y Nanomateriales del Laboratorio de

Fiacutesica de Materiales ldquoDr Lennart Haselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo ver figura

49

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3

vol (Fuente Elaboracioacuten propia)

Este equipo de rociado piroliacutetico utilizado en la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas consiste de

los siguientes componentes Compresor de aire (1) Controlador de presioacuten en el rango de 0 ndash 80

psi (2) Controlador de flujo de aire en el rango de 1 ndash 15 Lmin (3) Caacutemara de vidrio (4)

Termoacutemetro (5) Nebulizador (6) Boquilla o Tobera (7) Platea caliente (8) Soporte universal (9)

Dispositivo moacutevil con una rapidez de 2311990910minus3 119888119898 119904frasl (10) Fuente de alimentacioacuten DC de 0 ndash 12

V (11) Fuente de alimentacioacuten AC de 0- 40 V (12) y Termocupla y controlador de temperatura en

el rango de 0 minus 500 (13)

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Sobre el nebulizador se colocoacute una tobera de vidrio piacuterex por la que ascienden las gotas maacutes

pequentildeas hasta llegar al sustrato caliente sobre el cual se produjo el proceso de piroacutelisis El

conjunto nebulizador y tobera estaacute acoplado a un dispositivo moacutevil el cual se va desplazando en

la direccioacuten del sustrato con el fin de obtener un recubrimiento uniforme

Las siacutentesis de la peliacutecula se hizo a la temperatura de 300 plusmn 10 La presioacuten del compresor

y el flujo de aire se mantuvieron a 30 119901119904119894(~207 119896119875119886) 119910 5 119871119898119894119899 respectivamente La distancia

boquilla sustrato se mantuvo a 30 cm con el fin de que el flujo nebulizado dirigido hacia la

superficie del sustrato se mantenga laminar El desplazamiento de la tobera-boquilla a lo largo del

sustrato se hizo con una rapidez aproximada de 04 mms con intervalos de 40 plusmn 05 119898119894119899 entre

cada ida y vuelta tiempo necesario para mantener la temperatura estable y mejor cristalizacioacuten del

soacutelido El nuacutemero de capas que consideramos oacuteptimas en este trabajo fue de 6 seguacuten E Noriega

(2015)

Al teacutermino del proceso el sistema compuesto peliacuteculasustrato se dejoacute enfriar lentamente dentro

de la caacutemara hasta la temperatura ambiente por 15 horas con el fin de lograr una buena

cristalizacioacuten

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol

Para el tratamiento teacutermico se dividioacute el sustrato que conteniacutea la peliacutecula en 4 partes usando

una como muestra testigo (300 ) y las tres restantes sometieacutendolas por dos horas de

mantenimiento a las temperaturas de recocido de 400 450 119910 500 El horno donde se hizo el

recocido fue un Horno eleacutectrico Marca Brasimet ver figura 410 con una incertidumbre de plusmn5

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la figura 411 se puede ver un diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas

delgadas de ZnO Cu 3 vol

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Figura 411 Diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten

Para caracterizar las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol se emplearon las teacutecnicas de

difraccioacuten de rayos X (DRX) para determinar el tamantildeo del cristalito y la estructura la

espectrofotometriacutea ultravioleta visible (UV-Vis) para determinar la transmitancia absorbancia y

energiacutea del gap y por el uacuteltimo se utilizoacute el Microscopio de Fuerza Atoacutemica (AFM) para

determinar la morfologiacutea y rugosidad A continuacioacuten se describiraacuten brevemente estas teacutecnicas

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX)

La difraccioacuten de rayos X es una teacutecnica de caracterizacioacuten que sirve para analizar espectros

relacionados con la estructura de los materiales que son la constante de red estructura cristalina

identificacioacuten de materiales orientacioacuten de monocristales y orientaciones preferenciales de

policristales Los rayos X se caracterizan porque su longitud de onda variacutea de 01 minus 100 Å (Rayos

X fluorescencia online) En la figura 412 se puede ver un esquema de difraccioacuten de rayos X

basado en la ley de Bragg

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos x (Fuente Rojas)

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41

Cuando un haz de rayos X de una longitud de onda especiacutefica del mismo orden de magnitud de

las distancias interatoacutemicas del material llega a este los rayos X se dispersan en todas las

direcciones La mayor parte de la radiacioacuten dispersada por un aacutetomo anula la radiacioacuten dispersada

en otros aacutetomos Los rayos X que llegan a ciertos planos cristalograacuteficos formando aacutengulos

especiacuteficos con ellos se refuerzan en lugar de aniquilarse a este fenoacutemeno se llama difraccioacuten

Los rayos X se difractan o el haz se refuerza cuando las condiciones satisfacen la Ley de Bragg

119852119842119847 120637 =119951120640

120784119941119945119948119949 120786 120783

Donde 120579 es la mitad del aacutengulo que forman el haz difractado y el haz original n es el orden de

difraccioacuten 120582 es la longitud de onda de los rayos X 119889ℎ119896119897 es la distancia interplanar que produce

refuerzo del haz ℎ119896119897 son los iacutendices de Miller (Askeland 1998) La difraccioacuten ocurre siempre y

cuando se satisfaga la ley de Bragg por lo que no necesariamente cualquier direccioacuten arbitraria

produciraacute difraccioacuten

La informacioacuten obtenida se presenta en un graacutefico de intensidad en funcioacuten de 2120579 llamado

patroacuten de difraccioacuten Cada sustancia produce siempre un patroacuten de difraccioacuten caracteriacutestico

independientemente de que si se encuentra en un estado puro o formando parte de una mezcla de

sustancias (Askeland 1998)

Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

fueron obtenidos con el difractoacutemetro RIGAKU Miniflex-600 que opera en la geometriacutea Bragg-

Brentano donde la radiacioacuten 119862119906 119896120572 (120582 = 15406 Aring) fue utilizada como fuente de rayos X El

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equipo operoacute a 30 KV de voltaje y 10 mA de corriente el barrido se realizoacute en un aacutengulo de 2120579

con rango desde 20deg a 70deg con velocidad de escaneo de 5 deg119898119894119899

La identificacioacuten de los picos de difraccioacuten se comparoacute con la base de datos Card info 00-900-

8877 de la Crystallography Open Database mostrado en el anexo A

La distancia interplanar se calculoacute con la ley de Bragg para el primer orden (n=1) de difraccioacuten

de acuerdo a la ecuacioacuten 41 tendriacuteamos

119837 =120640

120784 119852119842119847 120637 120786 120784

En donde 120579 es el aacutengulo de incidencia y 120582 = 15405981 Aring

Paraacutemetros de red

Para identificar la constante de red c de la estructura de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se tomoacute

en cuenta la estructura hexagonal wurtzita cuya distancia interplanar estaacute relacionada con los

iacutendices de Miller de los planos (hkl) y las constantes de red a y c a traveacutes de la ecuacioacuten 43

(Askeland 1998) y con el tamantildeo de cristalito (119863)

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784 120786 120785

A partir de la ecuacioacuten 43 es posible determinar los paraacutemetros de la red cristalina Cuando se

incide sobre un cristal muy pequentildeo del orden de nanoacutemetros se produce un ensanchamiento del

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pico de difraccioacuten esto permite determinar el tamantildeo promedio del cristal (119863) por medio de la

ecuacioacuten de Scherrer (Gurumurugan amp Mangalaraj 1995)

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637 120786 120786

Donde D es el tamantildeo del cristalito K es el factor de forma (K=09 para esferas) 120582 es la longitud

de onda de los rayos X (120582 = 15405981 Aring ) 120573 es el ancho completo de la mitad del maacuteximo y se

encuentra en radianes por lo tanto hay que convertir los valores de (FWHM) que se encuentran en

grados multiplicaacutendolos por 120587 180degfrasl y 120579 es el aacutengulo de Bragg

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectrometriacutea UV-Vis se basa en la absorcioacuten de radiacioacuten UV o visible por parte de las

moleacuteculas y se emplea para analizar muestras en fase liacutequida o soacutelida La espectrometriacutea de

absorcioacuten implica la medida de la fraccioacuten de la luz de una longitud de onda que pasa a traveacutes de

una muestra la figura 413 muestra la geometriacutea del equipo la muestra no emite luz por siacute misma

por lo que se debe incluir una fuente de radiacioacuten El paso de la luz a traveacutes de un monocromador

o un filtro selecciona la longitud de onda para el anaacutelisis (Hernaacutendez 2014)

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Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vis (Fuente Hernaacutendez)

Durante el anaacutelisis de la muestra se hacen dos mediciones en la primera se mide la cantidad de

luz en funcioacuten de la longitud de onda que llega al transductor cuando se ha colocado un blanco

(vidrio) Se denomina 1198680 del blanco cuando la concentracioacuten del material analizado es cero

La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras (vidrio + peliacutecula) con la

medida del blanco (vidrio) Llamamos 119868 a la intensidad que se mide con las muestras o con el

estaacutendar La comparacioacuten que se hace implica la relacioacuten 1198681198680 con ambas intensidades medidas

en las mismas condiciones del instrumento (longitud de onda geometriacutea) Se utilizan tres teacuterminos

diferentes para expresar esta relacioacuten

El primero es simplemente la relacioacuten 1198681198680 y se denomina Transmitancia que es denotada por

la letra T

119931 =119920

119920120782 120786 120785

El segundo es el porcentaje de transmitancia

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119931 = 119931 lowast 120783120782120782 120786 120786

El tercero es el logaritmo negativo de T que se denomina Absorbancia y se denota con la letra

A

119912 = minus 119845119848119840119920

119920120782= minus 119845119848119840 119931 120786 120787

Para la determinacioacuten del ancho de banda de energiacutea prohibida la energiacutea del gap (119864119892) es

determinada del espectro experimental del coeficiente de absorcioacuten (120572) como una funcioacuten de la

energiacutea del fotoacuten (ℎ120592)

En los materiales de gap directo como el ZnO se utiliza la siguiente ecuacioacuten

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ

es la constante de Planck 120584 es la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

En una graacutefica (120572ℎ120584)2 119907119904 ℎ120584 el ajuste a una recta de la parte proacutexima a 120572 = 0 el intercepto

para la ordenada nula es el valor de la energiacutea prohibida Esta recta tiene una expresioacuten de la forma

119910 = 119898119909 + 119887 lo que se tiene que buscar es el valor de 119909 para 119910 = 0 esto es 119909 = minus119887119898

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La conversioacuten de la energiacutea del fotoacuten en funcioacuten de la longitud de onda se realiza mediante la

constante de Planck(ℎ) y la de la velocidad de la luz (119888) La frecuencia del fotoacuten se relaciona con

la longitud de onda a traveacutes de la siguiente ecuacioacuten

119940 = 120642120640 120786 120789

Entonces la energiacutea del fotoacuten se puede escribir en funcioacuten de la longitud de onda como

119916 =119945119940

120640 120786 120790

Por lo tanto la energiacutea del fotoacuten puede calcularse como 12398

120582(119899119898) Aplicando al caso del ZnO se

adquieren los valores de la longitud de onda y la transmitancia del vidrio y la medida se divide la

transmitancia medida entre la del vidrio para obtener la transmitancia de la peliacutecula Se transforma

la transmitancia en coeficiente de absorcioacuten y la longitud de onda en energiacutea (H Bubert amp Jenett

2002)

Los anaacutelisis de absorbancia y transmitancia para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con

tratamiento de recocido se realizaron con el espectroacutemetro UV-Vis marca Analytik Jena Modelo

Specord Plus 250 y con un barrido de longitud de onda de 300 nm a 800 nm

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443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)

Este meacutetodo inventado en 1985 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer pertenece al grupo de

teacutecnicas de microscopiacutea de fuerza de barrido un grupo de teacutecnicas que estaacuten basadas en la

medicioacuten de diferentes fuerzas como son la fuerza atractiva la gravitatoria la repulsiva la

magneacutetica la de Van Der Walls y la electrostaacutetica esta medicioacuten es hecha entre la punta fina y la

superficie de la muestra

La formacioacuten de la imagen se lleva a cabo mediante la medicioacuten de la fuerza de interaccioacuten a

traveacutes de la deflexioacuten de un cantileacutever Aunque diversos tipos de fuerzas se encuentran cuando una

punta se aproxima a la superficie de la muestra la generacioacuten de la sentildeal en el AFM se basa

esencialmente en fuerzas repulsivas interatoacutemicas que son de naturaleza de corto alcance

En el caso ideal se puede asumir ver figura 414 lo que significa que el contacto directo de la

punta con la superficie se la muestra se limita a un aacuterea muy pequentildea Como resultado de esto

siempre hay una fuerza repulsiva interatoacutemica en esta pequentildea aacuterea de contacto debido a la

penetracioacuten de las capas electroacutenicas de los aacutetomos de la punta y los de la superficie de la muestra

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Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del sustrato (Fuente Rojas)

La fuerza repulsiva interatoacutemica estaacute influenciada por la densidad total de electrones alrededor

de un aacutetomo y no soacutelo por los estados particulares de la energiacutea La interaccioacuten entre la punta y la

muestra puede ser descrita por una graacutefica fuerza vs distancia esta graacutefica mostrada en la figura

415 permite ver los cambios de fuerza cuando la punta se acerca a la muestra si hay una gran

separacioacuten no hay interaccioacuten por lo tanto la fuerza seriacutea cero (en la liacutenea entre 1 y 2 no habriacutea

fuerzas electrostaacuteticas) En la posicioacuten 2 la punta pasa a estar en contacto debido a la fuerza

atractiva de Van Der Walls como la punta se mueve hacia la muestra entonces la fuerza total que

actuacutea sobre el cantileacutever es repulsiva Cuando la punta es arrastrada sobre la muestra las fuerzas

se reducen a lo largo de la liacutenea pasando de la posicioacuten 3 a la posicioacuten 4

Por debajo de la liacutenea de fuerza del diagrama dicha fuerza que actuacutea sobre el cantileacutever se

vuelve atractiva debido a la adhesioacuten En el punto 4 la fuerza es de adhesioacuten y la carga del

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cantileacutever apenas estaacute equilibrada la punta es tirada hacia afuera de la superficie debido a las

fuerzas de repulsioacuten

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta con la superficie del

sustrato (Fuente Rojas)

Modos de trabajo de un microscopio de fuerza atoacutemica

El AFM puede funcionar en distintos arreglos o modos experimentales estos modos se dividen

baacutesicamente en dos grupos modos de contacto continuo y modos dinaacutemicos Los modos de

contacto continuo fueron los primeros utilizados en los antildeos tempranos del AFM y su uso apenas

insinuaba la resolucioacuten nanomeacutetrica de la que el instrumento era capaz El meacutetodo dinaacutemico de

maacutes uso es el meacutetodo de contacto intermitente o tapping mode (Loacutepez y Solares 2014)

Modo contacto

El modo contacto es el disentildeo experimental maacutes simple en este modo la punta de la sonda se

encuentra en contacto perpetuo con la muestra por lo que tambieacuten es llamado modo estaacutetico La

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figura 416 muestra el funcionamiento del AFM en modo contacto Durante la toma de imaacutegenes

en modo contacto la variable control es la deflexioacuten de la micropalanca (anaacutelogo a la compresioacuten

o estiramiento de un resorte) La variable control es mantenida constante por medio de un circuito

de retroalimentacioacuten (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemica (Fuente Loacutepez y Solares)

El escaacutener sobre el que descansa la muestra se encarga de moverla con respecto a la

micropalanca en direccioacuten ldquoxyrdquo para realizar distintas liacuteneas de escaneo La micropalanca al

interactuar con la muestra sufre una deflexioacuten proporcional a la fuerza de interaccioacuten con la

superficie obedeciendo a la ley de Hooke (ecuacioacuten 49) En este circuito la sentildeal de deflexioacuten es

leiacuteda en el fotodetector y transmitida a la caja electroacutenica donde se compara el valor actual con el

punto de ajuste (setpoint) De acuerdo a esa diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal de salida

al escaacutener para ajustar la posicioacuten en el eje ldquozrdquo de la muestra si fuera necesario para mantener la

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variable control constante Como consecuencia de las exploraciones en ejes ldquoxyrdquo asiacute como los

cambios en ldquozrdquo se genera una imagen topograacutefica de la superficie de la muestra estudiada (Loacutepez

y Solares 2014)

= 119948119963∆119937 120786 120791

Donde

Fuerza arbitraria de magnitud F

∆119937 Compresioacuten del resorte

119948119963 Constante elaacutestica

Modo contacto intermitente

Eacuteste meacutetodo es comuacutenmente conocido como ldquotapping moderdquo en ingleacutes es el meacutetodo maacutes baacutesico

de los meacutetodos dinaacutemicos ademaacutes es el meacutetodo maacutes frecuente utilizado en AFM En este meacutetodo

la micropalanca se hace vibrar con amplitudes en el rango nanomeacutetrico (aproximadamente entre 5

y 200 nm) razoacuten por la que se le conoce como una teacutecnica de amplitudes ldquograndesrdquo El teacutermino

ldquograndesrdquo es relativo cuando se compra a otras teacutecnicas dinaacutemicas en la que la micropalanca puede

vibrar en el rango de los angstroms como en el caso de modulacioacuten de frecuencia en alto vaciacuteo

(Gross et al 2009)

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El AFM de contacto intermitente funciona con un circuito que controla la amplitud y se encarga

de mantenerla a un valor preestablecido (setpoint) En el circuito de modulacioacuten de amplitud ver

figura 417 la amplitud es calculada internamente con los valores de pendiente de la micropalanca

que lee el fotodetector Luego esa amplitud se compara con el valor preestablecido de amplitud y

si existe una diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal al escaacutener este se encarga de hacer la

correccioacuten en el eje ldquozrdquo para poder alcanzar el valor preestablecido y de esta forma mantener la

variable control (amplitud) constante Al igual que el meacutetodo de contacto las exploraciones en

ejes ldquoxyrdquo asiacute como los cambios en el eje ldquozrdquo generan una imagen topograacutefica de la superficie

estudiada (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitente (Fuente Loacutepez y Solares)

Los cambios topograacuteficos generan cambios en la amplitud de oscilacioacuten Por ejemplo si la

micropalanca se encuentra con una protuberancia la amplitud de la punta se veraacute reducida

temporalmente luego para compensar por esa peacuterdida de amplitud el escaacutener recibiraacute a traveacutes del

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circuito la sentildeal para mover la muestra hacia abajo con el objetivo de mantener la amplitud

preestablecida (setpoint) Es importante mencionar que en este modo se escoge una amplitud en el

experimento correspondiente a una fraccioacuten de la amplitud libre ver figura 417) Tanto la

amplitud libre de la punta como la fraccioacuten de la amplitud libre se escogen durante el experimento

la eleccioacuten de estos paraacutemetros antildeade complejidad si lo comparamos con el modo contacto donde

el usuario uacutenicamente se preocupa de una variable que es la deflexioacuten de la micropalanca (Loacutepez

y Solares 2014) Es por ello que en general el aumento del grado de sofisticacioacuten del meacutetodo en

AFM permite la recopilacioacuten de mayor informacioacuten pero al mismo tiempo requiere de mayor

juicio conocimiento y experiencia del usuario

Existen ecuaciones que sirven para determinar los distintos paraacutemetros de rugosidad de las

muestras a analizar de las cuales soacutelo se usaron dos en este trabajo de tesis que son

Desviacioacuten Promedio

119929119938 =120783

119951 sum|119962119946|

119951

120783

120786 120783120782

Desviacioacuten Estaacutendar

119929119954 = radic120783

119951 sum 119962119946

120784

119951

120783

120786 120783120783

Donde

119962119946 Distancia vertical desde la liacutenea principal hasta el i-eacutesimo punto de dato

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119951 Orden de los perfiles de rugosidad

119929119938 Desviacioacuten Promedio (Rugosidad Media)

119929119954 Desviacioacuten Estaacutendar (Rugosidad Cuadraacutetica Media)

Los anaacutelisis de rugosidad de las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

se realizaron con el equipo de Microscopiacutea de fuerza atoacutemica marca Bruker y modelo Dimension

Edge V-T 102

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CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

51 Difraccioacuten de Rayos X

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano

En la figura 51 se observan los picos de difraccioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

sintetizada a 300 y de las recocidas a las temperaturas de 400 450 119910 500 respectivamente

Los picos de difraccioacuten teoacutericos se encuentran en el anexo A Todas las muestras presentan

naturaleza policristalina y estructura hexagonal wurtzita con una clara orientacioacuten preferencial en

el plano (002) no se presentaron picos caracteriacutesticos del cobre debido al bajo porcentaje de

dopaje La intensidad del pico del plano (002) en las peliacuteculas sometidas a temperaturas de

recocido son mayores en comparacioacuten a la de la peliacutecula sin recocido presentando el mayor pico

a 450 mientras que el plano (100) aparece uacutenicamente en la peliacutecula recocida a 400 S

observoacute una disminucioacuten del tamantildeo del cristalito con la primera temperatura de recocido de alliacute

en adelante fue aumentando en cambio el paraacutemetro de red c fue disminuyendo con la temperatura

de recocido Todo esto puede ser quizaacutes a la sustitucioacuten de iones de cobre en los sitios del zinc

ingreso de iones de cobre a los intersticios (ya que el radio ioacutenico del zinc es casi del mismo tamantildeo

que el del cobre) o vacancias de iones de zinc u oxiacutegeno produciendo una deformacioacuten en la red

seguacuten Filali Torchynska Diacuteaz amp Morales (2015) Si iones Cu1 sustituyen a iones Zn2 en la

estructura cristalina existe un incremento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como

se observa en las peliacuteculas recocidas a 450 119910 500 pero si es el ion Cu2 el que sustituye a iones

Zn2 se observa un decrecimiento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como sucede en

las peliacuteculas de 300 400 119910 450

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Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con recocido (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la tabla 1 se muestran los valores calculados para el aacutengulo de Bragg del plano (002) la

distancia interplanar el paraacutemetro c el ancho completo de la mitad del maacuteximo y el tamantildeo del

cristalito

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Tabla 1

Tabla de valores para las propiedades estructurales

Datos obtenidos mediante DRX y caacutelculos (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra

120784120637(deg)

119941119945119948119949(Aring)

119836 (Aring)

FWHM 119811 (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3441 2604 5208 03221 2582

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 3448 2599 5198 04430 1878

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 3463 2588 5176 03161 2633

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 3458 2592 5184 02847 2923

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En la figura 52 se observa la relacioacuten entre el tamantildeo del cristalito y la temperatura de recocido

el recocido a 400 no fue suficiente para lograr aumentar el tamantildeo del cristalito es por eso que

disminuye considerablemente a partir de alliacute aumenta a medida que lo hace la temperatura

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica

521 Morfologiacutea y rugosidad

La figura 53 a-d muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas tomadas en AFM en dos

dimensiones barridas en un aacuterea de 5120583119898 119909 5120583119898 La superficie de las peliacuteculas no son homogeacuteneas

son rugosas con tamantildeo de grano variable Para a) se observa que el crecimiento del grano se dio

en forma de montantildeas en b) el crecimiento del grano cambioacute draacutesticamente y se dio en forma de

espiral esto puede ser debido al reordenamiento de los aacutetomos que se dio al someter la peliacutecula a

la temperatura de recocido para c) mejoroacute la cristalinidad y la forma de crecimiento fue

nuevamente como montantildea esto concuerda con el aumento del valor del tamantildeo del cristalito y

para d) la cristalinidad volvioacute a mejorar en concordancia con el tamantildeo del cristalito que aumento

un poco maacutes Esto es debido a que el incremento del tamantildeo del cristalito causa un aumento en la

rugosidad seguacuten Saidani et al (2006)

Para cada peliacutecula se hicieron tres mediciones en diferentes zonas para determinar los

paraacutemetros de rugosidad siendo sus valores promedio Rugosidad Promedio (119877119886) 000611 120583119898 y

la Rugosidad Cuadraacutetica Media (119877119902) 0007843 120583119898 que son mostrados en la tabla 2

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Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 ordmC c) rec a 450 ordmC

y d) rec a 500 ordmC (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la figura 54 a b c y d se muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas ahora en tres

dimensiones en estas imaacutegenes se observa mucho mejor el cambio de la cristalinidad y la

morfologiacutea para cada peliacutecula la rugosidad (Ra) aumenta en funcioacuten de la temperatura de recocido

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 c) rec a 450 y

d) rec a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

En la tabla 2 se han registrado los valores de la rugosidad media (Ra) y la rugosidad cuadraacutetica

media (Rq) para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

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Tabla 2

Tabla de valores de las rugosidades

Datos obtenidos mediante el software del equipo de afm (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra 119929119954 (120641119950) 119929119938 (120641119950)

ZnOCu 3 vol sin recocido 0007843 0006110

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 0006960 0005336

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 0011033 0008840

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 0011933 00095733

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En la figura 55 se observa la rugosidad media (Ra) en funcioacuten de la temperatura de recocido

con lo cual se puede confirmar que a medida que aumenta la temperatura de recocido aumenta la

rugosidad de la peliacutecula a partir de 400

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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53 Espectrometriacutea UV-Vis

531 Transmitancia

En la figura 56 se observan los espectros de transmitancia oacuteptica de las peliacuteculas delgadas de

ZnOCu 3 vol sintetizadas por el meacutetodo de rociado piroliacutetico a 300 ordmC y las sometidas a

temperaturas de recocido de 400 ordmC 450 ordmC y 500 ordmC obtenidas por espectrofotometriacutea UV-Vis

en el rango de longitudes de onda de 300 a 750 nm

Las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin recocido y con recocido presentan alta

transmitancia (gt80) esto se debe al dopaje con cobre seguacuten Bunyod Allabergenov et al (1946)

La muestra recocida a 500 ordmC presenta la mayor transmitancia (gt80) en el rango de 500 a 600

nm

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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532 Absorbancia y energiacutea del gap

En la figura 57 se puede ver el espectro de absorbancia para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol

sin y con recocido

El pico de absorbancia para todas las peliacuteculas se tiene aproximadamente en 375 nm luego

decae hasta hacerse casi nula para todas las peliacuteculas esto se debe al dopaje con cobre seguacuten

Bunyod Allabergenov (1946)

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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Se utilizoacute el modelo de Tauc para calcular la energiacutea del gap en cada peliacutecula El dopaje con

cobre disminuyoacute la energiacutea del gap a 3256 eV comparaacutendola con el valor teoacuterico (337 eV)

mientras que al someter las peliacuteculas a temperaturas de recocido se observa que el valor de la

energiacutea del gap cambia ligeramente siendo 3256 3263 y 3257 eV para las peliacuteculas recocidas a

400 450 119910 500 respectivamente a diferencia de lo reportado por Mathew (2015) esto se deba

quizaacutes a que la cantidad de cobre no fue la suficiente para lograr la disminucioacuten de la energiacutea del

gap

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para la peliacutecula recocida a

400 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y derecha para la peliacutecula

recocida a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la tabla 3 se han registrado los valores de la energiacutea del gap para las muestras sin y con

recocido de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol

Tabla 3

Tabla de valores de la Energiacutea del Gap

Datos obtenidos usando la relacioacuten de Tauc (Fuente Elaboracioacuten Propia)

Muestra Energiacutea del Gap (eV)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 400 deg119914 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 450 deg119914 3263

ZnOCu 3 vol recocido a 500 deg119914 3257

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CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES

bull Utilizando la teacutecnica de rociado piroliacutetico se obtuvo la peliacutecula delgada de ZnOCu

3 vol siendo la temperatura de siacutentesis de 300ordmC sobre un sustrato de vidrio marca

Pearl

bull Los patrones de difraccioacuten de rayos X nos ayudaron a determinar los picos de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol obtenieacutendose como resultado

un crecimiento preferencial en la direccioacuten del plano (002) siendo la muestra recocida

a 450 ordmC la que presentoacute el pico maacutes elevado Esto es caracteriacutestico de la estructura

hexagonal wurtzita

bull El tamantildeo del cristalito aumenta a medida con la temperatura de recocido a partir de

400 ordmC

bull El paraacutemetro c disminuye a medida que aumenta la temperatura de recocido

bull Las imaacutegenes obtenidas por AFM muestran que la rugosidad media (Ra) de las

peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol aumentaron a medida que aumenta la

temperatura de recocido a partir de 400 ordmC

bull La espectrofotometriacutea UV-Vis revela que todas las muestras de ZnOCu 3 vol

presentan alta transmitancia (gt80) a partir de 400 nm hasta los 750 nm siendo la

muestra recocida a 500ordmC la que presenta mayor transmitancia (gt90) en el rango de

500 a 600 nm

bull La absorbancia a partir de 400 nm es casi nula en todas las muestras

bull La energiacutea del gap se mantiene casi constante con la temperatura de recocido

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CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS

bull Se sugiere incrementar el nuacutemero de capas de la peliacutecula delgada ya que se si bien es

cierto que si se pudieron observar los patrones de difraccioacuten estos presentan ruido en

su graacutefica y se cree que esto puedo mejorar haciendo maacutes gruesa la peliacutecula

bull Se sugiere incrementar el rango de temperaturas de recocidos para poder obtener maacutes

detalles acerca de la influencia de eacutesta temperatura en las propiedades que se quieran

analizar de las peliacuteculas delgadas

bull Se sugiere realizar el dopaje con otros porcentajes de cobre para obtener maacutes

informacioacuten acerca de la influencia de esto en las propiedades a estudiar

bull Se sugiere calcular los esfuerzos por deformacioacuten

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71

REFERENCIAS

Acosta D R y Magantildea C R (2012) Oacutexidos conductores transparentes (119885119899119874 minus 1198781198991198742) Para

Remediacioacuten Ambiental Por Procesos Fotocataliacuteticos Muestra de proyectos ambientales

de tu ciudad Instituto de Fiacutesica de la Universidad Nacional Autoacutenoma de Meacutexico

Meacutexico DF

Alamri S N y Brinkman W A (2000) The effect of the transparent conductive oxide on the

performance of thin film CdSCdTe Solar cells J Phys D Appl Phys 33(1)

Aacutelvaro A D (2014) Estudio de Peliacuteculas Delgadas de 1198821198743 depositadas por la teacutecnica de

Sputtering Reactivo (tesis de pregrado) Cimav Chihuahua Meacutexico

American Society For Testing Materials Copper and Copper Alloys Annual Book of ASTM

Standards Vol21 (2) (ASTM International West Conshohocken PA) Revisado

anualmente

Askeland D (1998)Ciencia e Ingenieriacutea de los MaterialesUsa Thomson

Bedia F Z Bedia A N Maloufi N Aillerie M Gent F y Benyoucef B (2014) Effect

of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray

pyrolysis technique Journal of Alloys and Compounds 616 312ndash318

Benharrats F Zitouni K Kadri A y Gil B (2010) Determination of piezoelectric and

spontaneous polarization fields in CdxZn1ndashxOZnO quantum wells grown along the polar

(0001) direction Superlattices and Microstructures 47 592ndash596

Bubert H y Jenett H (2002) Surface and Thin Films Analysis Alemania Wiley

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

72

Bunyod A Oybek T Amir I A Jeong S W y Sungjin K (1946) Study of optical

properties in cu-doped zno thin films fabricated by dc magnetron sputtering Kumoh

National Institute of Technology (KIT) Metallkunde 37 40-4

Caglar Y Aksoy S Ilican S y Caglar M (2009) Crystalline structure and morphological

properties of undoped and Sn doped ZnO thin films Superlattices and Microstructures

46 469-475

Crystallography Open Database (2018) Recuperado de

httpwwwcrystallographynetcod1011258html

Deinert J (2016) Zinc Oxide Surfaces and Interfaces Electronic Structure and Dynamics of

Excited States (tesis postdoctoral) Department of Physics Technische Universitaumlt

Berlin Berlin Alemania

Filali B E Torchynska T V Diacuteaz C A y Morales R M (2015) Structural and raman

scattering studies of ZnO Cu nanocrystals grown by spray pyrolysis Revista Mexicana

de Ingenieriacutea Quiacutemica 14(3) 781-788

Gross L Mohn F Liljeroth P Repp J Giessibl FG y Meyer G (2009) Measuring the

charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy Science 324(5933)

1428-1431

Gurumurugan y Mangalaraj (1995) Structural Characterization of zinc oxide thin films

deposited by sol-gel Journal of Crystal Growth 147 335-360

Hafdallah A Herissi I Chergui N Kebaili Z Aida M y Attaf N (2018) Structural and

optical properties of ZnO thin films deposited by pyrolysis spray method effect of Al

doping Nanotechnology Letters

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BIBLI

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

73

Hernaacutendez S S (2014) Preparacioacuten y Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de ZnO y

ZnOAl por la teacutecnica de Rociacuteo Piroliacutetico Para su Aplicacioacuten en Celdas Solares (tesis de

maestriacutea) Instituto Politeacutecnico Nacional Altamira Meacutexico

Hirata G A McKittrick J Siqueiros J Loacutepez O A Cheeks T Contreras O y Yi J Y

(1996) High transmittance-low resistivity ZnOGa films by laser ablation Journal of

Vacuum Science amp Technology A Vacuum surfaces and films 14(3) 791-794

Jeong S H Park B N Yoo D G y Boo J H (2007) Al-ZnO thin films as transparent

conductive oxides synthesis characterization and application tests Journal of the

Korean Physical Society 50(3) 622-625

Jijoy P M Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties of

Transition Metal Doped ZnO Thin Films IOP Conf Series Materials Science and

Engineering 731-5 doi 1010881757-899X

Kane J Schweizer H P y Kern W (1976) Chemical Vapor Deposition of Antimony-Doped

Tin Oxide Films Formed from Dibutyl Tin Diacetate Journal of the Electrochemical

Society 126(2) 270-277

Koumllble Ch Greiner D Klaer J Klenk R Meeder A y Ruske F (2009) DC reactive

sputtering of aluminum doped zinc oxide films for solar modules controlled by target

voltage Thin Solid Films 520 1913-1917

Leoacuten L H (2014) Efecto de la temperatura de recocido en la resistividad eleacutectrica de las

peliacuteculas de SnO2 sintetizadas por rociado piroliacutetico (tesis de pregrado) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

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IENCIA

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

74

Liu H Avrutin V Izyumskaya N Oumlzguumlr Uuml y Morkoccedil H (2010) Transparent conducting

oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices Superlattices

and Microstructures 48 458ndash484

Loacutepez W Castro P Molina J y Arbey J (2011) Estabilidad y estructura electroacutenica del

ZnO Revista Colombiana de Fiacutesica 43 (I)

Loacutepez G Morales R Olea O Saacutenchez V Trujillo J Varela V y Vilchis A (2013)

Nanoestructuras metaacutelicas Siacutentesis caracterizacioacuten y aplicaciones Meacutexico DF

Meacutexico Reverteacute

Loacutepez E A y Solares S D (2014) El microscopio de fuerza atoacutemica meacutetodos y aplicaciones

Revista 28 de la Universidad del Valle de Guatemala 14-23

Mathew J P Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties

of Transition Metal Doped ZnO Thin Films Mat Sci and Eng 73 1-5

Minami T (2008) Present status of transparent conducting oxide thin-film development for

Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes Thin Solid Films 516 5822-5828

Mizuhashi M (1980) Electrical properties of vacuum-deposited indium oxide and indium tin

oxide films Thin Solid Films 70(1) 91-100

Mooney J B amp Rading S B (1982) Spray Pyrolysis Processing Annual Reviews of

Materials Science 12 81-101

Noriega D E (2015) Efecto de la temperatura del sustrato en los esfuerzos residuales de las

peliacuteculas de ZnO sintetizadas por Rociado Piroliacutetico (tesis de Maestriacutea) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

Pan C A y Ma T P (1980) High-quality transparent conductive indium oxide films

prepared by thermal evaporation Applied Physics Letter 37(2) 163

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

75

Peacuterez M L (2005) Fabricacioacuten y Caracterizacioacuten Oacuteptica Estructural y Eleacutectrica de Peliacuteculas

Delgadas Transparentes de Oacutexidos de Estantildeo Circonio y Zinc (tesis de doctorado)

Instituto Politeacutecnico Nacional Meacutexico DF Meacutexico

Rahmani M B Keshmiri S H Shafiei M Latham K Wloarski W Plessis J du y

Kalantar-Zadeh K (2009) Transition from n- to p- Type of Spray Pyrolysis Deposited

Cu Doped ZnO Thin Films for NO2 Sensing ASP 7 1-8

Ramiacuterez C M (2015) Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de 119885119899119874 1198661198863+ Obtenidas Por La

Teacutecnica de Sol-Gel (tesis de pregrado) Universidad Tecnoloacutegica de la Mixteca

OaxacaMeacutexico

Rojas F S (2013) Influencia de la temperatura de recocido de las peliacuteculas de ZnO

compuestas con nanopartiacuteculas de Au sobre el crecimiento de Nanorods (tesis de

pregrado) Universidad Nacional de Trujillo Trujillo La Libertad Peruacute

Rozati S M (2008) Effect of film thickness on the physical properties of ZnOAl thin films

deposited using a spray pyrolysis technique Canadian J Phys 86 379ndash382

Ruumlcker N y Becker K J (1978) Life stability of transparent semiconducting oxide films

deposited onto cold substrates Thin Solids Films 53(2) 163-167

Sahay PP y Nath RK (2008) Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG)

sensors Sensors and ActuatorsB(133) 222ndash227

Saidani T Zaabat M Aida M S Benoboud A Benzitouni S y Boudine A (2014)

Influence of annealing temperature on the structural morphological and optical properties

of Cu doped ZnO thin films deposited by the sol-gel method Superlattices and

Microstructures 75 47-53

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AS

76

Ghandi S K Field R J y Shealy J R (1980) Highly oriented zinc oxide films grown by the

oxidation of diethylzinc Applied Physics Letters 37(5) 449

Waal H y Simons F (1981) Tin oxide coatings Physical properties and applications Thin

Solid Films 77 253-258

Wang L Zhang X Zhao S Zhou G Zhou Y y Qi J (2005) Synthesis of well-aligned

ZnO nanowires by simple physical vapor deposition on c-oriented ZnO thin films without

catalyst or additives App Phy Lett 86(2)

Wolgamott J C (2017) Analysis of Zinc Oxide Thin Films Synthesized by Sol-Gel via Spin

Coating (tesis de maestriacutea) The University of Wisconsin-Milwaukee USA

Yan Y Al-Jassim M M y Wei S (2006) Doping of ZnO by group-IB element Applied

Physics Letters 89

Zhon L W (2004) Nanostructures of Zinc Oxide Materials today 7 26-33

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ANEXOS

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ANEXO A

Valores Teoacutericos Del Zno

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnO (Fuente En liacutenea)

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ANEXO B

Caacutelculo de la distancia interplanar

La distancia interplanar fue calculada a partir de la Ley de Bragg

119941 =120640

120784 119852119842119847 120637

Doacutende d es la distancia interplanar 120582 es la longitud de onda de rayos X (15405981 A) y 120579 es

el aacutengulo de Bragg

Se tomoacute como plano de referencia el (002)

Para la muestra sin tratamiento de recocido el aacutengulo fue 2120579 = 3441deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120782120787deg

119941 = 120784 120788120782120786 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3448deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120786deg

119941 = 120784 120787120791120791 119808

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80

Para la muestra recocida a 450deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3463deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120785120783120787deg

119941 = 120784 120787120790120790 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3458deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120791deg

119941 = 120784 120787120791120784 119808

Caacutelculo del paraacutemetro c

El paraacutemetro de red C fue calculado para cada muestra con la foacutermula

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784

Doacutende h=k=0 y l=2 reemplazando estos datos tenemos

119940 = 119949 119941119945119948119949

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81

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119940 = (120784)120784 120788120782120786 119808

119940 = 120787 120784120782120790 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120791 119808

119940 = 120787 120783120791120790 119808

Para la muestra recocida a 450deg119862

119940 = (120784)120784 120787120790120790 119808

119940 = 120787 120783120789120788 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120784 119808

119940 = 120787 120783120790120786 119808

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S FIacuteS

ICAS

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AS

82

Caacutelculo del tamantildeo de grano

Para calcular el tamantildeo del cristalito se utilizoacute la ecuacioacuten de Debye-Scherrer

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637

Doacutende K es la constante que es 09 para partiacuteculas esfeacutericas 120582 es la longitud de onda de los

rayos X (15405981 A) 120573 es la mitad del ancho del maacuteximo (FWHM) pico que para nuestro caso

fue el que correspondiacutea al plano (002) y estaacute dado en radianes y 120579 es el aacutengulo de Bragg

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120788120784120783) 119836119848119852 120783120789 120784120782120787deg119808

119915 = 120784120787 120790120784 119951119950

Para la muestra recocida a 400deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120789120789120785120783) 119836119848119852 120783120789 120784120786deg119808

119915 = 120783120790 120789120790 119951119950

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83

Para la muestra recocida a 450deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120787120783120789) 119836119848119852 120783120789 120785120783120787deg119808

119915 = 120784120788 120785120785 119951119950

Para la muestra recocida a 500deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120786120791120788120789) 119836119848119852 120783120789 120784120791deg119808

119915 = 120784120791 120784120785 119951119950

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84

ANEXO C

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada

Se realizoacute una pequentildea incisioacuten en la peliacutecula con una navaja de tal forma que la peliacutecula pueda

ser desprendida pero que no produzca rayaduras en el sustrato y utilizando el Meacutetodo Section del

Software NanoScope Analysis version 140 se calculoacute la distancia vertical y horizontal en tres

regiones para obtener un promedio con lo cual seriacutea el espesor aproximado de la peliacutecula

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b) Imagen 3D del escaloacuten

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85

Tabla 4

Tabla de datos de las alturas horizontales y verticales

Datos obtenidos para calcular el espesor de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 (Elaboracioacuten Propia)

Calculando el promedio de las distancias verticales

(189441 + 184037 + 170941)119899119898 = 544419 119899119898

544419119899119898

3= 181473 119899119898

El grosor de la peliacutecula fue 181 473 nm

Este proceso se realizoacute para todas las muestras en la tabla 5 se muestran los valores

correspondientes cada peliacutecula

Tabla 5

Tabla de valores del espesor de cada peliacutecula

Muestra Espesor (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 181473

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 179596

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 181210

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 183498

Datos calculados para el espesor de cada peliacutecula (Fuente Elaboracioacuten propia)

N Distancia Horizontal Distancia Vertical

1 3249 (microm) 189441 (nm)

2 3679 (microm) 184037 (nm)

3 3914 (microm) 170941 (nm)

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86

ANEXO D

Caacutelculo de los valores de Rugosidad

Se calculoacute el promedio de la rugosidad media y la rugosidad cuadraacutetica media para cada

peliacutecula El aacuterea de anaacutelisis en todas las muestras fue 3um x 1um y los valores fueron obtenidos

por el sensor de altura en el software de AFM Dimension Edge VT-112

Muestra Sin Rec

Figura D 1 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra sin rec

Tabla 6

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rec

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000751 000589

ZONA 2 000849 000646

ZONA 3 000753 000598

PROMEDIO 000784 000611

Datos para el promedio de la rugosidad de ZnOCu 3 vol Sin Rec (Elaboracioacuten Propia)

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87

Muestra Rec a 120786120782120782

Figura D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 400 ordmC

Tabla 7

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

Muestra Rec a 120786120787120782

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000634 000506

ZONA 2 000769 000590

ZONA 3 000685 000505

PROMEDIO 000696 000534

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88

Figura D3 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 450 ordmC

Tabla 8

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00112 000903

ZONA 2 00110 000872

ZONA 3 00109 000877

PROMEDIO 00110 000884

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89

Muestra Rec a 120787120782120782

Figura D4 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 500 ordmC

Tabla 9

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec 500 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00119 000956

ZONA 2 00120 000969

ZONA 3 00119 000947

PROMEDIO 00119 000957

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90

ANEXO E

Caacutelculo de la energiacutea del gap

Se utilizoacute la foacutermula 46

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material que es igual a la absorbancia dividida por

el espesor de la peliacutecula 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ es la constante de Planck 120584 es

la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

Haciendo los caacutelculos respectivos en Excel obtuvimos los valores de ℎ120584 y (120572ℎ120584)2

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauc

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91

Luego graficamos esto usando Origin 8 y trazando la recta hasta el intercepto con el eje x

obtuvimos el valor de la energiacutea del gap Esto se hizo para todas las peliacuteculas

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas las peliacuteculas

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AS

Page 8: FÍSICAS INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO …

viii

IacuteNDICE GENERAL

PRESENTACIOacuteN iii

DEDICATORIA iv

AGRADECIMIENTOS v

RESUMEN vi

ABSTRACT vii

IacuteNDICE GENERAL viii

IacuteNDICE DE FIGURAS xii

Capiacutetulo 2 xii

Capiacutetulo 3 xii

Capiacutetulo 4 xiii

Capiacutetulo 5 xiv

Anexos xiv

IacuteNDICE DE TABLAS xvi

CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN 1

CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO 5

21 Oacutexido de Zinc 5

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO 5

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ix

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO 7

24 El Cobre y Sus Propiedades 8

25 Dopado al Oacutexido de Zinc 9

CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE PELIacuteCULAS DELGADAS 12

31 Procesos Fiacutesicos 14

311 Evaporacioacuten teacutermica 14

312 Sputtering 15

32 Procesos Quiacutemicos 17

321 CVD 17

322 Sol-Gel 19

323 Rociado Piroliacutetico 20

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas 24

331 Modo de crecimiento capa por capa Δ120574 gt 0 26

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas 26

333 Modo de crecimiento por islas Δ120574 lt 0 26

CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO 27

41 Materiales Equipos e Instrumentos 27

42 Meacutetodo 30

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos 30

422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol 32

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x

43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol 38

44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten 40

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX) 40

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis) 43

443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) 47

CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 55

51 Difraccioacuten de Rayos X 55

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano 55

52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 59

521 Morfologiacutea y rugosidad 59

53 Espectrometriacutea UV-Vis 64

531 Transmitancia 64

532 Absorbancia y energiacutea del gap 65

CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES 69

CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS 70

REFERENCIAS 71

ANEXOS 77

ANEXO A 78

Valores Teoacutericos Del Zno 78

ANEXO B 79

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AS

xi

Caacutelculo de la distancia interplanar 79

Caacutelculo del paraacutemetro c 80

Caacutelculo del tamantildeo de grano 82

ANEXO C 84

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada 84

ANEXO D 86

Caacutelculo de los valores de Rugosidad 86

Muestra Sin Rec 86

Muestra Rec a 400 87

Muestra Rec a 450 87

Muestra Rec a 500 89

ANEXO E 90

Caacutelculo de la energiacutea del gap 90

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xii

IacuteNDICE DE FIGURAS

Capiacutetulo 2

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn

de color gris oscurohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnOhelliphelliphelliphelliphellip8

Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles

de fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Capiacutetulo 3

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipohelliphelliphellip16

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica de para un proceso de CVDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

Figura 34 Ruta Quiacutemica para el proceso de Sol-Gelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

Figura 35 Esquema del equipo de Rociado Piroliacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes

isla y (c) por islashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

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xiii

Capiacutetulo 4

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

Figura 43 Sustratos en detergentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenicohelliphellip31

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en hornohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica33

Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip34

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphellip35

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula

delgada de ZnOCu 3 vol helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

Figura 411 Diagrama de flujo del Proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadashelliphelliphellip39

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del

sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta

con la superficie del sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitentehelliphelliphelliphelliphelliphellip52

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xiv

Capiacutetulo 5

Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con

recocidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip58

Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 ordmC c) rec a 450 ordmC y d) rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 c) rec a 450 y d) rec a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y

con recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con

recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para

la peliacutecula recocida a 400 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y

derecha para la peliacutecula recocida a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

Anexos

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b)

Imagen 3D del escaloacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84

Figura D1 a Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra sin rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

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AS

xv

Figura D2 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 400 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87

Figura D3 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 450 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88

Figura D4 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 500 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas

las peliacuteculashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91

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IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de valores para las propiedades estructuraleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

Tabla 2 Tabla de valores de las rugosidadeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

Tabla 3 Tabla de valores de la Energiacutea del Gaphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

Tabla 4 Tabla de datos de las alturas horizontales y verticaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 5 Tabla de valores del espesor de cada peliacuteculahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 6 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

Tabla 7 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87

Tabla 8 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88

Tabla 9 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

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CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN

Los materiales desarrollados a base de oacutexidos transparentes y conductores (por sus siglas en

ingleacutes TCOs) han recibido una gran aceptacioacuten en la comunidad cientiacutefica debido a sus muacuteltiples

aplicaciones en la industria optoelectroacutenica ya que sus propiedades de alta transparencia y baja

resistividad los hacen aptos para aplicaciones en celdas solares sensores de gases (Koumllble et al

2009) pantallas planas pantallas de cristal liacutequido ventanas electro-croacutemicas entre otros

Los TCOs son semiconductores que se caracterizan por tener altos valores de transmisioacuten oacuteptica

(~ 80 ) en el intervalo visible y bajas resistividades (lt 10minus3Ω119888119898) seguacuten Minami (2008)

Algunos de los oacutexidos metaacutelicos preparados en forma de peliacutecula delgada que son o pueden ser

utilizados como conductores transparentes son oacutexido de cadmio (119862119889119874) oacutexido de estantildeo (1198781198991198742)

ITO (11986811989921198743 119878119899) FTO (1198781198991198742 119865) y AZO (119885119899119874 119860119897)(Alamri amp Brinkman 2000)

Uno de los oacutexidos conductores transparentes comuacutenmente utilizados debido a su alta

transmitancia en el visible gt 80 y su baja resistividad del orden de 10minus4Ω119888119898 es el oacutexido de

indio dopado con estantildeo (ITO) seguacuten Minami (2008) Pero debido a la rareza del indio en la tierra

su costo es elevado Otro oacutexido conductor transparente que ha llamado fuertemente la atencioacuten es

el CdO que es un semiconductor degenerado porque los estados en el fondo de la banda de

conduccioacuten se encuentran ocupados por lo tanto presenta alta conductividad sin necesidad de ser

dopado (Bhosale Kambale Kokate amp Rajpure 2005)

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Sin embargo ya que el Cd es muy toacutexico la unioacuten europea a traveacutes de la directiva de restriccioacuten

de sustancias peligrosas lo catalogoacute entre los 6 elementos restringidos para su uso en dispositivos

eleacutectricos y optoelectroacutenicos Debido a esta restriccioacuten es necesario buscar otras alternativas una

de ellas es el ZnO ya que presenta alta conductividad eleacutectrica seguacuten Jeon Park Yoo amp Boo

(2007) altos valores de transmitancia en la regioacuten visible del espectro electromagneacutetico (Hirata et

al 1996) bajo costo alta disponibilidad y no toxicidad

El oacutexido de Zinc es reconocido como un semiconductor porque tiene un ancho de banda de 337

eV a temperatura ambiente posee una gran energiacutea libre de unioacuten de excitones alta estabilidad

propiedades fiacutesicas oacutepticas etc (Benharrats Zitouni Kadri y Gil 2010)

Una peliacutecula delgada se encuentra en el rango de 1 119886 100 119899119898 (Loacutepez et al 2013) Para que

una peliacutecula delgada sea considerada como eficaz debe ser quiacutemicamente estable en el entorno a

usar debe adherirse bien a la superficie que cubre (sustrato) debe tener un espesor uniforme y

debe tener una baja densidad de imperfecciones (Leoacuten 2014)

Dentro de los diversos meacutetodos para obtener peliacuteculas delgadas tenemos el de rociado piroliacutetico

que puede ser maacutes barato simple y versaacutetil a comparacioacuten de otros meacutetodos Las propiedades de

las peliacuteculas rociadas pueden faacutecilmente adaptarse para las aplicaciones requeridas

Adicionalmente tambieacuten es un meacutetodo de deposicioacuten adecuado cuando se necesitan peliacuteculas de

grandes aacutereas (Rahmani et al 2009)

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El meacutetodo de rociado piroliacutetico es un proceso en el cual una peliacutecula delgada es depositada

mediante el rociado de una solucioacuten en una superficie caliente donde los constituyentes reaccionan

para formar un compuesto quiacutemico Los reactantes quiacutemicos son seleccionados de tal forma que

los productos distintos al del compuesto deseado sean volaacutetiles a la temperatura de deposicioacuten

(Mooney amp Rading 1982)

Las caracteriacutesticas estructurales eleacutectricas y oacutepticas de las peliacuteculas delgadas de ZnO han sido

ampliamente investigadas mientras que el efecto del dopado sobre estas propiedades auacuten estaacuten

siendo estudiadas (Rozati 2008 Caglar Ilikan y Caglar 2009) Las peliacuteculas de ZnO pueden

doparse con Al3+ (Sahay amp Nath 2008) Sn4+ y Sn5+ (Bedia et al 2014) F1- Cu1+ Ag1+ Ga3+

In3+ (Liu Avrutin Izyumskaya Oumlzguumlr y Morkoccedil 2010)

Elegir el Cu como dopante para las peliacuteculas delgadas de ZnO es una buena opcioacuten ya que

influye en las propiedades oacutepticas estructurales quiacutemicas y eleacutectricas del ZnO y el estudio del

estado electroacutenico del Cu en ZnO ha venido siendo el tema de intereacutes por mucho tiempo ya que

son uno de los componentes principales en celdas fotovoltaicas (Bunyod 1946)

El efecto de la temperatura de recocido sobre las peliacuteculas delgadas de ZnOCu estaacute siendo

estudiada minuciosamente debido a que se han reportado casos en los cuales disminuye la banda

del gap y aumenta el esfuerzo a medida que aumenta dicha temperatura (Jijoy Varguese amp

Mathew 2015)

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En el presente trabajo de investigacioacuten se realizoacute la siacutentesis de peliacuteculas delgadas de ZnOCu

3 por el meacutetodo de rociado piroliacutetico sobre un sustrato de vidrio a una temperatura de 300 ordmC y

luego sometida a temperaturas de recocido entre 400- 500 ordmC La caracterizacioacuten de las peliacuteculas

antes y despueacutes del recocido se realizoacute mediante DR-X UV-Vis y AFM

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CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO

21 Oacutexido de Zinc

El oacutexido de zinc es un compuesto inorgaacutenico relativamente abundante quiacutemicamente estable

y no toacutexico es insoluble en agua pero soluble en aacutecidos y bases diluidas su punto de fusioacuten es de

1975 ordmC temperatura a la que tambieacuten se descompone es un semiconductor formado por los

elementos del grupo-II ( 119885119899)30 y el grupo-VI ( 1198748

) El zinc tiene cinco isoacutetopos estables de los

cuales los maacutes comunes son el zinc 64 (4889 ) zinc 66 (2781 ) y el zinc 68 (1857 )

mientras que el oxiacutegeno consiste casi puramente en el isoacutetopo de oxiacutegeno 16 (9976 ) seguacuten

Loacutepez Castro Molina y Arbey (2011)

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO

Cada aacutetomo de zinc se encuentra rodeado por un tetraedro de 4 aacutetomos de oxiacutegeno y viceversa

tal y como se muestra en la figura 21 formando de esta manera una combinacioacuten alternada de

planos de aacutetomos oxiacutegeno y de planos de aacutetomos de zinc las cuales se encuentran a lo largo del

eje c con un desplazamiento entre ellos de 038c siendo c su paraacutemetro de red en la direccioacuten

vertical Los valores de los paraacutemetros de red para dicho material en condiciones normales de

presioacuten y temperatura son a = 032495 nm y c = 052069 nm (Hernaacutendez 2014)

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Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn de color gris oscuro

(Fuente Hernaacutendez)

Su estructura puede describirse como un nuacutemero de planos alternantes que estaacuten compuestos

por iones de oxiacutegeno 1198742minus e iones de zinc 1198851198992+ que se encuentran alternados en el eje c esta

estructura tetraeacutedrica es la que le confiere su baja simetriacutea y lo que resulta en sus propiedades de

piezoelectricidad (Hernaacutendez 2014)

Otra importante caracteriacutestica del ZnO es su superficie polar siendo la maacutes comuacuten la del plano

basal Los iones de zinc y oxiacutegeno generan superficies cargadas positiva para (119885119899 minus (0001)) y

negativa para (119874 minus (0001)) lo que resulta en un momento dipolar normal y una polarizacioacuten

espontaacutenea La estabilidad de la superficie polar 119885119899119874 plusmn (0001) es materia de estudio tambieacuten es

atoacutemicamente plana y estable sin reconstruccioacuten (Hafdallah et al 2018 Zhon 2004)

El zinc tiene una configuracioacuten electroacutenica (1119904)2(2119904)2(2119901)6(3119904)2(3119901)6(3119889)10(4119904)2 mientras

que la configuracioacuten electroacutenica del oxiacutegeno es (1119904)2(2119904)2(2119901)4 El enlace de ZnO en su red

cristalina involucra una hibridacioacuten 1199041199013 de los estados electroacutenicos lo cual lleva a cuatro orbitales

equivalentes en una geometriacutea tetraeacutedrica En el cristal semiconductor resultante los estados de

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enlace 1199041199013 constituyen la banda de valencia mientras que la banda de conduccioacuten se origina de su

contraparte de anti-enlace seguacuten Deinert (2016)

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO

Estructuralmente el oacutexido de zinc tiene tres tipos de direcciones raacutepidas de crecimiento las

cuales son lang2110rang ( plusmn[2110] plusmn[1210] plusmn[1120] ) lang0110rang ( plusmn[0110] plusmn[1010]

plusmn[1100] ) y plusmn[0001] El ZnO exhibe un amplio rango de nuevas estructuras que pueden ser

desarrolladas ajustando las tasas de crecimiento a lo largo de esas direcciones Uno de los mayores

factores que determinan la morfologiacutea implican las actividades superficiales relativas de diversas

facetas de crecimiento bajo condiciones dadas Macroscoacutepicamente un cristal tiene diferentes

paraacutemetros cineacuteticos para diferentes planos del cristal los cuales son controlados bajo condiciones

de crecimiento Asiacute despueacutes de un periodo inicial de incubacioacuten y nucleacioacuten un cristalito

comuacutenmente se convertiraacute en un objeto tridimensional bien definido con caras cristalograacuteficas de

bajo iacutendice La figura 2 de a) al c) muestran unas morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento en una

dimensioacuten para el ZnO dichas estructuras tienden a maximizar las aacutereas de las caras (2110) y

(0110) debido a la maacutes baja energiacutea y la morfologiacutea mostrada en la parte d) es dominada por las

superficies polares las cuales pueden ser crecidos mediante la introduccioacuten de defectos planares

paralelos a las superficies polares Los defectos planares y gemelos son observados ocasionalmente

paralelos al plano (0001) pero rara vez se pueden observar dislocaciones (Zhon 2004)

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Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnO (Fuente Zhon)

24 El Cobre y Sus Propiedades

El cobre con nuacutemero atoacutemico 29 y peso atoacutemico de 6354 exhibe una estructura cristalina cuacutebica

centrada en las caras El cobre es un elemento de transicioacuten y al ser un metal noble tiene

propiedades inherentes similares a las de la plata y el oro Tambieacuten posee excelente conductividad

maleabilidad resistencia a la corrosioacuten y biofuncionalidad El cobre tiene alta solubilidad para

otros elementos tales como el niacutequel el zinc el estantildeo y el aluminio Esta solucioacuten soacutelida de la

fase alfa (120572) es la responsable de la alta ductilidad exhibida para aleaciones de cobre Las adiciones

maacutes allaacute del liacutemite de solubilidad resultan en la fase beta (120573) la cual exhibe una estructura cuacutebica

de cuerpo centrado esta fase beta tiene alta estabilidad de temperatura y las aleaciones que exhiben

una estructura 120572 + 120573 tienen una excelente capacidad de formacioacuten en caliente La densidad del

cobre es 889 1198921198881198983 y su punto de fusioacuten es 1083 Seguacuten American Society For Testing

Materials la cual es revisada anualmente

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25 Dopado al Oacutexido de Zinc

Los elementos del grupo IB como el cobre la plata y el oro no parecen de tanto intereacutes como

sus contrapartes del grupo IA y VA pero actualmente se vienen trabajando con estos elementos

ya que cambian las propiedades del ZnO esto podriacutea significar que una sustitucioacuten con zinc podriacutea

resultar un defecto de aniquilador de electrones Aunque estos pueden ser considerados costosos

la plata y el cobre podriacutea ser una alternativa maacutes econoacutemica en comparacioacuten con otros elementos

que han sido usados como dopantes al fin de cuentas estas poseen una conductividad uacutenica

(Wolgamott 2017)

Las figuras 23 24 y2 5 muestran las energiacuteas de formacioacuten por defecto para el ZnO dopado

con cobre plata y oro estas cifras junto con un caacutelculo hecho por Yan Al-Jassim ampWei (2006)

muestran que bajo condiciones ricas en oxiacutegeno los elementos del grupo IB tienen una baja energiacutea

de formacioacuten para la sustitucioacuten del zinc Esta misma condicioacuten rica en oxiacutegeno tambieacuten suprime

la formacioacuten de defectos nativos en el agujero de perforacioacuten aumentando asiacute la posibilidad de

una peliacutecula delgada de ZnO dopado del tipo p (Wolgamott 2017)

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Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

El cobre y la plata ofrecen una mejor ruta para la reproduccioacuten de peliacuteculas delgadas de ZnO

del tipo p El dopaje con nitroacutegeno solo es favorable en condiciones ricas en zinc esto aumenta la

probabilidad de que se formen defectos por la formacioacuten de agujeros para compensar Para

ajustarse a esto teacutecnicas de procesamiento novedoso y no equilibrado deben ser usadas esta

dificultad aumenta los costos de procesamiento y reduce la reproduccioacuten de tales (Wolgamott

2017)

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Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

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CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE

PELIacuteCULAS DELGADAS

Una variedad de teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas han sido empleadas para el

depoacutesito de oacutexidos conductores trasparentes tales como el oacutexido de estantildeo (SnO2) dopado con

antimonio (SnO2 ∶ Sb) o con fluorina (SnO2 ∶ F) el oacutexido de indio(In2O3) dopado con estantildeo

(In2O3 ∶ Sn) el oacutexido de zinc (ZnO) dopado con indio (ZnO ∶ In) Ya que el transporte oacuteptico y

eleacutectrico en estas peliacuteculas depende fuertemente de su estequiometria su microestructura y de la

naturaleza de las impurezas presentes por lo tanto cada teacutecnica de deposicioacuten con los paraacutemetros

asociados produce peliacuteculas con diferentes propiedades Dependiendo de queacute teacutecnica de

deposicioacuten se use el sustrato influiraacute significativamente en las propiedades de las peliacuteculas Los

sustratos de vidrio son los de uso comuacuten para estos procesos Los procesos a baja temperatura tales

como la pulverizacioacuten catoacutedica con magnetroacuten la pulverizacioacuten ioacutenica con haz de iones y el

recubrimiento ioacutenico reactivo permiten la deposicioacuten de las peliacuteculas de oacutexido sobre el sustrato de

poliacutemero como el plaacutestico Mylar y poly (Teraftalato de etileno) Seguacuten Waal amp Simons (1981)

el coeficiente de expansioacuten teacutermica del sustrato afecta las propiedades eleacutectricas de las peliacuteculas

especialmente en procesos como los de rociado piroliacutetico y de inmersioacuten en los cuales las tensiones

intriacutensecas son inducidas dentro de la peliacutecula El coeficiente de expansioacuten teacutermica influye en la

orientacioacuten preferente del cristalito en las peliacuteculas de ZnO (Ghandhi Field amp Shealy 1980)

El proceso que implica deposiciones a altas temperaturas el efecto de la difusioacuten de iones

alcalinos desde el sustrato de vidrio hacia la peliacutecula se vuelve extremadamente importante (Kane

Schweizer amp Kern 1976) Los cationes actuacutean como agentes dopantes de tipo-p y compensan los

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donantes nativos El problema es grave en los sustratos de vidrio Soda-lime los cuales tienen un

alto contenido en sodio alrededor del 10-15 peso 1198731198862119874 En La figura 31 podemos observar

los tipos de procesos para la obtencioacuten de peliacuteculas delgadas

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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31 Procesos Fiacutesicos

311 Evaporacioacuten teacutermica

Peliacuteculas delgadas de IO (oacutexido de indio) (Pan amp Ma 1980) ITO (oacutexido de indio dopado con

estantildeo) (Mizuhashi 1980) y ZnO (Wang et al 2005) han sido depositadas por evaporacioacuten

teacutermica o por haz de electrones de fuentes de oacutexido Debido a su alto punto de fusioacuten el TO

(oacutexido de estantildeo) ha sido depositado por haz de electrones (Mizuhashi 1980) Cuando los oacutexidos

puros o mixtos se evaporan se reducen y forman peliacuteculas opacas de oacutexidos inferiores Por lo tanto

los oacutexidos transparentes conductores son obtenidos por post-oxidacioacuten de peliacuteculas inferiores o

por introduccioacuten del oxiacutegeno durante la evaporacioacuten (Ruumlcker amp Becker 1978)

La cineacutetica de oxidacioacuten de sub-oacutexidos la dependencia de la resistividad y la transmisioacuten en el

sustrato y las temperaturas de oxidacioacuten han sido estudiadas para peliacuteculas de ITO (Mizuhashi

1980) La opacidad de las peliacuteculas depositadas ha sido atribuida a la presencia de indio libre en

una matriz de In2O3 que resulta de la reduccioacuten de especies de In2O que estaacuten presentes en la

fase de vapor

La post-oxidacioacuten del indio libre es a traveacutes de un proceso controlado por difusioacuten y las

propiedades eleacutectricas y oacutepticas finales de las peliacuteculas estaacuten determinadas por las tasas relativas

de oxidacioacuten y difusioacuten del indio (Mizuhashi 1980)

En el caso de la oxidacioacuten durante la deposicioacuten la temperatura del sustrato y la presioacuten parcial

de oxiacutegeno son los principales paraacutemetros de control para el proceso que han sido estudiados por

Mizuhashi (1980) que obtuvo peliacuteculas de ITO de buena calidad con una presioacuten parcial de

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oxiacutegeno de 10minus4 Torr y una temperatura de sustrato de 400 con una tasa de deposicioacuten de

aproximadamente 50 Å 119898119894119899minus1 para el O2 puro

De lo anterior se puede concluir que para obtener peliacuteculas altamente transparentes y

conductoras por evaporacioacuten es necesario que la presioacuten parcial del oxiacutegeno sea alta (suficiente

para oxidar casi todo el indio) que la temperatura del sustrato sea la adecuada y que la tasa de

evaporacioacuten sea raacutepida (para suprimir la disociacioacuten de In2O3)

312 Sputtering

El Sputtering o pulverizacioacuten catoacutedica es una de las teacutecnicas maacutes usadas para la deposicioacuten de

peliacuteculas conductoras transparentes Esta teacutecnica se basa esencialmente en un bombardeo intenso

de un material con iones producidos en una descarga eleacutectrica en forma de plasma cuando la

energiacutea de los iones incidentes es suficientemente elevada entonces la interaccioacuten con la superficie

del material a traveacutes de intercambio de momento cineacutetico hace que los aacutetomos de la superficie

sean arrancados para pasar a la fase de vapor La figura 32 muestra un esquema de las etapas del

proceso El caacutetodo el cual estaacute conectado a la terminal negativa de la fuente de alimentacioacuten estaacute

formado por el material a evaporar que tambieacuten es llamado blanco o sputtering target estaacute

sometido al bombardeo intenso de los iones positivos de la descarga una vez que son acelerados

desde el plasma como consecuencia de la caiacuteda de potencial asociada El bombardeo de los iones

produce no solo el efecto de sputtering o pulverizacioacuten del blanco sino tambieacuten la emisioacuten de

electrones secundarios que son acelerados hacia el plasma Una vez en el plasma estos electrones

tienen la energiacutea suficiente para producir nuevos iones mediante procesos de ionizacioacuten en cascada

por impacto con los aacutetomos del gas compensando asiacute la perdida de carga producida por colisiones

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de las especies cargadas en las paredes de la caacutemara de vaciacuteo Se dice que la descarga es auto

mantenida (Aacutelvaro 2014)

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipo (Fuente Aacutelvaro)

El gas de la descarga suele ser un gas inerte de masa elevada con el objeto de aumentar la

transferencia del momento cineacutetico a los aacutetomos del blanco por razones de precio en la mayoriacutea

de las aplicaciones el gas utilizado es argoacuten con una masa atoacutemica de 40 los sustratos a recubrir

estaacuten colocados sobre el aacutenodo aunque se pueden situar sobre un soporte auxiliar frente al caacutetodo

El electrodo que actuacutea de aacutenodo suele estar conectado al potencial de tierra junto con la caacutemara

de vaciacuteo por razones de seguridad A diferencia de la teacutecnica de evaporacioacuten teacutermica la trayectoria

de las partiacuteculas pulverizadas no es rectiliacutenea ya que a presiones de trabajo alrededor de

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10minus3 mbar el recorrido libre medio es del orden de unos pocos mm Los aacutetomos evaporados

pueden alcanzar al sustrato desde cualquier direccioacuten despueacutes de sufrir una serie de colisiones en

la atmosfera de sputtering en las cuales sufren una peacuterdida de su energiacutea inicial Por lo tanto los

problemas de direccionalidad y los de homogeneidad del espesor de la capa depositada son

menores que en la evaporacioacuten teacutermica Al mismo tiempo los aacutetomos del gas inerte y la radiacioacuten

procedente del plasma tambieacuten interaccionan con la superficie de los sustratos produciendo

efectos laterales De hecho existe la posibilidad de que aacutetomos del gas inerte puedan contaminar

la capa depositada en el sustrato al quedar atrapados en su interior durante el crecimiento (Aacutelvaro

2014)

32 Procesos Quiacutemicos

321 CVD

La deposicioacuten quiacutemica por vapor (Chemical Vapor Deposition) es un proceso antiguo que data

del 1800 En este tiempo esta teacutecnica fue usada principalmente para producir materiales

refractores de alta pureza tales como el zirconio y el titanio Despueacutes de la segunda guerra mundial

los investigadores comenzaron a darse cuenta de las ventajas potenciales que ofreciacutea el CVD

Esta teacutecnica consiste en la deposicioacuten por vapor sobre una superficie caliente Esto pertenece a

las teacutecnicas de transferencia de vapor Con esta teacutecnica la liacutenea de visioacuten con la superficie de

recubrimiento no es necesaria por lo tanto permite la deposicioacuten en superficies complejas tambieacuten

posee una alta tasa de deposicioacuten y puede ser usado para recubrimientos gruesos esto permite la

co-deposicioacuten de los elementos y no requiere de un proceso de alto vaciacuteo

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La figura 33 muestra un CVD tiacutepico El primer paso es la activacioacuten teacutermica de los precursores

quiacutemicos para formar el vapor este a su vez es transportado a traveacutes de una caacutemara caliente en

donde el sustrato estaacute colocado en esta caacutemara la reaccioacuten gaseosa ocurre y los reactantes son

depositados en la superficie del sustrato con lo cual resulta la formacioacuten de la peliacutecula Los

subproductos volaacutetiles son desorbidos desde la peliacutecula y removidos de la caacutemara por medio de la

conveccioacuten

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica para un proceso de cvd (Fuente En liacutenea)

Un proceso tiacutepico de CVD requiere de temperaturas altas que la reaccioacuten de fase gaseosa ocurra

esto no soacutelo aumenta los costos de proceso sino que tambieacuten limita los tipos de sustratos donde la

peliacutecula delgada puede ser depositada Los precursores quiacutemicos con alta presioacuten de vapor que se

necesitan para el CVD son en su mayoriacutea toacutexicos y peligrosos para trabajar con ellos Finalmente

los subproductos de la reaccioacuten gaseosa que no permanecen en el sustrato pueden ser toacutexicos e

incluso corrosivos La neutralizacioacuten de estos subproductos implicariacutea un aumento del costo de

produccioacuten

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322 Sol-Gel

Esta teacutecnica de crecimiento es un proceso quiacutemico huacutemedo realizado a bajas temperaturas que

permite fabricar materiales amorfos y poli cristalinos estos uacuteltimos se obtienen despueacutes de un

tratamiento teacutermico En el meacutetodo Sol-Gel se puede controlar la composicioacuten quiacutemica estructura

cristalina y morfologiacutea superficial de las peliacuteculas ajustando los paraacutemetros de procesamiento tales

como relacioacuten molar entre los reactivos cantidad y naturaleza de los precursores disolventes

catalizadores aditivos e impurificantes Este proceso sigue la ruta quiacutemica que muestra en la figura

34 este parte de una solucioacuten inicial compuesta por un alcoacutexido metaacutelico por agua y por un

disolvente al que se le agrega un catalizador que puede ser tanto aacutecido como baacutesico Las reacciones

de hidroacutelisis y condensacioacuten se desencadenan a fin de sintetizar una suspensioacuten coloidal de

partiacuteculas soacutelidas o cuacutemulos en un liacutequido llamado Sol A medida que la reaccioacuten continua aumenta

la viscosidad de la solucioacuten hasta la forma del Gel el cual estaacute constituido de dos partes una soacutelida

que corresponde a las partiacuteculas de oacutexido y una liacutequida que es el disolvente inicial del Sol Luego

de esto se inicia un periodo de secado en condiciones normales de presioacuten y temperatura en el cual

se lleva a cabo la eliminacioacuten del disolvente y del agua residual de tal modo que el Gel se encogeraacute

obtenieacutendose un xerogel Al teacutermino del tiempo de secado generalmente se tienen disolventes y

agua para solucionar esto se somete a un tratamiento teacutermico (Ramiacuterez 2015)

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Figura 34 Ruta quiacutemica para el proceso de sol-gel (Fuente Ramiacuterez)

323 Rociado Piroliacutetico

Esta teacutecnica consiste en la pulverizacioacuten de una solucioacuten que contiene los iones metaacutelicos del

oacutexido que se quiere producir sobre un sustrato que se encuentra a una temperatura elevada El

precursor del material a ser fabricado se disuelve en metanol o etanol esta solucioacuten denominada

solucioacuten precursora es transformada en partiacuteculas muy finas mediante un nebulizador formando

una especie de vapor la solucioacuten nebulizada se transporta hacia el sustrato caliente con ayuda de

un gas portador (aire comprimido) de tal manera que llega al sustrato en forma de gota pequentildea

La pirolisis se produce en la superficie caliente del sustrato dando lugar a la peliacutecula delgada como

producto de la descomposicioacuten del compuesto quiacutemico por accioacuten del calor los componentes

reactivos de la solucioacuten precursora se seleccionan de tal modo que los productos de la reaccioacuten

quiacutemica que no intervienen en la formacioacuten de la peliacutecula sean volaacutetiles a la temperatura de trabajo

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Esto requiere del anaacutelisis del precursor quiacutemico tanto de la fase liacutequida como de la fase gaseosa

y una exploracioacuten de las reacciones superficiales que llevan a la formacioacuten de la peliacutecula delgada

En este proceso de fabricacioacuten de peliacuteculas delgadas un factor muy importante es la uniformidad

del tamantildeo de las gotas generadas

Cuando el vapor de la solucioacuten se aproxima al sustrato en condiciones ideales se espera que el

solvente se vaporice totalmente provocando la descomposicioacuten de los componentes no volaacutetiles

(Leoacuten 2014) En la figura 35 se muestra un esquema del equipo detallando cada parte

componente del mismo

Figura 35 Esquema del equipo de rociado piroliacutetico (Fuente Acosta amp Magantildea)

Piroacutelisis La reaccioacuten piroliacutetica la cual determina la cineacutetica del depoacutesito se efectuacutea cuando el

rociacuteo entra en contacto con el sustrato caliente y seguacuten el tamantildeo de las gotas se produciraacute

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diferentes procesos dependientes del comportamiento teacutermico de las gotas A continuacioacuten se

detallan 4 procesos diferentes seguacuten el tamantildeo de la gota

Gotas de tamantildeo muy pequentildeo

La reaccioacuten se completa durante el transporte antes de llegar al sustrato y se produce un polvo

del material sobre el sustrato la facilidad de este proceso es que puede ser faacutecilmente removido

Gotas de tamantildeo ideal

El solvente pasa a la fase gaseosa completamente antes de alcanzar el sustrato las partiacuteculas

precipitadas se fusionan vaporizan y se difunden sobre la superficie del sustrato En este proceso

las partiacuteculas producidas sufren procesos de adsorcioacuten difusioacuten superficial reaccioacuten de

nucleacioacuten por lo tanto determinan el crecimiento del recubrimiento El resto de los productos de

la reaccioacuten se volatilizan y se difunden fuera del sustrato

Gotas de tamantildeo mediano

El solvente de las gotas se vaporiza al llegar al sustrato dejando partiacuteculas precipitadas de los

reactantes los cuales se fusionan en la superficie del sustrato y causan enfriamiento localizado

obtenieacutendose recubrimientos de baja calidad

Gotas de tamantildeo grande

La energiacutea teacutermica absorbida por la gota durante el transporte al sustrato no es suficiente para

que el solvente se pueda evaporar por completo El solvente residual se evaporaraacute en el sustrato

formando estructuras no homogeacuteneas

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Para lograr la selectividad de las gotas que llegaraacuten al sustrato se graduacutea la longitud entre lo

boquilla y el sustrato Considerando que la fuerza gravitacional es proporcional a 1199033 siendo r el

radio de la gota Las gotas de radios mayores al valor criacutetico no pueden ser transportadas por el

gas portador y por lo tanto regresan al nebulizador En las cercaniacuteas del sustrato se forma una

niebla de la solucioacuten con una distribucioacuten uniforme de gotas de tamantildeo pequentildeo requisito

importante para la obtencioacuten de recubrimientos delgados de buena calidad

Las fuerzas que determinan el recorrido de las gotas por la tobera son la gravitacional y la fuerza

de Stokes debido a la friccioacuten entre la gota y las moleacuteculas de aire seguacuten Silva (2013)

119917119956 = 120788120645120636119955(119959119941 + 119959119938) [120783 +120785

120790119929119942] 120784 120783

119917 = 119950119944 120784 120784

En donde 120578 es la viscosidad de la gota 119903 es el radio de la gota 119907119889 es la velocidad de la gota 119907119886

es la velocidad del aire y 119877119890 es el nuacutemero de Reynolds

El nuacutemero de Reynolds para partiacuteculas esfeacutericas en un flujo gaseoso es

119929119942 = 120784119955(119959119941 + 119959119938)

120636120633119938 120784 120785

En donde 120575119886 es la densidad del aire

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Cuando estas dos fuerzas alcanzan el equilibrio (119865 = 119865119904) las gotas viajan con velocidad

constante denominada velocidad liacutemite (119907119889119897) Al resolver la ecuacioacuten cuadraacutetica que nos da el

igualar las ecuaciones 21 y 22 tenemos

119959119941119949 = minus (119939

120784) + (

119939120784

120786minus 119940)

120783120784

120784 120786

En donde

119939 =120786120636

120785119955120633119938minus 120784119959119938 119962 119940 = 119959119938

120784 minus120786120636

120785119955120633119938119959119938 + (120633(119931) +

119924119956119924

120783120782120785)

120790119955

120784120789120633119938

Siendo 120575(119879) la densidad del solvente a temperatura T 119872119904 el peso molar del soluto y M la

molaridad de la solucioacuten (Leoacuten 2014)

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas

Los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas en sus etapas iniciales se

pueden ver en la figura 36 una vez que la partiacutecula se ha condensado de la fase gaseosa puede

inmediatamente re-evaporarse o difundirse sobre la superficie este proceso de difusioacuten puede

conducir a la adsorcioacuten especialmente en sitios como orillas y otros defectos (M Peacuterez 2005)

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Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas delgadas (Fuente M

Peacuterez)

Las energiacuteas de activacioacuten para la adsorcioacuten y difusioacuten dependen de los detalles atoacutemicos del

proceso en particular y la nucleacioacuten de maacutes de una partiacutecula adsorbida puede ocurrir En equilibrio

termodinaacutemico todos los procesos ocurren o proceden en dos direcciones opuestas a la misma

rapidez Por lo tanto en el equilibrio no hay un crecimiento neto de una partiacutecula y por lo tanto el

crecimiento del cristal debe ser un proceso cineacutetico de no equilibrio Desde un enfoque

fenomenoloacutegico existen tres modos diferentes del crecimiento de peliacuteculas como se observa en la

figura 37 (M Peacuterez 2005)

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes isla y (c) por islas

(Fuente M Peacuterez)

El crecimiento de peliacuteculas delgadas es descrito por minimizacioacuten de la energiacutea libre superficial

de la capa superior (120574119904119906119901) del sustrato (120574119904) y de la energiacutea libre de la interfase (120574119894119899119905) el cual

estaacute descrito por Δ120574 = 120574119904 minus 120574119904119906119901 minus 120574119894119899119905 (Leoacuten 2014 Aacutelvaro 2014)

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331 Modo de crecimiento capa por capa (120491120632 gt 120782)

Donde la interaccioacuten entre el sustrato y los aacutetomos de las capas es maacutes fuerte que entre los

mismos aacutetomos de las capas (Leoacuten 2014)

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas

Corresponde a un caso intermedio despueacutes de la formacioacuten de una o de muchas mono-capas

completas ocurre la formacioacuten de islas El crecimiento de islas 3D crece sobre la primera o la

uacuteltima mono capa (Leoacuten 2014 Ramiacuterez 2015)

333 Modo de crecimiento por islas (120491120632 lt 120782)

Es el caso en el que la interaccioacuten entre los aacutetomos que conforman las peliacuteculas es maacutes fuerte

(Leoacuten 2014)

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CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO

Realizar la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas sobre el sustrato requiere una cuidadosa

optimizacioacuten La siacutentesis de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se realizoacute por el meacutetodo de rociado

piroliacutetico con paraacutemetros optimizados como son la molaridad del precursor la temperatura del

sustrato la presioacuten de aire del compresor el flujo de aire y la distancia de la boquilla al sustrato

El objetivo de este trabajo de tesis fue analizar el efecto de la temperatura de recocido en un

rango de 400 minus 500 sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

En este capiacutetulo se detalla el procedimiento que se utilizoacute para la siacutentesis de las peliacuteculas

delgadas La limpieza del sustrato tambieacuten es una parte importante en la fabricacioacuten de las peliacuteculas

delgadas ya que es en donde se realizaraacute el depoacutesito y por lo tanto debe encontrarse libre de

impurezas y grasa

41 Materiales Equipos e Instrumentos

Como sustrato en donde se depositoacute la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se usoacute un vidrio

(Figura 41) con un aacuterea de 762 times 254 1198981198982

Para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol se utilizaron como precursores el Acetato de Zinc

Dihidratado [119885119899(1198621198673119862119874119874)2 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995) el Cloruro de Cobre

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dihidratado [1198621199061198621198972 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995 ) y como solvente etanol absoluto

[C2H5OH] del laboratorio Merck (998)

Para la limpieza de los sustratos se utilizoacute un agitador ultrasoacutenico (figura 42) y un horno

eleacutectrico marca Oster (119879119898aacute119909 = 400 )

Para lograr la uniformidad al momento de mezclar los materiales precursores se utilizoacute un

agitador magneacutetico (Hot Plate Stirring VWR)

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearl (Fuente Elaboracioacuten Propia)

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Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratos (Fuente Elaboracioacuten propia)

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42 Meacutetodo

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos

Para una buena deposicioacuten de la peliacutecula el sustrato a utilizar debe estar libre de impurezas

asegurando una oacuteptima adherencia

El proceso de limpieza de los sustratos empezoacute por la colocacioacuten de eacutestos en un depoacutesito que

conteniacutea agua potable y detergente marca Ariel por un tiempo de 5 minutos (Figura 43) luego se

trasladoacute a otro depoacutesito que conteniacutea aacutecido niacutetrico [1198671198731198743] al 65 durante 15 minutos en seguida

se procedioacute a enjuagarlos con agua ultrapura despueacutes se colocoacute en recipiente que conteniacutea agua

ultrapura y fueron puestos en el agitador ultrasoacutenico por 15 minutos (Figura 44) Pasado este

tiempo se retiraron los sustratos y se colocaron dentro del horno marca Oster por 10 min a 205

(Figura 45)

Figura 43 Sustratos en detergente (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenico (Fuente Elaboracioacuten propia)

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en horno (Fuente Elaboracioacuten propia)

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422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

Preparacioacuten de la solucioacuten precursora

Para la preparacioacuten de la solucioacuten se calculoacute la cantidad en gramos que debemos tener del

precursor en nuestro caso el acetato de zinc di-hidratado Para ello se utilizoacute la siguiente foacutermula

119950(119944) = 119924 times 119917119934 times 119933119952119949(119930119952119949 ) times 119927119958119955119942119963119938 120786 120783

Doacutende

m (g) Masa en gramos del precursor

M Molaridad (molLitro)

FW masa molar (gmol)

Vol (Sol) Volumen de la solucioacuten (Litros)

Pureza Porcentaje de pureza del precursor

La masa molar del acetato de zinc di-hidratado es de 21949 gmol el volumen de etanol que

se preparoacute fue 0020 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120784120783120791 120786120791

119944

119950119952119949) (120782 120782120784120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120786120785120790120789120788

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La masa del precursor fue medida con una balanza analiacutetica marca Mettler Toledo (plusmn01 119898119892)

ver figura 46

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica (Fuente Elaboracioacuten propia)

En un recipiente se mezclaron la masa medida del acetato de zinc di-hidratado y los 20 ml de

etanol que llamaremos mezcla 1

Para lograr uniformidad en la solucioacuten esta fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a una

temperatura de 60 durante 2 h (Figura 47) resultando transparente y homogeacutenea

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Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

La masa molar del cloruro de cobre di-hidratado es de 17048 gmol el volumen que se preparoacute

fue 0010 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120783120789120782 120786120790

119944

119950119952119949) (120782 120782120783120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120783120789120782120785120791

La masa de los precursores fue medida nuevamente con la balanza analiacutetica marca Mettler

Toledo (plusmn01 119898119892)

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En otro recipiente se combinaron la masa medida del cloruro de cobre dihidratado y los 10 ml

de etanol que llamaremos mezcla 2 luego fue colocado en el agitador magneacutetico a temperatura

ambiente durante 15 min

Despueacutes de haber agitado magneacuteticamente cada precursor en otro recipiente se colocoacute 194 ml

de la mezcla 1 y se le agregoacute 06 ml de la mezcla 2 de tal forma que se pueda tenerse una

proporcioacuten 119881119900119897119862119906

119881119900119897119885119899= 3 A esta nueva solucioacuten llamaremos mezcla 3

Para lograr uniformidad la nueva solucioacuten fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a

temperatura ambiente durante 15 min (Figura 48) para lograr su homogeneidad

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Proceso de siacutentesis

Para la obtencioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se utilizoacute el equipo de rociado

piroliacutetico que se encuentra en la seccioacuten de Nanociencia y Nanomateriales del Laboratorio de

Fiacutesica de Materiales ldquoDr Lennart Haselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo ver figura

49

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3

vol (Fuente Elaboracioacuten propia)

Este equipo de rociado piroliacutetico utilizado en la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas consiste de

los siguientes componentes Compresor de aire (1) Controlador de presioacuten en el rango de 0 ndash 80

psi (2) Controlador de flujo de aire en el rango de 1 ndash 15 Lmin (3) Caacutemara de vidrio (4)

Termoacutemetro (5) Nebulizador (6) Boquilla o Tobera (7) Platea caliente (8) Soporte universal (9)

Dispositivo moacutevil con una rapidez de 2311990910minus3 119888119898 119904frasl (10) Fuente de alimentacioacuten DC de 0 ndash 12

V (11) Fuente de alimentacioacuten AC de 0- 40 V (12) y Termocupla y controlador de temperatura en

el rango de 0 minus 500 (13)

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Sobre el nebulizador se colocoacute una tobera de vidrio piacuterex por la que ascienden las gotas maacutes

pequentildeas hasta llegar al sustrato caliente sobre el cual se produjo el proceso de piroacutelisis El

conjunto nebulizador y tobera estaacute acoplado a un dispositivo moacutevil el cual se va desplazando en

la direccioacuten del sustrato con el fin de obtener un recubrimiento uniforme

Las siacutentesis de la peliacutecula se hizo a la temperatura de 300 plusmn 10 La presioacuten del compresor

y el flujo de aire se mantuvieron a 30 119901119904119894(~207 119896119875119886) 119910 5 119871119898119894119899 respectivamente La distancia

boquilla sustrato se mantuvo a 30 cm con el fin de que el flujo nebulizado dirigido hacia la

superficie del sustrato se mantenga laminar El desplazamiento de la tobera-boquilla a lo largo del

sustrato se hizo con una rapidez aproximada de 04 mms con intervalos de 40 plusmn 05 119898119894119899 entre

cada ida y vuelta tiempo necesario para mantener la temperatura estable y mejor cristalizacioacuten del

soacutelido El nuacutemero de capas que consideramos oacuteptimas en este trabajo fue de 6 seguacuten E Noriega

(2015)

Al teacutermino del proceso el sistema compuesto peliacuteculasustrato se dejoacute enfriar lentamente dentro

de la caacutemara hasta la temperatura ambiente por 15 horas con el fin de lograr una buena

cristalizacioacuten

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol

Para el tratamiento teacutermico se dividioacute el sustrato que conteniacutea la peliacutecula en 4 partes usando

una como muestra testigo (300 ) y las tres restantes sometieacutendolas por dos horas de

mantenimiento a las temperaturas de recocido de 400 450 119910 500 El horno donde se hizo el

recocido fue un Horno eleacutectrico Marca Brasimet ver figura 410 con una incertidumbre de plusmn5

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la figura 411 se puede ver un diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas

delgadas de ZnO Cu 3 vol

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Figura 411 Diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten

Para caracterizar las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol se emplearon las teacutecnicas de

difraccioacuten de rayos X (DRX) para determinar el tamantildeo del cristalito y la estructura la

espectrofotometriacutea ultravioleta visible (UV-Vis) para determinar la transmitancia absorbancia y

energiacutea del gap y por el uacuteltimo se utilizoacute el Microscopio de Fuerza Atoacutemica (AFM) para

determinar la morfologiacutea y rugosidad A continuacioacuten se describiraacuten brevemente estas teacutecnicas

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX)

La difraccioacuten de rayos X es una teacutecnica de caracterizacioacuten que sirve para analizar espectros

relacionados con la estructura de los materiales que son la constante de red estructura cristalina

identificacioacuten de materiales orientacioacuten de monocristales y orientaciones preferenciales de

policristales Los rayos X se caracterizan porque su longitud de onda variacutea de 01 minus 100 Å (Rayos

X fluorescencia online) En la figura 412 se puede ver un esquema de difraccioacuten de rayos X

basado en la ley de Bragg

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos x (Fuente Rojas)

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Cuando un haz de rayos X de una longitud de onda especiacutefica del mismo orden de magnitud de

las distancias interatoacutemicas del material llega a este los rayos X se dispersan en todas las

direcciones La mayor parte de la radiacioacuten dispersada por un aacutetomo anula la radiacioacuten dispersada

en otros aacutetomos Los rayos X que llegan a ciertos planos cristalograacuteficos formando aacutengulos

especiacuteficos con ellos se refuerzan en lugar de aniquilarse a este fenoacutemeno se llama difraccioacuten

Los rayos X se difractan o el haz se refuerza cuando las condiciones satisfacen la Ley de Bragg

119852119842119847 120637 =119951120640

120784119941119945119948119949 120786 120783

Donde 120579 es la mitad del aacutengulo que forman el haz difractado y el haz original n es el orden de

difraccioacuten 120582 es la longitud de onda de los rayos X 119889ℎ119896119897 es la distancia interplanar que produce

refuerzo del haz ℎ119896119897 son los iacutendices de Miller (Askeland 1998) La difraccioacuten ocurre siempre y

cuando se satisfaga la ley de Bragg por lo que no necesariamente cualquier direccioacuten arbitraria

produciraacute difraccioacuten

La informacioacuten obtenida se presenta en un graacutefico de intensidad en funcioacuten de 2120579 llamado

patroacuten de difraccioacuten Cada sustancia produce siempre un patroacuten de difraccioacuten caracteriacutestico

independientemente de que si se encuentra en un estado puro o formando parte de una mezcla de

sustancias (Askeland 1998)

Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

fueron obtenidos con el difractoacutemetro RIGAKU Miniflex-600 que opera en la geometriacutea Bragg-

Brentano donde la radiacioacuten 119862119906 119896120572 (120582 = 15406 Aring) fue utilizada como fuente de rayos X El

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equipo operoacute a 30 KV de voltaje y 10 mA de corriente el barrido se realizoacute en un aacutengulo de 2120579

con rango desde 20deg a 70deg con velocidad de escaneo de 5 deg119898119894119899

La identificacioacuten de los picos de difraccioacuten se comparoacute con la base de datos Card info 00-900-

8877 de la Crystallography Open Database mostrado en el anexo A

La distancia interplanar se calculoacute con la ley de Bragg para el primer orden (n=1) de difraccioacuten

de acuerdo a la ecuacioacuten 41 tendriacuteamos

119837 =120640

120784 119852119842119847 120637 120786 120784

En donde 120579 es el aacutengulo de incidencia y 120582 = 15405981 Aring

Paraacutemetros de red

Para identificar la constante de red c de la estructura de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se tomoacute

en cuenta la estructura hexagonal wurtzita cuya distancia interplanar estaacute relacionada con los

iacutendices de Miller de los planos (hkl) y las constantes de red a y c a traveacutes de la ecuacioacuten 43

(Askeland 1998) y con el tamantildeo de cristalito (119863)

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784 120786 120785

A partir de la ecuacioacuten 43 es posible determinar los paraacutemetros de la red cristalina Cuando se

incide sobre un cristal muy pequentildeo del orden de nanoacutemetros se produce un ensanchamiento del

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pico de difraccioacuten esto permite determinar el tamantildeo promedio del cristal (119863) por medio de la

ecuacioacuten de Scherrer (Gurumurugan amp Mangalaraj 1995)

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637 120786 120786

Donde D es el tamantildeo del cristalito K es el factor de forma (K=09 para esferas) 120582 es la longitud

de onda de los rayos X (120582 = 15405981 Aring ) 120573 es el ancho completo de la mitad del maacuteximo y se

encuentra en radianes por lo tanto hay que convertir los valores de (FWHM) que se encuentran en

grados multiplicaacutendolos por 120587 180degfrasl y 120579 es el aacutengulo de Bragg

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectrometriacutea UV-Vis se basa en la absorcioacuten de radiacioacuten UV o visible por parte de las

moleacuteculas y se emplea para analizar muestras en fase liacutequida o soacutelida La espectrometriacutea de

absorcioacuten implica la medida de la fraccioacuten de la luz de una longitud de onda que pasa a traveacutes de

una muestra la figura 413 muestra la geometriacutea del equipo la muestra no emite luz por siacute misma

por lo que se debe incluir una fuente de radiacioacuten El paso de la luz a traveacutes de un monocromador

o un filtro selecciona la longitud de onda para el anaacutelisis (Hernaacutendez 2014)

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Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vis (Fuente Hernaacutendez)

Durante el anaacutelisis de la muestra se hacen dos mediciones en la primera se mide la cantidad de

luz en funcioacuten de la longitud de onda que llega al transductor cuando se ha colocado un blanco

(vidrio) Se denomina 1198680 del blanco cuando la concentracioacuten del material analizado es cero

La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras (vidrio + peliacutecula) con la

medida del blanco (vidrio) Llamamos 119868 a la intensidad que se mide con las muestras o con el

estaacutendar La comparacioacuten que se hace implica la relacioacuten 1198681198680 con ambas intensidades medidas

en las mismas condiciones del instrumento (longitud de onda geometriacutea) Se utilizan tres teacuterminos

diferentes para expresar esta relacioacuten

El primero es simplemente la relacioacuten 1198681198680 y se denomina Transmitancia que es denotada por

la letra T

119931 =119920

119920120782 120786 120785

El segundo es el porcentaje de transmitancia

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119931 = 119931 lowast 120783120782120782 120786 120786

El tercero es el logaritmo negativo de T que se denomina Absorbancia y se denota con la letra

A

119912 = minus 119845119848119840119920

119920120782= minus 119845119848119840 119931 120786 120787

Para la determinacioacuten del ancho de banda de energiacutea prohibida la energiacutea del gap (119864119892) es

determinada del espectro experimental del coeficiente de absorcioacuten (120572) como una funcioacuten de la

energiacutea del fotoacuten (ℎ120592)

En los materiales de gap directo como el ZnO se utiliza la siguiente ecuacioacuten

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ

es la constante de Planck 120584 es la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

En una graacutefica (120572ℎ120584)2 119907119904 ℎ120584 el ajuste a una recta de la parte proacutexima a 120572 = 0 el intercepto

para la ordenada nula es el valor de la energiacutea prohibida Esta recta tiene una expresioacuten de la forma

119910 = 119898119909 + 119887 lo que se tiene que buscar es el valor de 119909 para 119910 = 0 esto es 119909 = minus119887119898

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La conversioacuten de la energiacutea del fotoacuten en funcioacuten de la longitud de onda se realiza mediante la

constante de Planck(ℎ) y la de la velocidad de la luz (119888) La frecuencia del fotoacuten se relaciona con

la longitud de onda a traveacutes de la siguiente ecuacioacuten

119940 = 120642120640 120786 120789

Entonces la energiacutea del fotoacuten se puede escribir en funcioacuten de la longitud de onda como

119916 =119945119940

120640 120786 120790

Por lo tanto la energiacutea del fotoacuten puede calcularse como 12398

120582(119899119898) Aplicando al caso del ZnO se

adquieren los valores de la longitud de onda y la transmitancia del vidrio y la medida se divide la

transmitancia medida entre la del vidrio para obtener la transmitancia de la peliacutecula Se transforma

la transmitancia en coeficiente de absorcioacuten y la longitud de onda en energiacutea (H Bubert amp Jenett

2002)

Los anaacutelisis de absorbancia y transmitancia para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con

tratamiento de recocido se realizaron con el espectroacutemetro UV-Vis marca Analytik Jena Modelo

Specord Plus 250 y con un barrido de longitud de onda de 300 nm a 800 nm

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443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)

Este meacutetodo inventado en 1985 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer pertenece al grupo de

teacutecnicas de microscopiacutea de fuerza de barrido un grupo de teacutecnicas que estaacuten basadas en la

medicioacuten de diferentes fuerzas como son la fuerza atractiva la gravitatoria la repulsiva la

magneacutetica la de Van Der Walls y la electrostaacutetica esta medicioacuten es hecha entre la punta fina y la

superficie de la muestra

La formacioacuten de la imagen se lleva a cabo mediante la medicioacuten de la fuerza de interaccioacuten a

traveacutes de la deflexioacuten de un cantileacutever Aunque diversos tipos de fuerzas se encuentran cuando una

punta se aproxima a la superficie de la muestra la generacioacuten de la sentildeal en el AFM se basa

esencialmente en fuerzas repulsivas interatoacutemicas que son de naturaleza de corto alcance

En el caso ideal se puede asumir ver figura 414 lo que significa que el contacto directo de la

punta con la superficie se la muestra se limita a un aacuterea muy pequentildea Como resultado de esto

siempre hay una fuerza repulsiva interatoacutemica en esta pequentildea aacuterea de contacto debido a la

penetracioacuten de las capas electroacutenicas de los aacutetomos de la punta y los de la superficie de la muestra

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Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del sustrato (Fuente Rojas)

La fuerza repulsiva interatoacutemica estaacute influenciada por la densidad total de electrones alrededor

de un aacutetomo y no soacutelo por los estados particulares de la energiacutea La interaccioacuten entre la punta y la

muestra puede ser descrita por una graacutefica fuerza vs distancia esta graacutefica mostrada en la figura

415 permite ver los cambios de fuerza cuando la punta se acerca a la muestra si hay una gran

separacioacuten no hay interaccioacuten por lo tanto la fuerza seriacutea cero (en la liacutenea entre 1 y 2 no habriacutea

fuerzas electrostaacuteticas) En la posicioacuten 2 la punta pasa a estar en contacto debido a la fuerza

atractiva de Van Der Walls como la punta se mueve hacia la muestra entonces la fuerza total que

actuacutea sobre el cantileacutever es repulsiva Cuando la punta es arrastrada sobre la muestra las fuerzas

se reducen a lo largo de la liacutenea pasando de la posicioacuten 3 a la posicioacuten 4

Por debajo de la liacutenea de fuerza del diagrama dicha fuerza que actuacutea sobre el cantileacutever se

vuelve atractiva debido a la adhesioacuten En el punto 4 la fuerza es de adhesioacuten y la carga del

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cantileacutever apenas estaacute equilibrada la punta es tirada hacia afuera de la superficie debido a las

fuerzas de repulsioacuten

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta con la superficie del

sustrato (Fuente Rojas)

Modos de trabajo de un microscopio de fuerza atoacutemica

El AFM puede funcionar en distintos arreglos o modos experimentales estos modos se dividen

baacutesicamente en dos grupos modos de contacto continuo y modos dinaacutemicos Los modos de

contacto continuo fueron los primeros utilizados en los antildeos tempranos del AFM y su uso apenas

insinuaba la resolucioacuten nanomeacutetrica de la que el instrumento era capaz El meacutetodo dinaacutemico de

maacutes uso es el meacutetodo de contacto intermitente o tapping mode (Loacutepez y Solares 2014)

Modo contacto

El modo contacto es el disentildeo experimental maacutes simple en este modo la punta de la sonda se

encuentra en contacto perpetuo con la muestra por lo que tambieacuten es llamado modo estaacutetico La

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figura 416 muestra el funcionamiento del AFM en modo contacto Durante la toma de imaacutegenes

en modo contacto la variable control es la deflexioacuten de la micropalanca (anaacutelogo a la compresioacuten

o estiramiento de un resorte) La variable control es mantenida constante por medio de un circuito

de retroalimentacioacuten (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemica (Fuente Loacutepez y Solares)

El escaacutener sobre el que descansa la muestra se encarga de moverla con respecto a la

micropalanca en direccioacuten ldquoxyrdquo para realizar distintas liacuteneas de escaneo La micropalanca al

interactuar con la muestra sufre una deflexioacuten proporcional a la fuerza de interaccioacuten con la

superficie obedeciendo a la ley de Hooke (ecuacioacuten 49) En este circuito la sentildeal de deflexioacuten es

leiacuteda en el fotodetector y transmitida a la caja electroacutenica donde se compara el valor actual con el

punto de ajuste (setpoint) De acuerdo a esa diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal de salida

al escaacutener para ajustar la posicioacuten en el eje ldquozrdquo de la muestra si fuera necesario para mantener la

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variable control constante Como consecuencia de las exploraciones en ejes ldquoxyrdquo asiacute como los

cambios en ldquozrdquo se genera una imagen topograacutefica de la superficie de la muestra estudiada (Loacutepez

y Solares 2014)

= 119948119963∆119937 120786 120791

Donde

Fuerza arbitraria de magnitud F

∆119937 Compresioacuten del resorte

119948119963 Constante elaacutestica

Modo contacto intermitente

Eacuteste meacutetodo es comuacutenmente conocido como ldquotapping moderdquo en ingleacutes es el meacutetodo maacutes baacutesico

de los meacutetodos dinaacutemicos ademaacutes es el meacutetodo maacutes frecuente utilizado en AFM En este meacutetodo

la micropalanca se hace vibrar con amplitudes en el rango nanomeacutetrico (aproximadamente entre 5

y 200 nm) razoacuten por la que se le conoce como una teacutecnica de amplitudes ldquograndesrdquo El teacutermino

ldquograndesrdquo es relativo cuando se compra a otras teacutecnicas dinaacutemicas en la que la micropalanca puede

vibrar en el rango de los angstroms como en el caso de modulacioacuten de frecuencia en alto vaciacuteo

(Gross et al 2009)

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El AFM de contacto intermitente funciona con un circuito que controla la amplitud y se encarga

de mantenerla a un valor preestablecido (setpoint) En el circuito de modulacioacuten de amplitud ver

figura 417 la amplitud es calculada internamente con los valores de pendiente de la micropalanca

que lee el fotodetector Luego esa amplitud se compara con el valor preestablecido de amplitud y

si existe una diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal al escaacutener este se encarga de hacer la

correccioacuten en el eje ldquozrdquo para poder alcanzar el valor preestablecido y de esta forma mantener la

variable control (amplitud) constante Al igual que el meacutetodo de contacto las exploraciones en

ejes ldquoxyrdquo asiacute como los cambios en el eje ldquozrdquo generan una imagen topograacutefica de la superficie

estudiada (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitente (Fuente Loacutepez y Solares)

Los cambios topograacuteficos generan cambios en la amplitud de oscilacioacuten Por ejemplo si la

micropalanca se encuentra con una protuberancia la amplitud de la punta se veraacute reducida

temporalmente luego para compensar por esa peacuterdida de amplitud el escaacutener recibiraacute a traveacutes del

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circuito la sentildeal para mover la muestra hacia abajo con el objetivo de mantener la amplitud

preestablecida (setpoint) Es importante mencionar que en este modo se escoge una amplitud en el

experimento correspondiente a una fraccioacuten de la amplitud libre ver figura 417) Tanto la

amplitud libre de la punta como la fraccioacuten de la amplitud libre se escogen durante el experimento

la eleccioacuten de estos paraacutemetros antildeade complejidad si lo comparamos con el modo contacto donde

el usuario uacutenicamente se preocupa de una variable que es la deflexioacuten de la micropalanca (Loacutepez

y Solares 2014) Es por ello que en general el aumento del grado de sofisticacioacuten del meacutetodo en

AFM permite la recopilacioacuten de mayor informacioacuten pero al mismo tiempo requiere de mayor

juicio conocimiento y experiencia del usuario

Existen ecuaciones que sirven para determinar los distintos paraacutemetros de rugosidad de las

muestras a analizar de las cuales soacutelo se usaron dos en este trabajo de tesis que son

Desviacioacuten Promedio

119929119938 =120783

119951 sum|119962119946|

119951

120783

120786 120783120782

Desviacioacuten Estaacutendar

119929119954 = radic120783

119951 sum 119962119946

120784

119951

120783

120786 120783120783

Donde

119962119946 Distancia vertical desde la liacutenea principal hasta el i-eacutesimo punto de dato

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119951 Orden de los perfiles de rugosidad

119929119938 Desviacioacuten Promedio (Rugosidad Media)

119929119954 Desviacioacuten Estaacutendar (Rugosidad Cuadraacutetica Media)

Los anaacutelisis de rugosidad de las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

se realizaron con el equipo de Microscopiacutea de fuerza atoacutemica marca Bruker y modelo Dimension

Edge V-T 102

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CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

51 Difraccioacuten de Rayos X

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano

En la figura 51 se observan los picos de difraccioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

sintetizada a 300 y de las recocidas a las temperaturas de 400 450 119910 500 respectivamente

Los picos de difraccioacuten teoacutericos se encuentran en el anexo A Todas las muestras presentan

naturaleza policristalina y estructura hexagonal wurtzita con una clara orientacioacuten preferencial en

el plano (002) no se presentaron picos caracteriacutesticos del cobre debido al bajo porcentaje de

dopaje La intensidad del pico del plano (002) en las peliacuteculas sometidas a temperaturas de

recocido son mayores en comparacioacuten a la de la peliacutecula sin recocido presentando el mayor pico

a 450 mientras que el plano (100) aparece uacutenicamente en la peliacutecula recocida a 400 S

observoacute una disminucioacuten del tamantildeo del cristalito con la primera temperatura de recocido de alliacute

en adelante fue aumentando en cambio el paraacutemetro de red c fue disminuyendo con la temperatura

de recocido Todo esto puede ser quizaacutes a la sustitucioacuten de iones de cobre en los sitios del zinc

ingreso de iones de cobre a los intersticios (ya que el radio ioacutenico del zinc es casi del mismo tamantildeo

que el del cobre) o vacancias de iones de zinc u oxiacutegeno produciendo una deformacioacuten en la red

seguacuten Filali Torchynska Diacuteaz amp Morales (2015) Si iones Cu1 sustituyen a iones Zn2 en la

estructura cristalina existe un incremento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como

se observa en las peliacuteculas recocidas a 450 119910 500 pero si es el ion Cu2 el que sustituye a iones

Zn2 se observa un decrecimiento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como sucede en

las peliacuteculas de 300 400 119910 450

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Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con recocido (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la tabla 1 se muestran los valores calculados para el aacutengulo de Bragg del plano (002) la

distancia interplanar el paraacutemetro c el ancho completo de la mitad del maacuteximo y el tamantildeo del

cristalito

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Tabla 1

Tabla de valores para las propiedades estructurales

Datos obtenidos mediante DRX y caacutelculos (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra

120784120637(deg)

119941119945119948119949(Aring)

119836 (Aring)

FWHM 119811 (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3441 2604 5208 03221 2582

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 3448 2599 5198 04430 1878

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 3463 2588 5176 03161 2633

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 3458 2592 5184 02847 2923

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En la figura 52 se observa la relacioacuten entre el tamantildeo del cristalito y la temperatura de recocido

el recocido a 400 no fue suficiente para lograr aumentar el tamantildeo del cristalito es por eso que

disminuye considerablemente a partir de alliacute aumenta a medida que lo hace la temperatura

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica

521 Morfologiacutea y rugosidad

La figura 53 a-d muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas tomadas en AFM en dos

dimensiones barridas en un aacuterea de 5120583119898 119909 5120583119898 La superficie de las peliacuteculas no son homogeacuteneas

son rugosas con tamantildeo de grano variable Para a) se observa que el crecimiento del grano se dio

en forma de montantildeas en b) el crecimiento del grano cambioacute draacutesticamente y se dio en forma de

espiral esto puede ser debido al reordenamiento de los aacutetomos que se dio al someter la peliacutecula a

la temperatura de recocido para c) mejoroacute la cristalinidad y la forma de crecimiento fue

nuevamente como montantildea esto concuerda con el aumento del valor del tamantildeo del cristalito y

para d) la cristalinidad volvioacute a mejorar en concordancia con el tamantildeo del cristalito que aumento

un poco maacutes Esto es debido a que el incremento del tamantildeo del cristalito causa un aumento en la

rugosidad seguacuten Saidani et al (2006)

Para cada peliacutecula se hicieron tres mediciones en diferentes zonas para determinar los

paraacutemetros de rugosidad siendo sus valores promedio Rugosidad Promedio (119877119886) 000611 120583119898 y

la Rugosidad Cuadraacutetica Media (119877119902) 0007843 120583119898 que son mostrados en la tabla 2

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Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 ordmC c) rec a 450 ordmC

y d) rec a 500 ordmC (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la figura 54 a b c y d se muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas ahora en tres

dimensiones en estas imaacutegenes se observa mucho mejor el cambio de la cristalinidad y la

morfologiacutea para cada peliacutecula la rugosidad (Ra) aumenta en funcioacuten de la temperatura de recocido

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 c) rec a 450 y

d) rec a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

En la tabla 2 se han registrado los valores de la rugosidad media (Ra) y la rugosidad cuadraacutetica

media (Rq) para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

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Tabla 2

Tabla de valores de las rugosidades

Datos obtenidos mediante el software del equipo de afm (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra 119929119954 (120641119950) 119929119938 (120641119950)

ZnOCu 3 vol sin recocido 0007843 0006110

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 0006960 0005336

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 0011033 0008840

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 0011933 00095733

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En la figura 55 se observa la rugosidad media (Ra) en funcioacuten de la temperatura de recocido

con lo cual se puede confirmar que a medida que aumenta la temperatura de recocido aumenta la

rugosidad de la peliacutecula a partir de 400

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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53 Espectrometriacutea UV-Vis

531 Transmitancia

En la figura 56 se observan los espectros de transmitancia oacuteptica de las peliacuteculas delgadas de

ZnOCu 3 vol sintetizadas por el meacutetodo de rociado piroliacutetico a 300 ordmC y las sometidas a

temperaturas de recocido de 400 ordmC 450 ordmC y 500 ordmC obtenidas por espectrofotometriacutea UV-Vis

en el rango de longitudes de onda de 300 a 750 nm

Las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin recocido y con recocido presentan alta

transmitancia (gt80) esto se debe al dopaje con cobre seguacuten Bunyod Allabergenov et al (1946)

La muestra recocida a 500 ordmC presenta la mayor transmitancia (gt80) en el rango de 500 a 600

nm

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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532 Absorbancia y energiacutea del gap

En la figura 57 se puede ver el espectro de absorbancia para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol

sin y con recocido

El pico de absorbancia para todas las peliacuteculas se tiene aproximadamente en 375 nm luego

decae hasta hacerse casi nula para todas las peliacuteculas esto se debe al dopaje con cobre seguacuten

Bunyod Allabergenov (1946)

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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Se utilizoacute el modelo de Tauc para calcular la energiacutea del gap en cada peliacutecula El dopaje con

cobre disminuyoacute la energiacutea del gap a 3256 eV comparaacutendola con el valor teoacuterico (337 eV)

mientras que al someter las peliacuteculas a temperaturas de recocido se observa que el valor de la

energiacutea del gap cambia ligeramente siendo 3256 3263 y 3257 eV para las peliacuteculas recocidas a

400 450 119910 500 respectivamente a diferencia de lo reportado por Mathew (2015) esto se deba

quizaacutes a que la cantidad de cobre no fue la suficiente para lograr la disminucioacuten de la energiacutea del

gap

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para la peliacutecula recocida a

400 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y derecha para la peliacutecula

recocida a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la tabla 3 se han registrado los valores de la energiacutea del gap para las muestras sin y con

recocido de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol

Tabla 3

Tabla de valores de la Energiacutea del Gap

Datos obtenidos usando la relacioacuten de Tauc (Fuente Elaboracioacuten Propia)

Muestra Energiacutea del Gap (eV)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 400 deg119914 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 450 deg119914 3263

ZnOCu 3 vol recocido a 500 deg119914 3257

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CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES

bull Utilizando la teacutecnica de rociado piroliacutetico se obtuvo la peliacutecula delgada de ZnOCu

3 vol siendo la temperatura de siacutentesis de 300ordmC sobre un sustrato de vidrio marca

Pearl

bull Los patrones de difraccioacuten de rayos X nos ayudaron a determinar los picos de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol obtenieacutendose como resultado

un crecimiento preferencial en la direccioacuten del plano (002) siendo la muestra recocida

a 450 ordmC la que presentoacute el pico maacutes elevado Esto es caracteriacutestico de la estructura

hexagonal wurtzita

bull El tamantildeo del cristalito aumenta a medida con la temperatura de recocido a partir de

400 ordmC

bull El paraacutemetro c disminuye a medida que aumenta la temperatura de recocido

bull Las imaacutegenes obtenidas por AFM muestran que la rugosidad media (Ra) de las

peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol aumentaron a medida que aumenta la

temperatura de recocido a partir de 400 ordmC

bull La espectrofotometriacutea UV-Vis revela que todas las muestras de ZnOCu 3 vol

presentan alta transmitancia (gt80) a partir de 400 nm hasta los 750 nm siendo la

muestra recocida a 500ordmC la que presenta mayor transmitancia (gt90) en el rango de

500 a 600 nm

bull La absorbancia a partir de 400 nm es casi nula en todas las muestras

bull La energiacutea del gap se mantiene casi constante con la temperatura de recocido

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CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS

bull Se sugiere incrementar el nuacutemero de capas de la peliacutecula delgada ya que se si bien es

cierto que si se pudieron observar los patrones de difraccioacuten estos presentan ruido en

su graacutefica y se cree que esto puedo mejorar haciendo maacutes gruesa la peliacutecula

bull Se sugiere incrementar el rango de temperaturas de recocidos para poder obtener maacutes

detalles acerca de la influencia de eacutesta temperatura en las propiedades que se quieran

analizar de las peliacuteculas delgadas

bull Se sugiere realizar el dopaje con otros porcentajes de cobre para obtener maacutes

informacioacuten acerca de la influencia de esto en las propiedades a estudiar

bull Se sugiere calcular los esfuerzos por deformacioacuten

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REFERENCIAS

Acosta D R y Magantildea C R (2012) Oacutexidos conductores transparentes (119885119899119874 minus 1198781198991198742) Para

Remediacioacuten Ambiental Por Procesos Fotocataliacuteticos Muestra de proyectos ambientales

de tu ciudad Instituto de Fiacutesica de la Universidad Nacional Autoacutenoma de Meacutexico

Meacutexico DF

Alamri S N y Brinkman W A (2000) The effect of the transparent conductive oxide on the

performance of thin film CdSCdTe Solar cells J Phys D Appl Phys 33(1)

Aacutelvaro A D (2014) Estudio de Peliacuteculas Delgadas de 1198821198743 depositadas por la teacutecnica de

Sputtering Reactivo (tesis de pregrado) Cimav Chihuahua Meacutexico

American Society For Testing Materials Copper and Copper Alloys Annual Book of ASTM

Standards Vol21 (2) (ASTM International West Conshohocken PA) Revisado

anualmente

Askeland D (1998)Ciencia e Ingenieriacutea de los MaterialesUsa Thomson

Bedia F Z Bedia A N Maloufi N Aillerie M Gent F y Benyoucef B (2014) Effect

of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray

pyrolysis technique Journal of Alloys and Compounds 616 312ndash318

Benharrats F Zitouni K Kadri A y Gil B (2010) Determination of piezoelectric and

spontaneous polarization fields in CdxZn1ndashxOZnO quantum wells grown along the polar

(0001) direction Superlattices and Microstructures 47 592ndash596

Bubert H y Jenett H (2002) Surface and Thin Films Analysis Alemania Wiley

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ICAS

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AS

72

Bunyod A Oybek T Amir I A Jeong S W y Sungjin K (1946) Study of optical

properties in cu-doped zno thin films fabricated by dc magnetron sputtering Kumoh

National Institute of Technology (KIT) Metallkunde 37 40-4

Caglar Y Aksoy S Ilican S y Caglar M (2009) Crystalline structure and morphological

properties of undoped and Sn doped ZnO thin films Superlattices and Microstructures

46 469-475

Crystallography Open Database (2018) Recuperado de

httpwwwcrystallographynetcod1011258html

Deinert J (2016) Zinc Oxide Surfaces and Interfaces Electronic Structure and Dynamics of

Excited States (tesis postdoctoral) Department of Physics Technische Universitaumlt

Berlin Berlin Alemania

Filali B E Torchynska T V Diacuteaz C A y Morales R M (2015) Structural and raman

scattering studies of ZnO Cu nanocrystals grown by spray pyrolysis Revista Mexicana

de Ingenieriacutea Quiacutemica 14(3) 781-788

Gross L Mohn F Liljeroth P Repp J Giessibl FG y Meyer G (2009) Measuring the

charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy Science 324(5933)

1428-1431

Gurumurugan y Mangalaraj (1995) Structural Characterization of zinc oxide thin films

deposited by sol-gel Journal of Crystal Growth 147 335-360

Hafdallah A Herissi I Chergui N Kebaili Z Aida M y Attaf N (2018) Structural and

optical properties of ZnO thin films deposited by pyrolysis spray method effect of Al

doping Nanotechnology Letters

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BIBLI

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

73

Hernaacutendez S S (2014) Preparacioacuten y Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de ZnO y

ZnOAl por la teacutecnica de Rociacuteo Piroliacutetico Para su Aplicacioacuten en Celdas Solares (tesis de

maestriacutea) Instituto Politeacutecnico Nacional Altamira Meacutexico

Hirata G A McKittrick J Siqueiros J Loacutepez O A Cheeks T Contreras O y Yi J Y

(1996) High transmittance-low resistivity ZnOGa films by laser ablation Journal of

Vacuum Science amp Technology A Vacuum surfaces and films 14(3) 791-794

Jeong S H Park B N Yoo D G y Boo J H (2007) Al-ZnO thin films as transparent

conductive oxides synthesis characterization and application tests Journal of the

Korean Physical Society 50(3) 622-625

Jijoy P M Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties of

Transition Metal Doped ZnO Thin Films IOP Conf Series Materials Science and

Engineering 731-5 doi 1010881757-899X

Kane J Schweizer H P y Kern W (1976) Chemical Vapor Deposition of Antimony-Doped

Tin Oxide Films Formed from Dibutyl Tin Diacetate Journal of the Electrochemical

Society 126(2) 270-277

Koumllble Ch Greiner D Klaer J Klenk R Meeder A y Ruske F (2009) DC reactive

sputtering of aluminum doped zinc oxide films for solar modules controlled by target

voltage Thin Solid Films 520 1913-1917

Leoacuten L H (2014) Efecto de la temperatura de recocido en la resistividad eleacutectrica de las

peliacuteculas de SnO2 sintetizadas por rociado piroliacutetico (tesis de pregrado) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

74

Liu H Avrutin V Izyumskaya N Oumlzguumlr Uuml y Morkoccedil H (2010) Transparent conducting

oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices Superlattices

and Microstructures 48 458ndash484

Loacutepez W Castro P Molina J y Arbey J (2011) Estabilidad y estructura electroacutenica del

ZnO Revista Colombiana de Fiacutesica 43 (I)

Loacutepez G Morales R Olea O Saacutenchez V Trujillo J Varela V y Vilchis A (2013)

Nanoestructuras metaacutelicas Siacutentesis caracterizacioacuten y aplicaciones Meacutexico DF

Meacutexico Reverteacute

Loacutepez E A y Solares S D (2014) El microscopio de fuerza atoacutemica meacutetodos y aplicaciones

Revista 28 de la Universidad del Valle de Guatemala 14-23

Mathew J P Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties

of Transition Metal Doped ZnO Thin Films Mat Sci and Eng 73 1-5

Minami T (2008) Present status of transparent conducting oxide thin-film development for

Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes Thin Solid Films 516 5822-5828

Mizuhashi M (1980) Electrical properties of vacuum-deposited indium oxide and indium tin

oxide films Thin Solid Films 70(1) 91-100

Mooney J B amp Rading S B (1982) Spray Pyrolysis Processing Annual Reviews of

Materials Science 12 81-101

Noriega D E (2015) Efecto de la temperatura del sustrato en los esfuerzos residuales de las

peliacuteculas de ZnO sintetizadas por Rociado Piroliacutetico (tesis de Maestriacutea) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

Pan C A y Ma T P (1980) High-quality transparent conductive indium oxide films

prepared by thermal evaporation Applied Physics Letter 37(2) 163

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ICAS

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75

Peacuterez M L (2005) Fabricacioacuten y Caracterizacioacuten Oacuteptica Estructural y Eleacutectrica de Peliacuteculas

Delgadas Transparentes de Oacutexidos de Estantildeo Circonio y Zinc (tesis de doctorado)

Instituto Politeacutecnico Nacional Meacutexico DF Meacutexico

Rahmani M B Keshmiri S H Shafiei M Latham K Wloarski W Plessis J du y

Kalantar-Zadeh K (2009) Transition from n- to p- Type of Spray Pyrolysis Deposited

Cu Doped ZnO Thin Films for NO2 Sensing ASP 7 1-8

Ramiacuterez C M (2015) Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de 119885119899119874 1198661198863+ Obtenidas Por La

Teacutecnica de Sol-Gel (tesis de pregrado) Universidad Tecnoloacutegica de la Mixteca

OaxacaMeacutexico

Rojas F S (2013) Influencia de la temperatura de recocido de las peliacuteculas de ZnO

compuestas con nanopartiacuteculas de Au sobre el crecimiento de Nanorods (tesis de

pregrado) Universidad Nacional de Trujillo Trujillo La Libertad Peruacute

Rozati S M (2008) Effect of film thickness on the physical properties of ZnOAl thin films

deposited using a spray pyrolysis technique Canadian J Phys 86 379ndash382

Ruumlcker N y Becker K J (1978) Life stability of transparent semiconducting oxide films

deposited onto cold substrates Thin Solids Films 53(2) 163-167

Sahay PP y Nath RK (2008) Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG)

sensors Sensors and ActuatorsB(133) 222ndash227

Saidani T Zaabat M Aida M S Benoboud A Benzitouni S y Boudine A (2014)

Influence of annealing temperature on the structural morphological and optical properties

of Cu doped ZnO thin films deposited by the sol-gel method Superlattices and

Microstructures 75 47-53

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76

Ghandi S K Field R J y Shealy J R (1980) Highly oriented zinc oxide films grown by the

oxidation of diethylzinc Applied Physics Letters 37(5) 449

Waal H y Simons F (1981) Tin oxide coatings Physical properties and applications Thin

Solid Films 77 253-258

Wang L Zhang X Zhao S Zhou G Zhou Y y Qi J (2005) Synthesis of well-aligned

ZnO nanowires by simple physical vapor deposition on c-oriented ZnO thin films without

catalyst or additives App Phy Lett 86(2)

Wolgamott J C (2017) Analysis of Zinc Oxide Thin Films Synthesized by Sol-Gel via Spin

Coating (tesis de maestriacutea) The University of Wisconsin-Milwaukee USA

Yan Y Al-Jassim M M y Wei S (2006) Doping of ZnO by group-IB element Applied

Physics Letters 89

Zhon L W (2004) Nanostructures of Zinc Oxide Materials today 7 26-33

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ANEXOS

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ANEXO A

Valores Teoacutericos Del Zno

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnO (Fuente En liacutenea)

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ANEXO B

Caacutelculo de la distancia interplanar

La distancia interplanar fue calculada a partir de la Ley de Bragg

119941 =120640

120784 119852119842119847 120637

Doacutende d es la distancia interplanar 120582 es la longitud de onda de rayos X (15405981 A) y 120579 es

el aacutengulo de Bragg

Se tomoacute como plano de referencia el (002)

Para la muestra sin tratamiento de recocido el aacutengulo fue 2120579 = 3441deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120782120787deg

119941 = 120784 120788120782120786 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3448deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120786deg

119941 = 120784 120787120791120791 119808

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80

Para la muestra recocida a 450deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3463deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120785120783120787deg

119941 = 120784 120787120790120790 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3458deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120791deg

119941 = 120784 120787120791120784 119808

Caacutelculo del paraacutemetro c

El paraacutemetro de red C fue calculado para cada muestra con la foacutermula

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784

Doacutende h=k=0 y l=2 reemplazando estos datos tenemos

119940 = 119949 119941119945119948119949

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81

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119940 = (120784)120784 120788120782120786 119808

119940 = 120787 120784120782120790 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120791 119808

119940 = 120787 120783120791120790 119808

Para la muestra recocida a 450deg119862

119940 = (120784)120784 120787120790120790 119808

119940 = 120787 120783120789120788 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120784 119808

119940 = 120787 120783120790120786 119808

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82

Caacutelculo del tamantildeo de grano

Para calcular el tamantildeo del cristalito se utilizoacute la ecuacioacuten de Debye-Scherrer

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637

Doacutende K es la constante que es 09 para partiacuteculas esfeacutericas 120582 es la longitud de onda de los

rayos X (15405981 A) 120573 es la mitad del ancho del maacuteximo (FWHM) pico que para nuestro caso

fue el que correspondiacutea al plano (002) y estaacute dado en radianes y 120579 es el aacutengulo de Bragg

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120788120784120783) 119836119848119852 120783120789 120784120782120787deg119808

119915 = 120784120787 120790120784 119951119950

Para la muestra recocida a 400deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120789120789120785120783) 119836119848119852 120783120789 120784120786deg119808

119915 = 120783120790 120789120790 119951119950

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83

Para la muestra recocida a 450deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120787120783120789) 119836119848119852 120783120789 120785120783120787deg119808

119915 = 120784120788 120785120785 119951119950

Para la muestra recocida a 500deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120786120791120788120789) 119836119848119852 120783120789 120784120791deg119808

119915 = 120784120791 120784120785 119951119950

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ANEXO C

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada

Se realizoacute una pequentildea incisioacuten en la peliacutecula con una navaja de tal forma que la peliacutecula pueda

ser desprendida pero que no produzca rayaduras en el sustrato y utilizando el Meacutetodo Section del

Software NanoScope Analysis version 140 se calculoacute la distancia vertical y horizontal en tres

regiones para obtener un promedio con lo cual seriacutea el espesor aproximado de la peliacutecula

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b) Imagen 3D del escaloacuten

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Tabla 4

Tabla de datos de las alturas horizontales y verticales

Datos obtenidos para calcular el espesor de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 (Elaboracioacuten Propia)

Calculando el promedio de las distancias verticales

(189441 + 184037 + 170941)119899119898 = 544419 119899119898

544419119899119898

3= 181473 119899119898

El grosor de la peliacutecula fue 181 473 nm

Este proceso se realizoacute para todas las muestras en la tabla 5 se muestran los valores

correspondientes cada peliacutecula

Tabla 5

Tabla de valores del espesor de cada peliacutecula

Muestra Espesor (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 181473

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 179596

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 181210

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 183498

Datos calculados para el espesor de cada peliacutecula (Fuente Elaboracioacuten propia)

N Distancia Horizontal Distancia Vertical

1 3249 (microm) 189441 (nm)

2 3679 (microm) 184037 (nm)

3 3914 (microm) 170941 (nm)

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ANEXO D

Caacutelculo de los valores de Rugosidad

Se calculoacute el promedio de la rugosidad media y la rugosidad cuadraacutetica media para cada

peliacutecula El aacuterea de anaacutelisis en todas las muestras fue 3um x 1um y los valores fueron obtenidos

por el sensor de altura en el software de AFM Dimension Edge VT-112

Muestra Sin Rec

Figura D 1 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra sin rec

Tabla 6

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rec

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000751 000589

ZONA 2 000849 000646

ZONA 3 000753 000598

PROMEDIO 000784 000611

Datos para el promedio de la rugosidad de ZnOCu 3 vol Sin Rec (Elaboracioacuten Propia)

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Muestra Rec a 120786120782120782

Figura D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 400 ordmC

Tabla 7

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

Muestra Rec a 120786120787120782

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000634 000506

ZONA 2 000769 000590

ZONA 3 000685 000505

PROMEDIO 000696 000534

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Figura D3 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 450 ordmC

Tabla 8

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00112 000903

ZONA 2 00110 000872

ZONA 3 00109 000877

PROMEDIO 00110 000884

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Muestra Rec a 120787120782120782

Figura D4 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 500 ordmC

Tabla 9

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec 500 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00119 000956

ZONA 2 00120 000969

ZONA 3 00119 000947

PROMEDIO 00119 000957

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ANEXO E

Caacutelculo de la energiacutea del gap

Se utilizoacute la foacutermula 46

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material que es igual a la absorbancia dividida por

el espesor de la peliacutecula 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ es la constante de Planck 120584 es

la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

Haciendo los caacutelculos respectivos en Excel obtuvimos los valores de ℎ120584 y (120572ℎ120584)2

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauc

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91

Luego graficamos esto usando Origin 8 y trazando la recta hasta el intercepto con el eje x

obtuvimos el valor de la energiacutea del gap Esto se hizo para todas las peliacuteculas

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas las peliacuteculas

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Page 9: FÍSICAS INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO …

ix

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO 7

24 El Cobre y Sus Propiedades 8

25 Dopado al Oacutexido de Zinc 9

CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE PELIacuteCULAS DELGADAS 12

31 Procesos Fiacutesicos 14

311 Evaporacioacuten teacutermica 14

312 Sputtering 15

32 Procesos Quiacutemicos 17

321 CVD 17

322 Sol-Gel 19

323 Rociado Piroliacutetico 20

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas 24

331 Modo de crecimiento capa por capa Δ120574 gt 0 26

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas 26

333 Modo de crecimiento por islas Δ120574 lt 0 26

CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO 27

41 Materiales Equipos e Instrumentos 27

42 Meacutetodo 30

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos 30

422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol 32

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x

43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol 38

44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten 40

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX) 40

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis) 43

443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) 47

CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 55

51 Difraccioacuten de Rayos X 55

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano 55

52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 59

521 Morfologiacutea y rugosidad 59

53 Espectrometriacutea UV-Vis 64

531 Transmitancia 64

532 Absorbancia y energiacutea del gap 65

CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES 69

CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS 70

REFERENCIAS 71

ANEXOS 77

ANEXO A 78

Valores Teoacutericos Del Zno 78

ANEXO B 79

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xi

Caacutelculo de la distancia interplanar 79

Caacutelculo del paraacutemetro c 80

Caacutelculo del tamantildeo de grano 82

ANEXO C 84

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada 84

ANEXO D 86

Caacutelculo de los valores de Rugosidad 86

Muestra Sin Rec 86

Muestra Rec a 400 87

Muestra Rec a 450 87

Muestra Rec a 500 89

ANEXO E 90

Caacutelculo de la energiacutea del gap 90

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IacuteNDICE DE FIGURAS

Capiacutetulo 2

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn

de color gris oscurohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnOhelliphelliphelliphelliphellip8

Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles

de fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Capiacutetulo 3

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipohelliphelliphellip16

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica de para un proceso de CVDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

Figura 34 Ruta Quiacutemica para el proceso de Sol-Gelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

Figura 35 Esquema del equipo de Rociado Piroliacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes

isla y (c) por islashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

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xiii

Capiacutetulo 4

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

Figura 43 Sustratos en detergentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenicohelliphellip31

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en hornohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica33

Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip34

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphellip35

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula

delgada de ZnOCu 3 vol helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

Figura 411 Diagrama de flujo del Proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadashelliphelliphellip39

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del

sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta

con la superficie del sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitentehelliphelliphelliphelliphelliphellip52

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Capiacutetulo 5

Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con

recocidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip58

Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 ordmC c) rec a 450 ordmC y d) rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 c) rec a 450 y d) rec a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y

con recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con

recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para

la peliacutecula recocida a 400 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y

derecha para la peliacutecula recocida a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

Anexos

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b)

Imagen 3D del escaloacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84

Figura D1 a Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra sin rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

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xv

Figura D2 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 400 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87

Figura D3 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 450 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88

Figura D4 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 500 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas

las peliacuteculashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91

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xvi

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de valores para las propiedades estructuraleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

Tabla 2 Tabla de valores de las rugosidadeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

Tabla 3 Tabla de valores de la Energiacutea del Gaphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

Tabla 4 Tabla de datos de las alturas horizontales y verticaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 5 Tabla de valores del espesor de cada peliacuteculahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 6 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

Tabla 7 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87

Tabla 8 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88

Tabla 9 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

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1

CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN

Los materiales desarrollados a base de oacutexidos transparentes y conductores (por sus siglas en

ingleacutes TCOs) han recibido una gran aceptacioacuten en la comunidad cientiacutefica debido a sus muacuteltiples

aplicaciones en la industria optoelectroacutenica ya que sus propiedades de alta transparencia y baja

resistividad los hacen aptos para aplicaciones en celdas solares sensores de gases (Koumllble et al

2009) pantallas planas pantallas de cristal liacutequido ventanas electro-croacutemicas entre otros

Los TCOs son semiconductores que se caracterizan por tener altos valores de transmisioacuten oacuteptica

(~ 80 ) en el intervalo visible y bajas resistividades (lt 10minus3Ω119888119898) seguacuten Minami (2008)

Algunos de los oacutexidos metaacutelicos preparados en forma de peliacutecula delgada que son o pueden ser

utilizados como conductores transparentes son oacutexido de cadmio (119862119889119874) oacutexido de estantildeo (1198781198991198742)

ITO (11986811989921198743 119878119899) FTO (1198781198991198742 119865) y AZO (119885119899119874 119860119897)(Alamri amp Brinkman 2000)

Uno de los oacutexidos conductores transparentes comuacutenmente utilizados debido a su alta

transmitancia en el visible gt 80 y su baja resistividad del orden de 10minus4Ω119888119898 es el oacutexido de

indio dopado con estantildeo (ITO) seguacuten Minami (2008) Pero debido a la rareza del indio en la tierra

su costo es elevado Otro oacutexido conductor transparente que ha llamado fuertemente la atencioacuten es

el CdO que es un semiconductor degenerado porque los estados en el fondo de la banda de

conduccioacuten se encuentran ocupados por lo tanto presenta alta conductividad sin necesidad de ser

dopado (Bhosale Kambale Kokate amp Rajpure 2005)

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2

Sin embargo ya que el Cd es muy toacutexico la unioacuten europea a traveacutes de la directiva de restriccioacuten

de sustancias peligrosas lo catalogoacute entre los 6 elementos restringidos para su uso en dispositivos

eleacutectricos y optoelectroacutenicos Debido a esta restriccioacuten es necesario buscar otras alternativas una

de ellas es el ZnO ya que presenta alta conductividad eleacutectrica seguacuten Jeon Park Yoo amp Boo

(2007) altos valores de transmitancia en la regioacuten visible del espectro electromagneacutetico (Hirata et

al 1996) bajo costo alta disponibilidad y no toxicidad

El oacutexido de Zinc es reconocido como un semiconductor porque tiene un ancho de banda de 337

eV a temperatura ambiente posee una gran energiacutea libre de unioacuten de excitones alta estabilidad

propiedades fiacutesicas oacutepticas etc (Benharrats Zitouni Kadri y Gil 2010)

Una peliacutecula delgada se encuentra en el rango de 1 119886 100 119899119898 (Loacutepez et al 2013) Para que

una peliacutecula delgada sea considerada como eficaz debe ser quiacutemicamente estable en el entorno a

usar debe adherirse bien a la superficie que cubre (sustrato) debe tener un espesor uniforme y

debe tener una baja densidad de imperfecciones (Leoacuten 2014)

Dentro de los diversos meacutetodos para obtener peliacuteculas delgadas tenemos el de rociado piroliacutetico

que puede ser maacutes barato simple y versaacutetil a comparacioacuten de otros meacutetodos Las propiedades de

las peliacuteculas rociadas pueden faacutecilmente adaptarse para las aplicaciones requeridas

Adicionalmente tambieacuten es un meacutetodo de deposicioacuten adecuado cuando se necesitan peliacuteculas de

grandes aacutereas (Rahmani et al 2009)

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3

El meacutetodo de rociado piroliacutetico es un proceso en el cual una peliacutecula delgada es depositada

mediante el rociado de una solucioacuten en una superficie caliente donde los constituyentes reaccionan

para formar un compuesto quiacutemico Los reactantes quiacutemicos son seleccionados de tal forma que

los productos distintos al del compuesto deseado sean volaacutetiles a la temperatura de deposicioacuten

(Mooney amp Rading 1982)

Las caracteriacutesticas estructurales eleacutectricas y oacutepticas de las peliacuteculas delgadas de ZnO han sido

ampliamente investigadas mientras que el efecto del dopado sobre estas propiedades auacuten estaacuten

siendo estudiadas (Rozati 2008 Caglar Ilikan y Caglar 2009) Las peliacuteculas de ZnO pueden

doparse con Al3+ (Sahay amp Nath 2008) Sn4+ y Sn5+ (Bedia et al 2014) F1- Cu1+ Ag1+ Ga3+

In3+ (Liu Avrutin Izyumskaya Oumlzguumlr y Morkoccedil 2010)

Elegir el Cu como dopante para las peliacuteculas delgadas de ZnO es una buena opcioacuten ya que

influye en las propiedades oacutepticas estructurales quiacutemicas y eleacutectricas del ZnO y el estudio del

estado electroacutenico del Cu en ZnO ha venido siendo el tema de intereacutes por mucho tiempo ya que

son uno de los componentes principales en celdas fotovoltaicas (Bunyod 1946)

El efecto de la temperatura de recocido sobre las peliacuteculas delgadas de ZnOCu estaacute siendo

estudiada minuciosamente debido a que se han reportado casos en los cuales disminuye la banda

del gap y aumenta el esfuerzo a medida que aumenta dicha temperatura (Jijoy Varguese amp

Mathew 2015)

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4

En el presente trabajo de investigacioacuten se realizoacute la siacutentesis de peliacuteculas delgadas de ZnOCu

3 por el meacutetodo de rociado piroliacutetico sobre un sustrato de vidrio a una temperatura de 300 ordmC y

luego sometida a temperaturas de recocido entre 400- 500 ordmC La caracterizacioacuten de las peliacuteculas

antes y despueacutes del recocido se realizoacute mediante DR-X UV-Vis y AFM

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5

CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO

21 Oacutexido de Zinc

El oacutexido de zinc es un compuesto inorgaacutenico relativamente abundante quiacutemicamente estable

y no toacutexico es insoluble en agua pero soluble en aacutecidos y bases diluidas su punto de fusioacuten es de

1975 ordmC temperatura a la que tambieacuten se descompone es un semiconductor formado por los

elementos del grupo-II ( 119885119899)30 y el grupo-VI ( 1198748

) El zinc tiene cinco isoacutetopos estables de los

cuales los maacutes comunes son el zinc 64 (4889 ) zinc 66 (2781 ) y el zinc 68 (1857 )

mientras que el oxiacutegeno consiste casi puramente en el isoacutetopo de oxiacutegeno 16 (9976 ) seguacuten

Loacutepez Castro Molina y Arbey (2011)

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO

Cada aacutetomo de zinc se encuentra rodeado por un tetraedro de 4 aacutetomos de oxiacutegeno y viceversa

tal y como se muestra en la figura 21 formando de esta manera una combinacioacuten alternada de

planos de aacutetomos oxiacutegeno y de planos de aacutetomos de zinc las cuales se encuentran a lo largo del

eje c con un desplazamiento entre ellos de 038c siendo c su paraacutemetro de red en la direccioacuten

vertical Los valores de los paraacutemetros de red para dicho material en condiciones normales de

presioacuten y temperatura son a = 032495 nm y c = 052069 nm (Hernaacutendez 2014)

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6

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn de color gris oscuro

(Fuente Hernaacutendez)

Su estructura puede describirse como un nuacutemero de planos alternantes que estaacuten compuestos

por iones de oxiacutegeno 1198742minus e iones de zinc 1198851198992+ que se encuentran alternados en el eje c esta

estructura tetraeacutedrica es la que le confiere su baja simetriacutea y lo que resulta en sus propiedades de

piezoelectricidad (Hernaacutendez 2014)

Otra importante caracteriacutestica del ZnO es su superficie polar siendo la maacutes comuacuten la del plano

basal Los iones de zinc y oxiacutegeno generan superficies cargadas positiva para (119885119899 minus (0001)) y

negativa para (119874 minus (0001)) lo que resulta en un momento dipolar normal y una polarizacioacuten

espontaacutenea La estabilidad de la superficie polar 119885119899119874 plusmn (0001) es materia de estudio tambieacuten es

atoacutemicamente plana y estable sin reconstruccioacuten (Hafdallah et al 2018 Zhon 2004)

El zinc tiene una configuracioacuten electroacutenica (1119904)2(2119904)2(2119901)6(3119904)2(3119901)6(3119889)10(4119904)2 mientras

que la configuracioacuten electroacutenica del oxiacutegeno es (1119904)2(2119904)2(2119901)4 El enlace de ZnO en su red

cristalina involucra una hibridacioacuten 1199041199013 de los estados electroacutenicos lo cual lleva a cuatro orbitales

equivalentes en una geometriacutea tetraeacutedrica En el cristal semiconductor resultante los estados de

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enlace 1199041199013 constituyen la banda de valencia mientras que la banda de conduccioacuten se origina de su

contraparte de anti-enlace seguacuten Deinert (2016)

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO

Estructuralmente el oacutexido de zinc tiene tres tipos de direcciones raacutepidas de crecimiento las

cuales son lang2110rang ( plusmn[2110] plusmn[1210] plusmn[1120] ) lang0110rang ( plusmn[0110] plusmn[1010]

plusmn[1100] ) y plusmn[0001] El ZnO exhibe un amplio rango de nuevas estructuras que pueden ser

desarrolladas ajustando las tasas de crecimiento a lo largo de esas direcciones Uno de los mayores

factores que determinan la morfologiacutea implican las actividades superficiales relativas de diversas

facetas de crecimiento bajo condiciones dadas Macroscoacutepicamente un cristal tiene diferentes

paraacutemetros cineacuteticos para diferentes planos del cristal los cuales son controlados bajo condiciones

de crecimiento Asiacute despueacutes de un periodo inicial de incubacioacuten y nucleacioacuten un cristalito

comuacutenmente se convertiraacute en un objeto tridimensional bien definido con caras cristalograacuteficas de

bajo iacutendice La figura 2 de a) al c) muestran unas morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento en una

dimensioacuten para el ZnO dichas estructuras tienden a maximizar las aacutereas de las caras (2110) y

(0110) debido a la maacutes baja energiacutea y la morfologiacutea mostrada en la parte d) es dominada por las

superficies polares las cuales pueden ser crecidos mediante la introduccioacuten de defectos planares

paralelos a las superficies polares Los defectos planares y gemelos son observados ocasionalmente

paralelos al plano (0001) pero rara vez se pueden observar dislocaciones (Zhon 2004)

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Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnO (Fuente Zhon)

24 El Cobre y Sus Propiedades

El cobre con nuacutemero atoacutemico 29 y peso atoacutemico de 6354 exhibe una estructura cristalina cuacutebica

centrada en las caras El cobre es un elemento de transicioacuten y al ser un metal noble tiene

propiedades inherentes similares a las de la plata y el oro Tambieacuten posee excelente conductividad

maleabilidad resistencia a la corrosioacuten y biofuncionalidad El cobre tiene alta solubilidad para

otros elementos tales como el niacutequel el zinc el estantildeo y el aluminio Esta solucioacuten soacutelida de la

fase alfa (120572) es la responsable de la alta ductilidad exhibida para aleaciones de cobre Las adiciones

maacutes allaacute del liacutemite de solubilidad resultan en la fase beta (120573) la cual exhibe una estructura cuacutebica

de cuerpo centrado esta fase beta tiene alta estabilidad de temperatura y las aleaciones que exhiben

una estructura 120572 + 120573 tienen una excelente capacidad de formacioacuten en caliente La densidad del

cobre es 889 1198921198881198983 y su punto de fusioacuten es 1083 Seguacuten American Society For Testing

Materials la cual es revisada anualmente

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25 Dopado al Oacutexido de Zinc

Los elementos del grupo IB como el cobre la plata y el oro no parecen de tanto intereacutes como

sus contrapartes del grupo IA y VA pero actualmente se vienen trabajando con estos elementos

ya que cambian las propiedades del ZnO esto podriacutea significar que una sustitucioacuten con zinc podriacutea

resultar un defecto de aniquilador de electrones Aunque estos pueden ser considerados costosos

la plata y el cobre podriacutea ser una alternativa maacutes econoacutemica en comparacioacuten con otros elementos

que han sido usados como dopantes al fin de cuentas estas poseen una conductividad uacutenica

(Wolgamott 2017)

Las figuras 23 24 y2 5 muestran las energiacuteas de formacioacuten por defecto para el ZnO dopado

con cobre plata y oro estas cifras junto con un caacutelculo hecho por Yan Al-Jassim ampWei (2006)

muestran que bajo condiciones ricas en oxiacutegeno los elementos del grupo IB tienen una baja energiacutea

de formacioacuten para la sustitucioacuten del zinc Esta misma condicioacuten rica en oxiacutegeno tambieacuten suprime

la formacioacuten de defectos nativos en el agujero de perforacioacuten aumentando asiacute la posibilidad de

una peliacutecula delgada de ZnO dopado del tipo p (Wolgamott 2017)

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Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

El cobre y la plata ofrecen una mejor ruta para la reproduccioacuten de peliacuteculas delgadas de ZnO

del tipo p El dopaje con nitroacutegeno solo es favorable en condiciones ricas en zinc esto aumenta la

probabilidad de que se formen defectos por la formacioacuten de agujeros para compensar Para

ajustarse a esto teacutecnicas de procesamiento novedoso y no equilibrado deben ser usadas esta

dificultad aumenta los costos de procesamiento y reduce la reproduccioacuten de tales (Wolgamott

2017)

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Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

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CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE

PELIacuteCULAS DELGADAS

Una variedad de teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas han sido empleadas para el

depoacutesito de oacutexidos conductores trasparentes tales como el oacutexido de estantildeo (SnO2) dopado con

antimonio (SnO2 ∶ Sb) o con fluorina (SnO2 ∶ F) el oacutexido de indio(In2O3) dopado con estantildeo

(In2O3 ∶ Sn) el oacutexido de zinc (ZnO) dopado con indio (ZnO ∶ In) Ya que el transporte oacuteptico y

eleacutectrico en estas peliacuteculas depende fuertemente de su estequiometria su microestructura y de la

naturaleza de las impurezas presentes por lo tanto cada teacutecnica de deposicioacuten con los paraacutemetros

asociados produce peliacuteculas con diferentes propiedades Dependiendo de queacute teacutecnica de

deposicioacuten se use el sustrato influiraacute significativamente en las propiedades de las peliacuteculas Los

sustratos de vidrio son los de uso comuacuten para estos procesos Los procesos a baja temperatura tales

como la pulverizacioacuten catoacutedica con magnetroacuten la pulverizacioacuten ioacutenica con haz de iones y el

recubrimiento ioacutenico reactivo permiten la deposicioacuten de las peliacuteculas de oacutexido sobre el sustrato de

poliacutemero como el plaacutestico Mylar y poly (Teraftalato de etileno) Seguacuten Waal amp Simons (1981)

el coeficiente de expansioacuten teacutermica del sustrato afecta las propiedades eleacutectricas de las peliacuteculas

especialmente en procesos como los de rociado piroliacutetico y de inmersioacuten en los cuales las tensiones

intriacutensecas son inducidas dentro de la peliacutecula El coeficiente de expansioacuten teacutermica influye en la

orientacioacuten preferente del cristalito en las peliacuteculas de ZnO (Ghandhi Field amp Shealy 1980)

El proceso que implica deposiciones a altas temperaturas el efecto de la difusioacuten de iones

alcalinos desde el sustrato de vidrio hacia la peliacutecula se vuelve extremadamente importante (Kane

Schweizer amp Kern 1976) Los cationes actuacutean como agentes dopantes de tipo-p y compensan los

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donantes nativos El problema es grave en los sustratos de vidrio Soda-lime los cuales tienen un

alto contenido en sodio alrededor del 10-15 peso 1198731198862119874 En La figura 31 podemos observar

los tipos de procesos para la obtencioacuten de peliacuteculas delgadas

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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31 Procesos Fiacutesicos

311 Evaporacioacuten teacutermica

Peliacuteculas delgadas de IO (oacutexido de indio) (Pan amp Ma 1980) ITO (oacutexido de indio dopado con

estantildeo) (Mizuhashi 1980) y ZnO (Wang et al 2005) han sido depositadas por evaporacioacuten

teacutermica o por haz de electrones de fuentes de oacutexido Debido a su alto punto de fusioacuten el TO

(oacutexido de estantildeo) ha sido depositado por haz de electrones (Mizuhashi 1980) Cuando los oacutexidos

puros o mixtos se evaporan se reducen y forman peliacuteculas opacas de oacutexidos inferiores Por lo tanto

los oacutexidos transparentes conductores son obtenidos por post-oxidacioacuten de peliacuteculas inferiores o

por introduccioacuten del oxiacutegeno durante la evaporacioacuten (Ruumlcker amp Becker 1978)

La cineacutetica de oxidacioacuten de sub-oacutexidos la dependencia de la resistividad y la transmisioacuten en el

sustrato y las temperaturas de oxidacioacuten han sido estudiadas para peliacuteculas de ITO (Mizuhashi

1980) La opacidad de las peliacuteculas depositadas ha sido atribuida a la presencia de indio libre en

una matriz de In2O3 que resulta de la reduccioacuten de especies de In2O que estaacuten presentes en la

fase de vapor

La post-oxidacioacuten del indio libre es a traveacutes de un proceso controlado por difusioacuten y las

propiedades eleacutectricas y oacutepticas finales de las peliacuteculas estaacuten determinadas por las tasas relativas

de oxidacioacuten y difusioacuten del indio (Mizuhashi 1980)

En el caso de la oxidacioacuten durante la deposicioacuten la temperatura del sustrato y la presioacuten parcial

de oxiacutegeno son los principales paraacutemetros de control para el proceso que han sido estudiados por

Mizuhashi (1980) que obtuvo peliacuteculas de ITO de buena calidad con una presioacuten parcial de

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oxiacutegeno de 10minus4 Torr y una temperatura de sustrato de 400 con una tasa de deposicioacuten de

aproximadamente 50 Å 119898119894119899minus1 para el O2 puro

De lo anterior se puede concluir que para obtener peliacuteculas altamente transparentes y

conductoras por evaporacioacuten es necesario que la presioacuten parcial del oxiacutegeno sea alta (suficiente

para oxidar casi todo el indio) que la temperatura del sustrato sea la adecuada y que la tasa de

evaporacioacuten sea raacutepida (para suprimir la disociacioacuten de In2O3)

312 Sputtering

El Sputtering o pulverizacioacuten catoacutedica es una de las teacutecnicas maacutes usadas para la deposicioacuten de

peliacuteculas conductoras transparentes Esta teacutecnica se basa esencialmente en un bombardeo intenso

de un material con iones producidos en una descarga eleacutectrica en forma de plasma cuando la

energiacutea de los iones incidentes es suficientemente elevada entonces la interaccioacuten con la superficie

del material a traveacutes de intercambio de momento cineacutetico hace que los aacutetomos de la superficie

sean arrancados para pasar a la fase de vapor La figura 32 muestra un esquema de las etapas del

proceso El caacutetodo el cual estaacute conectado a la terminal negativa de la fuente de alimentacioacuten estaacute

formado por el material a evaporar que tambieacuten es llamado blanco o sputtering target estaacute

sometido al bombardeo intenso de los iones positivos de la descarga una vez que son acelerados

desde el plasma como consecuencia de la caiacuteda de potencial asociada El bombardeo de los iones

produce no solo el efecto de sputtering o pulverizacioacuten del blanco sino tambieacuten la emisioacuten de

electrones secundarios que son acelerados hacia el plasma Una vez en el plasma estos electrones

tienen la energiacutea suficiente para producir nuevos iones mediante procesos de ionizacioacuten en cascada

por impacto con los aacutetomos del gas compensando asiacute la perdida de carga producida por colisiones

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de las especies cargadas en las paredes de la caacutemara de vaciacuteo Se dice que la descarga es auto

mantenida (Aacutelvaro 2014)

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipo (Fuente Aacutelvaro)

El gas de la descarga suele ser un gas inerte de masa elevada con el objeto de aumentar la

transferencia del momento cineacutetico a los aacutetomos del blanco por razones de precio en la mayoriacutea

de las aplicaciones el gas utilizado es argoacuten con una masa atoacutemica de 40 los sustratos a recubrir

estaacuten colocados sobre el aacutenodo aunque se pueden situar sobre un soporte auxiliar frente al caacutetodo

El electrodo que actuacutea de aacutenodo suele estar conectado al potencial de tierra junto con la caacutemara

de vaciacuteo por razones de seguridad A diferencia de la teacutecnica de evaporacioacuten teacutermica la trayectoria

de las partiacuteculas pulverizadas no es rectiliacutenea ya que a presiones de trabajo alrededor de

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10minus3 mbar el recorrido libre medio es del orden de unos pocos mm Los aacutetomos evaporados

pueden alcanzar al sustrato desde cualquier direccioacuten despueacutes de sufrir una serie de colisiones en

la atmosfera de sputtering en las cuales sufren una peacuterdida de su energiacutea inicial Por lo tanto los

problemas de direccionalidad y los de homogeneidad del espesor de la capa depositada son

menores que en la evaporacioacuten teacutermica Al mismo tiempo los aacutetomos del gas inerte y la radiacioacuten

procedente del plasma tambieacuten interaccionan con la superficie de los sustratos produciendo

efectos laterales De hecho existe la posibilidad de que aacutetomos del gas inerte puedan contaminar

la capa depositada en el sustrato al quedar atrapados en su interior durante el crecimiento (Aacutelvaro

2014)

32 Procesos Quiacutemicos

321 CVD

La deposicioacuten quiacutemica por vapor (Chemical Vapor Deposition) es un proceso antiguo que data

del 1800 En este tiempo esta teacutecnica fue usada principalmente para producir materiales

refractores de alta pureza tales como el zirconio y el titanio Despueacutes de la segunda guerra mundial

los investigadores comenzaron a darse cuenta de las ventajas potenciales que ofreciacutea el CVD

Esta teacutecnica consiste en la deposicioacuten por vapor sobre una superficie caliente Esto pertenece a

las teacutecnicas de transferencia de vapor Con esta teacutecnica la liacutenea de visioacuten con la superficie de

recubrimiento no es necesaria por lo tanto permite la deposicioacuten en superficies complejas tambieacuten

posee una alta tasa de deposicioacuten y puede ser usado para recubrimientos gruesos esto permite la

co-deposicioacuten de los elementos y no requiere de un proceso de alto vaciacuteo

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La figura 33 muestra un CVD tiacutepico El primer paso es la activacioacuten teacutermica de los precursores

quiacutemicos para formar el vapor este a su vez es transportado a traveacutes de una caacutemara caliente en

donde el sustrato estaacute colocado en esta caacutemara la reaccioacuten gaseosa ocurre y los reactantes son

depositados en la superficie del sustrato con lo cual resulta la formacioacuten de la peliacutecula Los

subproductos volaacutetiles son desorbidos desde la peliacutecula y removidos de la caacutemara por medio de la

conveccioacuten

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica para un proceso de cvd (Fuente En liacutenea)

Un proceso tiacutepico de CVD requiere de temperaturas altas que la reaccioacuten de fase gaseosa ocurra

esto no soacutelo aumenta los costos de proceso sino que tambieacuten limita los tipos de sustratos donde la

peliacutecula delgada puede ser depositada Los precursores quiacutemicos con alta presioacuten de vapor que se

necesitan para el CVD son en su mayoriacutea toacutexicos y peligrosos para trabajar con ellos Finalmente

los subproductos de la reaccioacuten gaseosa que no permanecen en el sustrato pueden ser toacutexicos e

incluso corrosivos La neutralizacioacuten de estos subproductos implicariacutea un aumento del costo de

produccioacuten

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322 Sol-Gel

Esta teacutecnica de crecimiento es un proceso quiacutemico huacutemedo realizado a bajas temperaturas que

permite fabricar materiales amorfos y poli cristalinos estos uacuteltimos se obtienen despueacutes de un

tratamiento teacutermico En el meacutetodo Sol-Gel se puede controlar la composicioacuten quiacutemica estructura

cristalina y morfologiacutea superficial de las peliacuteculas ajustando los paraacutemetros de procesamiento tales

como relacioacuten molar entre los reactivos cantidad y naturaleza de los precursores disolventes

catalizadores aditivos e impurificantes Este proceso sigue la ruta quiacutemica que muestra en la figura

34 este parte de una solucioacuten inicial compuesta por un alcoacutexido metaacutelico por agua y por un

disolvente al que se le agrega un catalizador que puede ser tanto aacutecido como baacutesico Las reacciones

de hidroacutelisis y condensacioacuten se desencadenan a fin de sintetizar una suspensioacuten coloidal de

partiacuteculas soacutelidas o cuacutemulos en un liacutequido llamado Sol A medida que la reaccioacuten continua aumenta

la viscosidad de la solucioacuten hasta la forma del Gel el cual estaacute constituido de dos partes una soacutelida

que corresponde a las partiacuteculas de oacutexido y una liacutequida que es el disolvente inicial del Sol Luego

de esto se inicia un periodo de secado en condiciones normales de presioacuten y temperatura en el cual

se lleva a cabo la eliminacioacuten del disolvente y del agua residual de tal modo que el Gel se encogeraacute

obtenieacutendose un xerogel Al teacutermino del tiempo de secado generalmente se tienen disolventes y

agua para solucionar esto se somete a un tratamiento teacutermico (Ramiacuterez 2015)

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Figura 34 Ruta quiacutemica para el proceso de sol-gel (Fuente Ramiacuterez)

323 Rociado Piroliacutetico

Esta teacutecnica consiste en la pulverizacioacuten de una solucioacuten que contiene los iones metaacutelicos del

oacutexido que se quiere producir sobre un sustrato que se encuentra a una temperatura elevada El

precursor del material a ser fabricado se disuelve en metanol o etanol esta solucioacuten denominada

solucioacuten precursora es transformada en partiacuteculas muy finas mediante un nebulizador formando

una especie de vapor la solucioacuten nebulizada se transporta hacia el sustrato caliente con ayuda de

un gas portador (aire comprimido) de tal manera que llega al sustrato en forma de gota pequentildea

La pirolisis se produce en la superficie caliente del sustrato dando lugar a la peliacutecula delgada como

producto de la descomposicioacuten del compuesto quiacutemico por accioacuten del calor los componentes

reactivos de la solucioacuten precursora se seleccionan de tal modo que los productos de la reaccioacuten

quiacutemica que no intervienen en la formacioacuten de la peliacutecula sean volaacutetiles a la temperatura de trabajo

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Esto requiere del anaacutelisis del precursor quiacutemico tanto de la fase liacutequida como de la fase gaseosa

y una exploracioacuten de las reacciones superficiales que llevan a la formacioacuten de la peliacutecula delgada

En este proceso de fabricacioacuten de peliacuteculas delgadas un factor muy importante es la uniformidad

del tamantildeo de las gotas generadas

Cuando el vapor de la solucioacuten se aproxima al sustrato en condiciones ideales se espera que el

solvente se vaporice totalmente provocando la descomposicioacuten de los componentes no volaacutetiles

(Leoacuten 2014) En la figura 35 se muestra un esquema del equipo detallando cada parte

componente del mismo

Figura 35 Esquema del equipo de rociado piroliacutetico (Fuente Acosta amp Magantildea)

Piroacutelisis La reaccioacuten piroliacutetica la cual determina la cineacutetica del depoacutesito se efectuacutea cuando el

rociacuteo entra en contacto con el sustrato caliente y seguacuten el tamantildeo de las gotas se produciraacute

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diferentes procesos dependientes del comportamiento teacutermico de las gotas A continuacioacuten se

detallan 4 procesos diferentes seguacuten el tamantildeo de la gota

Gotas de tamantildeo muy pequentildeo

La reaccioacuten se completa durante el transporte antes de llegar al sustrato y se produce un polvo

del material sobre el sustrato la facilidad de este proceso es que puede ser faacutecilmente removido

Gotas de tamantildeo ideal

El solvente pasa a la fase gaseosa completamente antes de alcanzar el sustrato las partiacuteculas

precipitadas se fusionan vaporizan y se difunden sobre la superficie del sustrato En este proceso

las partiacuteculas producidas sufren procesos de adsorcioacuten difusioacuten superficial reaccioacuten de

nucleacioacuten por lo tanto determinan el crecimiento del recubrimiento El resto de los productos de

la reaccioacuten se volatilizan y se difunden fuera del sustrato

Gotas de tamantildeo mediano

El solvente de las gotas se vaporiza al llegar al sustrato dejando partiacuteculas precipitadas de los

reactantes los cuales se fusionan en la superficie del sustrato y causan enfriamiento localizado

obtenieacutendose recubrimientos de baja calidad

Gotas de tamantildeo grande

La energiacutea teacutermica absorbida por la gota durante el transporte al sustrato no es suficiente para

que el solvente se pueda evaporar por completo El solvente residual se evaporaraacute en el sustrato

formando estructuras no homogeacuteneas

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Para lograr la selectividad de las gotas que llegaraacuten al sustrato se graduacutea la longitud entre lo

boquilla y el sustrato Considerando que la fuerza gravitacional es proporcional a 1199033 siendo r el

radio de la gota Las gotas de radios mayores al valor criacutetico no pueden ser transportadas por el

gas portador y por lo tanto regresan al nebulizador En las cercaniacuteas del sustrato se forma una

niebla de la solucioacuten con una distribucioacuten uniforme de gotas de tamantildeo pequentildeo requisito

importante para la obtencioacuten de recubrimientos delgados de buena calidad

Las fuerzas que determinan el recorrido de las gotas por la tobera son la gravitacional y la fuerza

de Stokes debido a la friccioacuten entre la gota y las moleacuteculas de aire seguacuten Silva (2013)

119917119956 = 120788120645120636119955(119959119941 + 119959119938) [120783 +120785

120790119929119942] 120784 120783

119917 = 119950119944 120784 120784

En donde 120578 es la viscosidad de la gota 119903 es el radio de la gota 119907119889 es la velocidad de la gota 119907119886

es la velocidad del aire y 119877119890 es el nuacutemero de Reynolds

El nuacutemero de Reynolds para partiacuteculas esfeacutericas en un flujo gaseoso es

119929119942 = 120784119955(119959119941 + 119959119938)

120636120633119938 120784 120785

En donde 120575119886 es la densidad del aire

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Cuando estas dos fuerzas alcanzan el equilibrio (119865 = 119865119904) las gotas viajan con velocidad

constante denominada velocidad liacutemite (119907119889119897) Al resolver la ecuacioacuten cuadraacutetica que nos da el

igualar las ecuaciones 21 y 22 tenemos

119959119941119949 = minus (119939

120784) + (

119939120784

120786minus 119940)

120783120784

120784 120786

En donde

119939 =120786120636

120785119955120633119938minus 120784119959119938 119962 119940 = 119959119938

120784 minus120786120636

120785119955120633119938119959119938 + (120633(119931) +

119924119956119924

120783120782120785)

120790119955

120784120789120633119938

Siendo 120575(119879) la densidad del solvente a temperatura T 119872119904 el peso molar del soluto y M la

molaridad de la solucioacuten (Leoacuten 2014)

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas

Los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas en sus etapas iniciales se

pueden ver en la figura 36 una vez que la partiacutecula se ha condensado de la fase gaseosa puede

inmediatamente re-evaporarse o difundirse sobre la superficie este proceso de difusioacuten puede

conducir a la adsorcioacuten especialmente en sitios como orillas y otros defectos (M Peacuterez 2005)

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Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas delgadas (Fuente M

Peacuterez)

Las energiacuteas de activacioacuten para la adsorcioacuten y difusioacuten dependen de los detalles atoacutemicos del

proceso en particular y la nucleacioacuten de maacutes de una partiacutecula adsorbida puede ocurrir En equilibrio

termodinaacutemico todos los procesos ocurren o proceden en dos direcciones opuestas a la misma

rapidez Por lo tanto en el equilibrio no hay un crecimiento neto de una partiacutecula y por lo tanto el

crecimiento del cristal debe ser un proceso cineacutetico de no equilibrio Desde un enfoque

fenomenoloacutegico existen tres modos diferentes del crecimiento de peliacuteculas como se observa en la

figura 37 (M Peacuterez 2005)

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes isla y (c) por islas

(Fuente M Peacuterez)

El crecimiento de peliacuteculas delgadas es descrito por minimizacioacuten de la energiacutea libre superficial

de la capa superior (120574119904119906119901) del sustrato (120574119904) y de la energiacutea libre de la interfase (120574119894119899119905) el cual

estaacute descrito por Δ120574 = 120574119904 minus 120574119904119906119901 minus 120574119894119899119905 (Leoacuten 2014 Aacutelvaro 2014)

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331 Modo de crecimiento capa por capa (120491120632 gt 120782)

Donde la interaccioacuten entre el sustrato y los aacutetomos de las capas es maacutes fuerte que entre los

mismos aacutetomos de las capas (Leoacuten 2014)

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas

Corresponde a un caso intermedio despueacutes de la formacioacuten de una o de muchas mono-capas

completas ocurre la formacioacuten de islas El crecimiento de islas 3D crece sobre la primera o la

uacuteltima mono capa (Leoacuten 2014 Ramiacuterez 2015)

333 Modo de crecimiento por islas (120491120632 lt 120782)

Es el caso en el que la interaccioacuten entre los aacutetomos que conforman las peliacuteculas es maacutes fuerte

(Leoacuten 2014)

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CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO

Realizar la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas sobre el sustrato requiere una cuidadosa

optimizacioacuten La siacutentesis de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se realizoacute por el meacutetodo de rociado

piroliacutetico con paraacutemetros optimizados como son la molaridad del precursor la temperatura del

sustrato la presioacuten de aire del compresor el flujo de aire y la distancia de la boquilla al sustrato

El objetivo de este trabajo de tesis fue analizar el efecto de la temperatura de recocido en un

rango de 400 minus 500 sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

En este capiacutetulo se detalla el procedimiento que se utilizoacute para la siacutentesis de las peliacuteculas

delgadas La limpieza del sustrato tambieacuten es una parte importante en la fabricacioacuten de las peliacuteculas

delgadas ya que es en donde se realizaraacute el depoacutesito y por lo tanto debe encontrarse libre de

impurezas y grasa

41 Materiales Equipos e Instrumentos

Como sustrato en donde se depositoacute la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se usoacute un vidrio

(Figura 41) con un aacuterea de 762 times 254 1198981198982

Para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol se utilizaron como precursores el Acetato de Zinc

Dihidratado [119885119899(1198621198673119862119874119874)2 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995) el Cloruro de Cobre

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dihidratado [1198621199061198621198972 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995 ) y como solvente etanol absoluto

[C2H5OH] del laboratorio Merck (998)

Para la limpieza de los sustratos se utilizoacute un agitador ultrasoacutenico (figura 42) y un horno

eleacutectrico marca Oster (119879119898aacute119909 = 400 )

Para lograr la uniformidad al momento de mezclar los materiales precursores se utilizoacute un

agitador magneacutetico (Hot Plate Stirring VWR)

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearl (Fuente Elaboracioacuten Propia)

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Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratos (Fuente Elaboracioacuten propia)

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42 Meacutetodo

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos

Para una buena deposicioacuten de la peliacutecula el sustrato a utilizar debe estar libre de impurezas

asegurando una oacuteptima adherencia

El proceso de limpieza de los sustratos empezoacute por la colocacioacuten de eacutestos en un depoacutesito que

conteniacutea agua potable y detergente marca Ariel por un tiempo de 5 minutos (Figura 43) luego se

trasladoacute a otro depoacutesito que conteniacutea aacutecido niacutetrico [1198671198731198743] al 65 durante 15 minutos en seguida

se procedioacute a enjuagarlos con agua ultrapura despueacutes se colocoacute en recipiente que conteniacutea agua

ultrapura y fueron puestos en el agitador ultrasoacutenico por 15 minutos (Figura 44) Pasado este

tiempo se retiraron los sustratos y se colocaron dentro del horno marca Oster por 10 min a 205

(Figura 45)

Figura 43 Sustratos en detergente (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenico (Fuente Elaboracioacuten propia)

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en horno (Fuente Elaboracioacuten propia)

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422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

Preparacioacuten de la solucioacuten precursora

Para la preparacioacuten de la solucioacuten se calculoacute la cantidad en gramos que debemos tener del

precursor en nuestro caso el acetato de zinc di-hidratado Para ello se utilizoacute la siguiente foacutermula

119950(119944) = 119924 times 119917119934 times 119933119952119949(119930119952119949 ) times 119927119958119955119942119963119938 120786 120783

Doacutende

m (g) Masa en gramos del precursor

M Molaridad (molLitro)

FW masa molar (gmol)

Vol (Sol) Volumen de la solucioacuten (Litros)

Pureza Porcentaje de pureza del precursor

La masa molar del acetato de zinc di-hidratado es de 21949 gmol el volumen de etanol que

se preparoacute fue 0020 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120784120783120791 120786120791

119944

119950119952119949) (120782 120782120784120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120786120785120790120789120788

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La masa del precursor fue medida con una balanza analiacutetica marca Mettler Toledo (plusmn01 119898119892)

ver figura 46

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica (Fuente Elaboracioacuten propia)

En un recipiente se mezclaron la masa medida del acetato de zinc di-hidratado y los 20 ml de

etanol que llamaremos mezcla 1

Para lograr uniformidad en la solucioacuten esta fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a una

temperatura de 60 durante 2 h (Figura 47) resultando transparente y homogeacutenea

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Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

La masa molar del cloruro de cobre di-hidratado es de 17048 gmol el volumen que se preparoacute

fue 0010 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120783120789120782 120786120790

119944

119950119952119949) (120782 120782120783120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120783120789120782120785120791

La masa de los precursores fue medida nuevamente con la balanza analiacutetica marca Mettler

Toledo (plusmn01 119898119892)

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En otro recipiente se combinaron la masa medida del cloruro de cobre dihidratado y los 10 ml

de etanol que llamaremos mezcla 2 luego fue colocado en el agitador magneacutetico a temperatura

ambiente durante 15 min

Despueacutes de haber agitado magneacuteticamente cada precursor en otro recipiente se colocoacute 194 ml

de la mezcla 1 y se le agregoacute 06 ml de la mezcla 2 de tal forma que se pueda tenerse una

proporcioacuten 119881119900119897119862119906

119881119900119897119885119899= 3 A esta nueva solucioacuten llamaremos mezcla 3

Para lograr uniformidad la nueva solucioacuten fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a

temperatura ambiente durante 15 min (Figura 48) para lograr su homogeneidad

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Proceso de siacutentesis

Para la obtencioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se utilizoacute el equipo de rociado

piroliacutetico que se encuentra en la seccioacuten de Nanociencia y Nanomateriales del Laboratorio de

Fiacutesica de Materiales ldquoDr Lennart Haselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo ver figura

49

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3

vol (Fuente Elaboracioacuten propia)

Este equipo de rociado piroliacutetico utilizado en la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas consiste de

los siguientes componentes Compresor de aire (1) Controlador de presioacuten en el rango de 0 ndash 80

psi (2) Controlador de flujo de aire en el rango de 1 ndash 15 Lmin (3) Caacutemara de vidrio (4)

Termoacutemetro (5) Nebulizador (6) Boquilla o Tobera (7) Platea caliente (8) Soporte universal (9)

Dispositivo moacutevil con una rapidez de 2311990910minus3 119888119898 119904frasl (10) Fuente de alimentacioacuten DC de 0 ndash 12

V (11) Fuente de alimentacioacuten AC de 0- 40 V (12) y Termocupla y controlador de temperatura en

el rango de 0 minus 500 (13)

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Sobre el nebulizador se colocoacute una tobera de vidrio piacuterex por la que ascienden las gotas maacutes

pequentildeas hasta llegar al sustrato caliente sobre el cual se produjo el proceso de piroacutelisis El

conjunto nebulizador y tobera estaacute acoplado a un dispositivo moacutevil el cual se va desplazando en

la direccioacuten del sustrato con el fin de obtener un recubrimiento uniforme

Las siacutentesis de la peliacutecula se hizo a la temperatura de 300 plusmn 10 La presioacuten del compresor

y el flujo de aire se mantuvieron a 30 119901119904119894(~207 119896119875119886) 119910 5 119871119898119894119899 respectivamente La distancia

boquilla sustrato se mantuvo a 30 cm con el fin de que el flujo nebulizado dirigido hacia la

superficie del sustrato se mantenga laminar El desplazamiento de la tobera-boquilla a lo largo del

sustrato se hizo con una rapidez aproximada de 04 mms con intervalos de 40 plusmn 05 119898119894119899 entre

cada ida y vuelta tiempo necesario para mantener la temperatura estable y mejor cristalizacioacuten del

soacutelido El nuacutemero de capas que consideramos oacuteptimas en este trabajo fue de 6 seguacuten E Noriega

(2015)

Al teacutermino del proceso el sistema compuesto peliacuteculasustrato se dejoacute enfriar lentamente dentro

de la caacutemara hasta la temperatura ambiente por 15 horas con el fin de lograr una buena

cristalizacioacuten

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol

Para el tratamiento teacutermico se dividioacute el sustrato que conteniacutea la peliacutecula en 4 partes usando

una como muestra testigo (300 ) y las tres restantes sometieacutendolas por dos horas de

mantenimiento a las temperaturas de recocido de 400 450 119910 500 El horno donde se hizo el

recocido fue un Horno eleacutectrico Marca Brasimet ver figura 410 con una incertidumbre de plusmn5

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la figura 411 se puede ver un diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas

delgadas de ZnO Cu 3 vol

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Figura 411 Diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten

Para caracterizar las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol se emplearon las teacutecnicas de

difraccioacuten de rayos X (DRX) para determinar el tamantildeo del cristalito y la estructura la

espectrofotometriacutea ultravioleta visible (UV-Vis) para determinar la transmitancia absorbancia y

energiacutea del gap y por el uacuteltimo se utilizoacute el Microscopio de Fuerza Atoacutemica (AFM) para

determinar la morfologiacutea y rugosidad A continuacioacuten se describiraacuten brevemente estas teacutecnicas

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX)

La difraccioacuten de rayos X es una teacutecnica de caracterizacioacuten que sirve para analizar espectros

relacionados con la estructura de los materiales que son la constante de red estructura cristalina

identificacioacuten de materiales orientacioacuten de monocristales y orientaciones preferenciales de

policristales Los rayos X se caracterizan porque su longitud de onda variacutea de 01 minus 100 Å (Rayos

X fluorescencia online) En la figura 412 se puede ver un esquema de difraccioacuten de rayos X

basado en la ley de Bragg

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos x (Fuente Rojas)

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Cuando un haz de rayos X de una longitud de onda especiacutefica del mismo orden de magnitud de

las distancias interatoacutemicas del material llega a este los rayos X se dispersan en todas las

direcciones La mayor parte de la radiacioacuten dispersada por un aacutetomo anula la radiacioacuten dispersada

en otros aacutetomos Los rayos X que llegan a ciertos planos cristalograacuteficos formando aacutengulos

especiacuteficos con ellos se refuerzan en lugar de aniquilarse a este fenoacutemeno se llama difraccioacuten

Los rayos X se difractan o el haz se refuerza cuando las condiciones satisfacen la Ley de Bragg

119852119842119847 120637 =119951120640

120784119941119945119948119949 120786 120783

Donde 120579 es la mitad del aacutengulo que forman el haz difractado y el haz original n es el orden de

difraccioacuten 120582 es la longitud de onda de los rayos X 119889ℎ119896119897 es la distancia interplanar que produce

refuerzo del haz ℎ119896119897 son los iacutendices de Miller (Askeland 1998) La difraccioacuten ocurre siempre y

cuando se satisfaga la ley de Bragg por lo que no necesariamente cualquier direccioacuten arbitraria

produciraacute difraccioacuten

La informacioacuten obtenida se presenta en un graacutefico de intensidad en funcioacuten de 2120579 llamado

patroacuten de difraccioacuten Cada sustancia produce siempre un patroacuten de difraccioacuten caracteriacutestico

independientemente de que si se encuentra en un estado puro o formando parte de una mezcla de

sustancias (Askeland 1998)

Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

fueron obtenidos con el difractoacutemetro RIGAKU Miniflex-600 que opera en la geometriacutea Bragg-

Brentano donde la radiacioacuten 119862119906 119896120572 (120582 = 15406 Aring) fue utilizada como fuente de rayos X El

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equipo operoacute a 30 KV de voltaje y 10 mA de corriente el barrido se realizoacute en un aacutengulo de 2120579

con rango desde 20deg a 70deg con velocidad de escaneo de 5 deg119898119894119899

La identificacioacuten de los picos de difraccioacuten se comparoacute con la base de datos Card info 00-900-

8877 de la Crystallography Open Database mostrado en el anexo A

La distancia interplanar se calculoacute con la ley de Bragg para el primer orden (n=1) de difraccioacuten

de acuerdo a la ecuacioacuten 41 tendriacuteamos

119837 =120640

120784 119852119842119847 120637 120786 120784

En donde 120579 es el aacutengulo de incidencia y 120582 = 15405981 Aring

Paraacutemetros de red

Para identificar la constante de red c de la estructura de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se tomoacute

en cuenta la estructura hexagonal wurtzita cuya distancia interplanar estaacute relacionada con los

iacutendices de Miller de los planos (hkl) y las constantes de red a y c a traveacutes de la ecuacioacuten 43

(Askeland 1998) y con el tamantildeo de cristalito (119863)

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784 120786 120785

A partir de la ecuacioacuten 43 es posible determinar los paraacutemetros de la red cristalina Cuando se

incide sobre un cristal muy pequentildeo del orden de nanoacutemetros se produce un ensanchamiento del

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pico de difraccioacuten esto permite determinar el tamantildeo promedio del cristal (119863) por medio de la

ecuacioacuten de Scherrer (Gurumurugan amp Mangalaraj 1995)

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637 120786 120786

Donde D es el tamantildeo del cristalito K es el factor de forma (K=09 para esferas) 120582 es la longitud

de onda de los rayos X (120582 = 15405981 Aring ) 120573 es el ancho completo de la mitad del maacuteximo y se

encuentra en radianes por lo tanto hay que convertir los valores de (FWHM) que se encuentran en

grados multiplicaacutendolos por 120587 180degfrasl y 120579 es el aacutengulo de Bragg

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectrometriacutea UV-Vis se basa en la absorcioacuten de radiacioacuten UV o visible por parte de las

moleacuteculas y se emplea para analizar muestras en fase liacutequida o soacutelida La espectrometriacutea de

absorcioacuten implica la medida de la fraccioacuten de la luz de una longitud de onda que pasa a traveacutes de

una muestra la figura 413 muestra la geometriacutea del equipo la muestra no emite luz por siacute misma

por lo que se debe incluir una fuente de radiacioacuten El paso de la luz a traveacutes de un monocromador

o un filtro selecciona la longitud de onda para el anaacutelisis (Hernaacutendez 2014)

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Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vis (Fuente Hernaacutendez)

Durante el anaacutelisis de la muestra se hacen dos mediciones en la primera se mide la cantidad de

luz en funcioacuten de la longitud de onda que llega al transductor cuando se ha colocado un blanco

(vidrio) Se denomina 1198680 del blanco cuando la concentracioacuten del material analizado es cero

La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras (vidrio + peliacutecula) con la

medida del blanco (vidrio) Llamamos 119868 a la intensidad que se mide con las muestras o con el

estaacutendar La comparacioacuten que se hace implica la relacioacuten 1198681198680 con ambas intensidades medidas

en las mismas condiciones del instrumento (longitud de onda geometriacutea) Se utilizan tres teacuterminos

diferentes para expresar esta relacioacuten

El primero es simplemente la relacioacuten 1198681198680 y se denomina Transmitancia que es denotada por

la letra T

119931 =119920

119920120782 120786 120785

El segundo es el porcentaje de transmitancia

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119931 = 119931 lowast 120783120782120782 120786 120786

El tercero es el logaritmo negativo de T que se denomina Absorbancia y se denota con la letra

A

119912 = minus 119845119848119840119920

119920120782= minus 119845119848119840 119931 120786 120787

Para la determinacioacuten del ancho de banda de energiacutea prohibida la energiacutea del gap (119864119892) es

determinada del espectro experimental del coeficiente de absorcioacuten (120572) como una funcioacuten de la

energiacutea del fotoacuten (ℎ120592)

En los materiales de gap directo como el ZnO se utiliza la siguiente ecuacioacuten

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ

es la constante de Planck 120584 es la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

En una graacutefica (120572ℎ120584)2 119907119904 ℎ120584 el ajuste a una recta de la parte proacutexima a 120572 = 0 el intercepto

para la ordenada nula es el valor de la energiacutea prohibida Esta recta tiene una expresioacuten de la forma

119910 = 119898119909 + 119887 lo que se tiene que buscar es el valor de 119909 para 119910 = 0 esto es 119909 = minus119887119898

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La conversioacuten de la energiacutea del fotoacuten en funcioacuten de la longitud de onda se realiza mediante la

constante de Planck(ℎ) y la de la velocidad de la luz (119888) La frecuencia del fotoacuten se relaciona con

la longitud de onda a traveacutes de la siguiente ecuacioacuten

119940 = 120642120640 120786 120789

Entonces la energiacutea del fotoacuten se puede escribir en funcioacuten de la longitud de onda como

119916 =119945119940

120640 120786 120790

Por lo tanto la energiacutea del fotoacuten puede calcularse como 12398

120582(119899119898) Aplicando al caso del ZnO se

adquieren los valores de la longitud de onda y la transmitancia del vidrio y la medida se divide la

transmitancia medida entre la del vidrio para obtener la transmitancia de la peliacutecula Se transforma

la transmitancia en coeficiente de absorcioacuten y la longitud de onda en energiacutea (H Bubert amp Jenett

2002)

Los anaacutelisis de absorbancia y transmitancia para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con

tratamiento de recocido se realizaron con el espectroacutemetro UV-Vis marca Analytik Jena Modelo

Specord Plus 250 y con un barrido de longitud de onda de 300 nm a 800 nm

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443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)

Este meacutetodo inventado en 1985 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer pertenece al grupo de

teacutecnicas de microscopiacutea de fuerza de barrido un grupo de teacutecnicas que estaacuten basadas en la

medicioacuten de diferentes fuerzas como son la fuerza atractiva la gravitatoria la repulsiva la

magneacutetica la de Van Der Walls y la electrostaacutetica esta medicioacuten es hecha entre la punta fina y la

superficie de la muestra

La formacioacuten de la imagen se lleva a cabo mediante la medicioacuten de la fuerza de interaccioacuten a

traveacutes de la deflexioacuten de un cantileacutever Aunque diversos tipos de fuerzas se encuentran cuando una

punta se aproxima a la superficie de la muestra la generacioacuten de la sentildeal en el AFM se basa

esencialmente en fuerzas repulsivas interatoacutemicas que son de naturaleza de corto alcance

En el caso ideal se puede asumir ver figura 414 lo que significa que el contacto directo de la

punta con la superficie se la muestra se limita a un aacuterea muy pequentildea Como resultado de esto

siempre hay una fuerza repulsiva interatoacutemica en esta pequentildea aacuterea de contacto debido a la

penetracioacuten de las capas electroacutenicas de los aacutetomos de la punta y los de la superficie de la muestra

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Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del sustrato (Fuente Rojas)

La fuerza repulsiva interatoacutemica estaacute influenciada por la densidad total de electrones alrededor

de un aacutetomo y no soacutelo por los estados particulares de la energiacutea La interaccioacuten entre la punta y la

muestra puede ser descrita por una graacutefica fuerza vs distancia esta graacutefica mostrada en la figura

415 permite ver los cambios de fuerza cuando la punta se acerca a la muestra si hay una gran

separacioacuten no hay interaccioacuten por lo tanto la fuerza seriacutea cero (en la liacutenea entre 1 y 2 no habriacutea

fuerzas electrostaacuteticas) En la posicioacuten 2 la punta pasa a estar en contacto debido a la fuerza

atractiva de Van Der Walls como la punta se mueve hacia la muestra entonces la fuerza total que

actuacutea sobre el cantileacutever es repulsiva Cuando la punta es arrastrada sobre la muestra las fuerzas

se reducen a lo largo de la liacutenea pasando de la posicioacuten 3 a la posicioacuten 4

Por debajo de la liacutenea de fuerza del diagrama dicha fuerza que actuacutea sobre el cantileacutever se

vuelve atractiva debido a la adhesioacuten En el punto 4 la fuerza es de adhesioacuten y la carga del

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cantileacutever apenas estaacute equilibrada la punta es tirada hacia afuera de la superficie debido a las

fuerzas de repulsioacuten

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta con la superficie del

sustrato (Fuente Rojas)

Modos de trabajo de un microscopio de fuerza atoacutemica

El AFM puede funcionar en distintos arreglos o modos experimentales estos modos se dividen

baacutesicamente en dos grupos modos de contacto continuo y modos dinaacutemicos Los modos de

contacto continuo fueron los primeros utilizados en los antildeos tempranos del AFM y su uso apenas

insinuaba la resolucioacuten nanomeacutetrica de la que el instrumento era capaz El meacutetodo dinaacutemico de

maacutes uso es el meacutetodo de contacto intermitente o tapping mode (Loacutepez y Solares 2014)

Modo contacto

El modo contacto es el disentildeo experimental maacutes simple en este modo la punta de la sonda se

encuentra en contacto perpetuo con la muestra por lo que tambieacuten es llamado modo estaacutetico La

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figura 416 muestra el funcionamiento del AFM en modo contacto Durante la toma de imaacutegenes

en modo contacto la variable control es la deflexioacuten de la micropalanca (anaacutelogo a la compresioacuten

o estiramiento de un resorte) La variable control es mantenida constante por medio de un circuito

de retroalimentacioacuten (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemica (Fuente Loacutepez y Solares)

El escaacutener sobre el que descansa la muestra se encarga de moverla con respecto a la

micropalanca en direccioacuten ldquoxyrdquo para realizar distintas liacuteneas de escaneo La micropalanca al

interactuar con la muestra sufre una deflexioacuten proporcional a la fuerza de interaccioacuten con la

superficie obedeciendo a la ley de Hooke (ecuacioacuten 49) En este circuito la sentildeal de deflexioacuten es

leiacuteda en el fotodetector y transmitida a la caja electroacutenica donde se compara el valor actual con el

punto de ajuste (setpoint) De acuerdo a esa diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal de salida

al escaacutener para ajustar la posicioacuten en el eje ldquozrdquo de la muestra si fuera necesario para mantener la

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variable control constante Como consecuencia de las exploraciones en ejes ldquoxyrdquo asiacute como los

cambios en ldquozrdquo se genera una imagen topograacutefica de la superficie de la muestra estudiada (Loacutepez

y Solares 2014)

= 119948119963∆119937 120786 120791

Donde

Fuerza arbitraria de magnitud F

∆119937 Compresioacuten del resorte

119948119963 Constante elaacutestica

Modo contacto intermitente

Eacuteste meacutetodo es comuacutenmente conocido como ldquotapping moderdquo en ingleacutes es el meacutetodo maacutes baacutesico

de los meacutetodos dinaacutemicos ademaacutes es el meacutetodo maacutes frecuente utilizado en AFM En este meacutetodo

la micropalanca se hace vibrar con amplitudes en el rango nanomeacutetrico (aproximadamente entre 5

y 200 nm) razoacuten por la que se le conoce como una teacutecnica de amplitudes ldquograndesrdquo El teacutermino

ldquograndesrdquo es relativo cuando se compra a otras teacutecnicas dinaacutemicas en la que la micropalanca puede

vibrar en el rango de los angstroms como en el caso de modulacioacuten de frecuencia en alto vaciacuteo

(Gross et al 2009)

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El AFM de contacto intermitente funciona con un circuito que controla la amplitud y se encarga

de mantenerla a un valor preestablecido (setpoint) En el circuito de modulacioacuten de amplitud ver

figura 417 la amplitud es calculada internamente con los valores de pendiente de la micropalanca

que lee el fotodetector Luego esa amplitud se compara con el valor preestablecido de amplitud y

si existe una diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal al escaacutener este se encarga de hacer la

correccioacuten en el eje ldquozrdquo para poder alcanzar el valor preestablecido y de esta forma mantener la

variable control (amplitud) constante Al igual que el meacutetodo de contacto las exploraciones en

ejes ldquoxyrdquo asiacute como los cambios en el eje ldquozrdquo generan una imagen topograacutefica de la superficie

estudiada (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitente (Fuente Loacutepez y Solares)

Los cambios topograacuteficos generan cambios en la amplitud de oscilacioacuten Por ejemplo si la

micropalanca se encuentra con una protuberancia la amplitud de la punta se veraacute reducida

temporalmente luego para compensar por esa peacuterdida de amplitud el escaacutener recibiraacute a traveacutes del

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circuito la sentildeal para mover la muestra hacia abajo con el objetivo de mantener la amplitud

preestablecida (setpoint) Es importante mencionar que en este modo se escoge una amplitud en el

experimento correspondiente a una fraccioacuten de la amplitud libre ver figura 417) Tanto la

amplitud libre de la punta como la fraccioacuten de la amplitud libre se escogen durante el experimento

la eleccioacuten de estos paraacutemetros antildeade complejidad si lo comparamos con el modo contacto donde

el usuario uacutenicamente se preocupa de una variable que es la deflexioacuten de la micropalanca (Loacutepez

y Solares 2014) Es por ello que en general el aumento del grado de sofisticacioacuten del meacutetodo en

AFM permite la recopilacioacuten de mayor informacioacuten pero al mismo tiempo requiere de mayor

juicio conocimiento y experiencia del usuario

Existen ecuaciones que sirven para determinar los distintos paraacutemetros de rugosidad de las

muestras a analizar de las cuales soacutelo se usaron dos en este trabajo de tesis que son

Desviacioacuten Promedio

119929119938 =120783

119951 sum|119962119946|

119951

120783

120786 120783120782

Desviacioacuten Estaacutendar

119929119954 = radic120783

119951 sum 119962119946

120784

119951

120783

120786 120783120783

Donde

119962119946 Distancia vertical desde la liacutenea principal hasta el i-eacutesimo punto de dato

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119951 Orden de los perfiles de rugosidad

119929119938 Desviacioacuten Promedio (Rugosidad Media)

119929119954 Desviacioacuten Estaacutendar (Rugosidad Cuadraacutetica Media)

Los anaacutelisis de rugosidad de las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

se realizaron con el equipo de Microscopiacutea de fuerza atoacutemica marca Bruker y modelo Dimension

Edge V-T 102

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CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

51 Difraccioacuten de Rayos X

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano

En la figura 51 se observan los picos de difraccioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

sintetizada a 300 y de las recocidas a las temperaturas de 400 450 119910 500 respectivamente

Los picos de difraccioacuten teoacutericos se encuentran en el anexo A Todas las muestras presentan

naturaleza policristalina y estructura hexagonal wurtzita con una clara orientacioacuten preferencial en

el plano (002) no se presentaron picos caracteriacutesticos del cobre debido al bajo porcentaje de

dopaje La intensidad del pico del plano (002) en las peliacuteculas sometidas a temperaturas de

recocido son mayores en comparacioacuten a la de la peliacutecula sin recocido presentando el mayor pico

a 450 mientras que el plano (100) aparece uacutenicamente en la peliacutecula recocida a 400 S

observoacute una disminucioacuten del tamantildeo del cristalito con la primera temperatura de recocido de alliacute

en adelante fue aumentando en cambio el paraacutemetro de red c fue disminuyendo con la temperatura

de recocido Todo esto puede ser quizaacutes a la sustitucioacuten de iones de cobre en los sitios del zinc

ingreso de iones de cobre a los intersticios (ya que el radio ioacutenico del zinc es casi del mismo tamantildeo

que el del cobre) o vacancias de iones de zinc u oxiacutegeno produciendo una deformacioacuten en la red

seguacuten Filali Torchynska Diacuteaz amp Morales (2015) Si iones Cu1 sustituyen a iones Zn2 en la

estructura cristalina existe un incremento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como

se observa en las peliacuteculas recocidas a 450 119910 500 pero si es el ion Cu2 el que sustituye a iones

Zn2 se observa un decrecimiento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como sucede en

las peliacuteculas de 300 400 119910 450

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Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con recocido (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la tabla 1 se muestran los valores calculados para el aacutengulo de Bragg del plano (002) la

distancia interplanar el paraacutemetro c el ancho completo de la mitad del maacuteximo y el tamantildeo del

cristalito

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Tabla 1

Tabla de valores para las propiedades estructurales

Datos obtenidos mediante DRX y caacutelculos (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra

120784120637(deg)

119941119945119948119949(Aring)

119836 (Aring)

FWHM 119811 (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3441 2604 5208 03221 2582

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 3448 2599 5198 04430 1878

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 3463 2588 5176 03161 2633

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 3458 2592 5184 02847 2923

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En la figura 52 se observa la relacioacuten entre el tamantildeo del cristalito y la temperatura de recocido

el recocido a 400 no fue suficiente para lograr aumentar el tamantildeo del cristalito es por eso que

disminuye considerablemente a partir de alliacute aumenta a medida que lo hace la temperatura

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica

521 Morfologiacutea y rugosidad

La figura 53 a-d muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas tomadas en AFM en dos

dimensiones barridas en un aacuterea de 5120583119898 119909 5120583119898 La superficie de las peliacuteculas no son homogeacuteneas

son rugosas con tamantildeo de grano variable Para a) se observa que el crecimiento del grano se dio

en forma de montantildeas en b) el crecimiento del grano cambioacute draacutesticamente y se dio en forma de

espiral esto puede ser debido al reordenamiento de los aacutetomos que se dio al someter la peliacutecula a

la temperatura de recocido para c) mejoroacute la cristalinidad y la forma de crecimiento fue

nuevamente como montantildea esto concuerda con el aumento del valor del tamantildeo del cristalito y

para d) la cristalinidad volvioacute a mejorar en concordancia con el tamantildeo del cristalito que aumento

un poco maacutes Esto es debido a que el incremento del tamantildeo del cristalito causa un aumento en la

rugosidad seguacuten Saidani et al (2006)

Para cada peliacutecula se hicieron tres mediciones en diferentes zonas para determinar los

paraacutemetros de rugosidad siendo sus valores promedio Rugosidad Promedio (119877119886) 000611 120583119898 y

la Rugosidad Cuadraacutetica Media (119877119902) 0007843 120583119898 que son mostrados en la tabla 2

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Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 ordmC c) rec a 450 ordmC

y d) rec a 500 ordmC (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la figura 54 a b c y d se muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas ahora en tres

dimensiones en estas imaacutegenes se observa mucho mejor el cambio de la cristalinidad y la

morfologiacutea para cada peliacutecula la rugosidad (Ra) aumenta en funcioacuten de la temperatura de recocido

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 c) rec a 450 y

d) rec a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

En la tabla 2 se han registrado los valores de la rugosidad media (Ra) y la rugosidad cuadraacutetica

media (Rq) para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

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Tabla 2

Tabla de valores de las rugosidades

Datos obtenidos mediante el software del equipo de afm (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra 119929119954 (120641119950) 119929119938 (120641119950)

ZnOCu 3 vol sin recocido 0007843 0006110

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 0006960 0005336

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 0011033 0008840

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 0011933 00095733

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En la figura 55 se observa la rugosidad media (Ra) en funcioacuten de la temperatura de recocido

con lo cual se puede confirmar que a medida que aumenta la temperatura de recocido aumenta la

rugosidad de la peliacutecula a partir de 400

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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53 Espectrometriacutea UV-Vis

531 Transmitancia

En la figura 56 se observan los espectros de transmitancia oacuteptica de las peliacuteculas delgadas de

ZnOCu 3 vol sintetizadas por el meacutetodo de rociado piroliacutetico a 300 ordmC y las sometidas a

temperaturas de recocido de 400 ordmC 450 ordmC y 500 ordmC obtenidas por espectrofotometriacutea UV-Vis

en el rango de longitudes de onda de 300 a 750 nm

Las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin recocido y con recocido presentan alta

transmitancia (gt80) esto se debe al dopaje con cobre seguacuten Bunyod Allabergenov et al (1946)

La muestra recocida a 500 ordmC presenta la mayor transmitancia (gt80) en el rango de 500 a 600

nm

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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532 Absorbancia y energiacutea del gap

En la figura 57 se puede ver el espectro de absorbancia para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol

sin y con recocido

El pico de absorbancia para todas las peliacuteculas se tiene aproximadamente en 375 nm luego

decae hasta hacerse casi nula para todas las peliacuteculas esto se debe al dopaje con cobre seguacuten

Bunyod Allabergenov (1946)

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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Se utilizoacute el modelo de Tauc para calcular la energiacutea del gap en cada peliacutecula El dopaje con

cobre disminuyoacute la energiacutea del gap a 3256 eV comparaacutendola con el valor teoacuterico (337 eV)

mientras que al someter las peliacuteculas a temperaturas de recocido se observa que el valor de la

energiacutea del gap cambia ligeramente siendo 3256 3263 y 3257 eV para las peliacuteculas recocidas a

400 450 119910 500 respectivamente a diferencia de lo reportado por Mathew (2015) esto se deba

quizaacutes a que la cantidad de cobre no fue la suficiente para lograr la disminucioacuten de la energiacutea del

gap

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para la peliacutecula recocida a

400 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y derecha para la peliacutecula

recocida a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la tabla 3 se han registrado los valores de la energiacutea del gap para las muestras sin y con

recocido de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol

Tabla 3

Tabla de valores de la Energiacutea del Gap

Datos obtenidos usando la relacioacuten de Tauc (Fuente Elaboracioacuten Propia)

Muestra Energiacutea del Gap (eV)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 400 deg119914 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 450 deg119914 3263

ZnOCu 3 vol recocido a 500 deg119914 3257

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CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES

bull Utilizando la teacutecnica de rociado piroliacutetico se obtuvo la peliacutecula delgada de ZnOCu

3 vol siendo la temperatura de siacutentesis de 300ordmC sobre un sustrato de vidrio marca

Pearl

bull Los patrones de difraccioacuten de rayos X nos ayudaron a determinar los picos de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol obtenieacutendose como resultado

un crecimiento preferencial en la direccioacuten del plano (002) siendo la muestra recocida

a 450 ordmC la que presentoacute el pico maacutes elevado Esto es caracteriacutestico de la estructura

hexagonal wurtzita

bull El tamantildeo del cristalito aumenta a medida con la temperatura de recocido a partir de

400 ordmC

bull El paraacutemetro c disminuye a medida que aumenta la temperatura de recocido

bull Las imaacutegenes obtenidas por AFM muestran que la rugosidad media (Ra) de las

peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol aumentaron a medida que aumenta la

temperatura de recocido a partir de 400 ordmC

bull La espectrofotometriacutea UV-Vis revela que todas las muestras de ZnOCu 3 vol

presentan alta transmitancia (gt80) a partir de 400 nm hasta los 750 nm siendo la

muestra recocida a 500ordmC la que presenta mayor transmitancia (gt90) en el rango de

500 a 600 nm

bull La absorbancia a partir de 400 nm es casi nula en todas las muestras

bull La energiacutea del gap se mantiene casi constante con la temperatura de recocido

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CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS

bull Se sugiere incrementar el nuacutemero de capas de la peliacutecula delgada ya que se si bien es

cierto que si se pudieron observar los patrones de difraccioacuten estos presentan ruido en

su graacutefica y se cree que esto puedo mejorar haciendo maacutes gruesa la peliacutecula

bull Se sugiere incrementar el rango de temperaturas de recocidos para poder obtener maacutes

detalles acerca de la influencia de eacutesta temperatura en las propiedades que se quieran

analizar de las peliacuteculas delgadas

bull Se sugiere realizar el dopaje con otros porcentajes de cobre para obtener maacutes

informacioacuten acerca de la influencia de esto en las propiedades a estudiar

bull Se sugiere calcular los esfuerzos por deformacioacuten

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71

REFERENCIAS

Acosta D R y Magantildea C R (2012) Oacutexidos conductores transparentes (119885119899119874 minus 1198781198991198742) Para

Remediacioacuten Ambiental Por Procesos Fotocataliacuteticos Muestra de proyectos ambientales

de tu ciudad Instituto de Fiacutesica de la Universidad Nacional Autoacutenoma de Meacutexico

Meacutexico DF

Alamri S N y Brinkman W A (2000) The effect of the transparent conductive oxide on the

performance of thin film CdSCdTe Solar cells J Phys D Appl Phys 33(1)

Aacutelvaro A D (2014) Estudio de Peliacuteculas Delgadas de 1198821198743 depositadas por la teacutecnica de

Sputtering Reactivo (tesis de pregrado) Cimav Chihuahua Meacutexico

American Society For Testing Materials Copper and Copper Alloys Annual Book of ASTM

Standards Vol21 (2) (ASTM International West Conshohocken PA) Revisado

anualmente

Askeland D (1998)Ciencia e Ingenieriacutea de los MaterialesUsa Thomson

Bedia F Z Bedia A N Maloufi N Aillerie M Gent F y Benyoucef B (2014) Effect

of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray

pyrolysis technique Journal of Alloys and Compounds 616 312ndash318

Benharrats F Zitouni K Kadri A y Gil B (2010) Determination of piezoelectric and

spontaneous polarization fields in CdxZn1ndashxOZnO quantum wells grown along the polar

(0001) direction Superlattices and Microstructures 47 592ndash596

Bubert H y Jenett H (2002) Surface and Thin Films Analysis Alemania Wiley

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

72

Bunyod A Oybek T Amir I A Jeong S W y Sungjin K (1946) Study of optical

properties in cu-doped zno thin films fabricated by dc magnetron sputtering Kumoh

National Institute of Technology (KIT) Metallkunde 37 40-4

Caglar Y Aksoy S Ilican S y Caglar M (2009) Crystalline structure and morphological

properties of undoped and Sn doped ZnO thin films Superlattices and Microstructures

46 469-475

Crystallography Open Database (2018) Recuperado de

httpwwwcrystallographynetcod1011258html

Deinert J (2016) Zinc Oxide Surfaces and Interfaces Electronic Structure and Dynamics of

Excited States (tesis postdoctoral) Department of Physics Technische Universitaumlt

Berlin Berlin Alemania

Filali B E Torchynska T V Diacuteaz C A y Morales R M (2015) Structural and raman

scattering studies of ZnO Cu nanocrystals grown by spray pyrolysis Revista Mexicana

de Ingenieriacutea Quiacutemica 14(3) 781-788

Gross L Mohn F Liljeroth P Repp J Giessibl FG y Meyer G (2009) Measuring the

charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy Science 324(5933)

1428-1431

Gurumurugan y Mangalaraj (1995) Structural Characterization of zinc oxide thin films

deposited by sol-gel Journal of Crystal Growth 147 335-360

Hafdallah A Herissi I Chergui N Kebaili Z Aida M y Attaf N (2018) Structural and

optical properties of ZnO thin films deposited by pyrolysis spray method effect of Al

doping Nanotechnology Letters

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BIBLI

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IENCIA

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

73

Hernaacutendez S S (2014) Preparacioacuten y Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de ZnO y

ZnOAl por la teacutecnica de Rociacuteo Piroliacutetico Para su Aplicacioacuten en Celdas Solares (tesis de

maestriacutea) Instituto Politeacutecnico Nacional Altamira Meacutexico

Hirata G A McKittrick J Siqueiros J Loacutepez O A Cheeks T Contreras O y Yi J Y

(1996) High transmittance-low resistivity ZnOGa films by laser ablation Journal of

Vacuum Science amp Technology A Vacuum surfaces and films 14(3) 791-794

Jeong S H Park B N Yoo D G y Boo J H (2007) Al-ZnO thin films as transparent

conductive oxides synthesis characterization and application tests Journal of the

Korean Physical Society 50(3) 622-625

Jijoy P M Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties of

Transition Metal Doped ZnO Thin Films IOP Conf Series Materials Science and

Engineering 731-5 doi 1010881757-899X

Kane J Schweizer H P y Kern W (1976) Chemical Vapor Deposition of Antimony-Doped

Tin Oxide Films Formed from Dibutyl Tin Diacetate Journal of the Electrochemical

Society 126(2) 270-277

Koumllble Ch Greiner D Klaer J Klenk R Meeder A y Ruske F (2009) DC reactive

sputtering of aluminum doped zinc oxide films for solar modules controlled by target

voltage Thin Solid Films 520 1913-1917

Leoacuten L H (2014) Efecto de la temperatura de recocido en la resistividad eleacutectrica de las

peliacuteculas de SnO2 sintetizadas por rociado piroliacutetico (tesis de pregrado) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

74

Liu H Avrutin V Izyumskaya N Oumlzguumlr Uuml y Morkoccedil H (2010) Transparent conducting

oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices Superlattices

and Microstructures 48 458ndash484

Loacutepez W Castro P Molina J y Arbey J (2011) Estabilidad y estructura electroacutenica del

ZnO Revista Colombiana de Fiacutesica 43 (I)

Loacutepez G Morales R Olea O Saacutenchez V Trujillo J Varela V y Vilchis A (2013)

Nanoestructuras metaacutelicas Siacutentesis caracterizacioacuten y aplicaciones Meacutexico DF

Meacutexico Reverteacute

Loacutepez E A y Solares S D (2014) El microscopio de fuerza atoacutemica meacutetodos y aplicaciones

Revista 28 de la Universidad del Valle de Guatemala 14-23

Mathew J P Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties

of Transition Metal Doped ZnO Thin Films Mat Sci and Eng 73 1-5

Minami T (2008) Present status of transparent conducting oxide thin-film development for

Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes Thin Solid Films 516 5822-5828

Mizuhashi M (1980) Electrical properties of vacuum-deposited indium oxide and indium tin

oxide films Thin Solid Films 70(1) 91-100

Mooney J B amp Rading S B (1982) Spray Pyrolysis Processing Annual Reviews of

Materials Science 12 81-101

Noriega D E (2015) Efecto de la temperatura del sustrato en los esfuerzos residuales de las

peliacuteculas de ZnO sintetizadas por Rociado Piroliacutetico (tesis de Maestriacutea) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

Pan C A y Ma T P (1980) High-quality transparent conductive indium oxide films

prepared by thermal evaporation Applied Physics Letter 37(2) 163

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ICAS

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AS

75

Peacuterez M L (2005) Fabricacioacuten y Caracterizacioacuten Oacuteptica Estructural y Eleacutectrica de Peliacuteculas

Delgadas Transparentes de Oacutexidos de Estantildeo Circonio y Zinc (tesis de doctorado)

Instituto Politeacutecnico Nacional Meacutexico DF Meacutexico

Rahmani M B Keshmiri S H Shafiei M Latham K Wloarski W Plessis J du y

Kalantar-Zadeh K (2009) Transition from n- to p- Type of Spray Pyrolysis Deposited

Cu Doped ZnO Thin Films for NO2 Sensing ASP 7 1-8

Ramiacuterez C M (2015) Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de 119885119899119874 1198661198863+ Obtenidas Por La

Teacutecnica de Sol-Gel (tesis de pregrado) Universidad Tecnoloacutegica de la Mixteca

OaxacaMeacutexico

Rojas F S (2013) Influencia de la temperatura de recocido de las peliacuteculas de ZnO

compuestas con nanopartiacuteculas de Au sobre el crecimiento de Nanorods (tesis de

pregrado) Universidad Nacional de Trujillo Trujillo La Libertad Peruacute

Rozati S M (2008) Effect of film thickness on the physical properties of ZnOAl thin films

deposited using a spray pyrolysis technique Canadian J Phys 86 379ndash382

Ruumlcker N y Becker K J (1978) Life stability of transparent semiconducting oxide films

deposited onto cold substrates Thin Solids Films 53(2) 163-167

Sahay PP y Nath RK (2008) Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG)

sensors Sensors and ActuatorsB(133) 222ndash227

Saidani T Zaabat M Aida M S Benoboud A Benzitouni S y Boudine A (2014)

Influence of annealing temperature on the structural morphological and optical properties

of Cu doped ZnO thin films deposited by the sol-gel method Superlattices and

Microstructures 75 47-53

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AS

76

Ghandi S K Field R J y Shealy J R (1980) Highly oriented zinc oxide films grown by the

oxidation of diethylzinc Applied Physics Letters 37(5) 449

Waal H y Simons F (1981) Tin oxide coatings Physical properties and applications Thin

Solid Films 77 253-258

Wang L Zhang X Zhao S Zhou G Zhou Y y Qi J (2005) Synthesis of well-aligned

ZnO nanowires by simple physical vapor deposition on c-oriented ZnO thin films without

catalyst or additives App Phy Lett 86(2)

Wolgamott J C (2017) Analysis of Zinc Oxide Thin Films Synthesized by Sol-Gel via Spin

Coating (tesis de maestriacutea) The University of Wisconsin-Milwaukee USA

Yan Y Al-Jassim M M y Wei S (2006) Doping of ZnO by group-IB element Applied

Physics Letters 89

Zhon L W (2004) Nanostructures of Zinc Oxide Materials today 7 26-33

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ANEXOS

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ANEXO A

Valores Teoacutericos Del Zno

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnO (Fuente En liacutenea)

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ANEXO B

Caacutelculo de la distancia interplanar

La distancia interplanar fue calculada a partir de la Ley de Bragg

119941 =120640

120784 119852119842119847 120637

Doacutende d es la distancia interplanar 120582 es la longitud de onda de rayos X (15405981 A) y 120579 es

el aacutengulo de Bragg

Se tomoacute como plano de referencia el (002)

Para la muestra sin tratamiento de recocido el aacutengulo fue 2120579 = 3441deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120782120787deg

119941 = 120784 120788120782120786 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3448deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120786deg

119941 = 120784 120787120791120791 119808

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80

Para la muestra recocida a 450deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3463deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120785120783120787deg

119941 = 120784 120787120790120790 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3458deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120791deg

119941 = 120784 120787120791120784 119808

Caacutelculo del paraacutemetro c

El paraacutemetro de red C fue calculado para cada muestra con la foacutermula

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784

Doacutende h=k=0 y l=2 reemplazando estos datos tenemos

119940 = 119949 119941119945119948119949

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

81

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119940 = (120784)120784 120788120782120786 119808

119940 = 120787 120784120782120790 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120791 119808

119940 = 120787 120783120791120790 119808

Para la muestra recocida a 450deg119862

119940 = (120784)120784 120787120790120790 119808

119940 = 120787 120783120789120788 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120784 119808

119940 = 120787 120783120790120786 119808

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Caacutelculo del tamantildeo de grano

Para calcular el tamantildeo del cristalito se utilizoacute la ecuacioacuten de Debye-Scherrer

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637

Doacutende K es la constante que es 09 para partiacuteculas esfeacutericas 120582 es la longitud de onda de los

rayos X (15405981 A) 120573 es la mitad del ancho del maacuteximo (FWHM) pico que para nuestro caso

fue el que correspondiacutea al plano (002) y estaacute dado en radianes y 120579 es el aacutengulo de Bragg

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120788120784120783) 119836119848119852 120783120789 120784120782120787deg119808

119915 = 120784120787 120790120784 119951119950

Para la muestra recocida a 400deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120789120789120785120783) 119836119848119852 120783120789 120784120786deg119808

119915 = 120783120790 120789120790 119951119950

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Para la muestra recocida a 450deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120787120783120789) 119836119848119852 120783120789 120785120783120787deg119808

119915 = 120784120788 120785120785 119951119950

Para la muestra recocida a 500deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120786120791120788120789) 119836119848119852 120783120789 120784120791deg119808

119915 = 120784120791 120784120785 119951119950

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ANEXO C

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada

Se realizoacute una pequentildea incisioacuten en la peliacutecula con una navaja de tal forma que la peliacutecula pueda

ser desprendida pero que no produzca rayaduras en el sustrato y utilizando el Meacutetodo Section del

Software NanoScope Analysis version 140 se calculoacute la distancia vertical y horizontal en tres

regiones para obtener un promedio con lo cual seriacutea el espesor aproximado de la peliacutecula

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b) Imagen 3D del escaloacuten

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Tabla 4

Tabla de datos de las alturas horizontales y verticales

Datos obtenidos para calcular el espesor de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 (Elaboracioacuten Propia)

Calculando el promedio de las distancias verticales

(189441 + 184037 + 170941)119899119898 = 544419 119899119898

544419119899119898

3= 181473 119899119898

El grosor de la peliacutecula fue 181 473 nm

Este proceso se realizoacute para todas las muestras en la tabla 5 se muestran los valores

correspondientes cada peliacutecula

Tabla 5

Tabla de valores del espesor de cada peliacutecula

Muestra Espesor (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 181473

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 179596

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 181210

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 183498

Datos calculados para el espesor de cada peliacutecula (Fuente Elaboracioacuten propia)

N Distancia Horizontal Distancia Vertical

1 3249 (microm) 189441 (nm)

2 3679 (microm) 184037 (nm)

3 3914 (microm) 170941 (nm)

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86

ANEXO D

Caacutelculo de los valores de Rugosidad

Se calculoacute el promedio de la rugosidad media y la rugosidad cuadraacutetica media para cada

peliacutecula El aacuterea de anaacutelisis en todas las muestras fue 3um x 1um y los valores fueron obtenidos

por el sensor de altura en el software de AFM Dimension Edge VT-112

Muestra Sin Rec

Figura D 1 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra sin rec

Tabla 6

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rec

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000751 000589

ZONA 2 000849 000646

ZONA 3 000753 000598

PROMEDIO 000784 000611

Datos para el promedio de la rugosidad de ZnOCu 3 vol Sin Rec (Elaboracioacuten Propia)

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87

Muestra Rec a 120786120782120782

Figura D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 400 ordmC

Tabla 7

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

Muestra Rec a 120786120787120782

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000634 000506

ZONA 2 000769 000590

ZONA 3 000685 000505

PROMEDIO 000696 000534

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88

Figura D3 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 450 ordmC

Tabla 8

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00112 000903

ZONA 2 00110 000872

ZONA 3 00109 000877

PROMEDIO 00110 000884

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89

Muestra Rec a 120787120782120782

Figura D4 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 500 ordmC

Tabla 9

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec 500 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00119 000956

ZONA 2 00120 000969

ZONA 3 00119 000947

PROMEDIO 00119 000957

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90

ANEXO E

Caacutelculo de la energiacutea del gap

Se utilizoacute la foacutermula 46

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material que es igual a la absorbancia dividida por

el espesor de la peliacutecula 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ es la constante de Planck 120584 es

la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

Haciendo los caacutelculos respectivos en Excel obtuvimos los valores de ℎ120584 y (120572ℎ120584)2

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauc

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91

Luego graficamos esto usando Origin 8 y trazando la recta hasta el intercepto con el eje x

obtuvimos el valor de la energiacutea del gap Esto se hizo para todas las peliacuteculas

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas las peliacuteculas

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AS

Page 10: FÍSICAS INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO …

x

43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol 38

44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten 40

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX) 40

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis) 43

443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM) 47

CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN 55

51 Difraccioacuten de Rayos X 55

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano 55

52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica 59

521 Morfologiacutea y rugosidad 59

53 Espectrometriacutea UV-Vis 64

531 Transmitancia 64

532 Absorbancia y energiacutea del gap 65

CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES 69

CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS 70

REFERENCIAS 71

ANEXOS 77

ANEXO A 78

Valores Teoacutericos Del Zno 78

ANEXO B 79

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xi

Caacutelculo de la distancia interplanar 79

Caacutelculo del paraacutemetro c 80

Caacutelculo del tamantildeo de grano 82

ANEXO C 84

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada 84

ANEXO D 86

Caacutelculo de los valores de Rugosidad 86

Muestra Sin Rec 86

Muestra Rec a 400 87

Muestra Rec a 450 87

Muestra Rec a 500 89

ANEXO E 90

Caacutelculo de la energiacutea del gap 90

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xii

IacuteNDICE DE FIGURAS

Capiacutetulo 2

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn

de color gris oscurohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnOhelliphelliphelliphelliphellip8

Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles

de fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Capiacutetulo 3

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipohelliphelliphellip16

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica de para un proceso de CVDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

Figura 34 Ruta Quiacutemica para el proceso de Sol-Gelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

Figura 35 Esquema del equipo de Rociado Piroliacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes

isla y (c) por islashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

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xiii

Capiacutetulo 4

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

Figura 43 Sustratos en detergentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenicohelliphellip31

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en hornohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica33

Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip34

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphellip35

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula

delgada de ZnOCu 3 vol helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

Figura 411 Diagrama de flujo del Proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadashelliphelliphellip39

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del

sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta

con la superficie del sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitentehelliphelliphelliphelliphelliphellip52

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xiv

Capiacutetulo 5

Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con

recocidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip58

Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 ordmC c) rec a 450 ordmC y d) rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 c) rec a 450 y d) rec a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y

con recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con

recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para

la peliacutecula recocida a 400 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y

derecha para la peliacutecula recocida a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

Anexos

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b)

Imagen 3D del escaloacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84

Figura D1 a Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra sin rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

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Figura D2 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 400 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87

Figura D3 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 450 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88

Figura D4 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 500 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas

las peliacuteculashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91

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IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de valores para las propiedades estructuraleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

Tabla 2 Tabla de valores de las rugosidadeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

Tabla 3 Tabla de valores de la Energiacutea del Gaphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

Tabla 4 Tabla de datos de las alturas horizontales y verticaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 5 Tabla de valores del espesor de cada peliacuteculahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 6 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

Tabla 7 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87

Tabla 8 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88

Tabla 9 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

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CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN

Los materiales desarrollados a base de oacutexidos transparentes y conductores (por sus siglas en

ingleacutes TCOs) han recibido una gran aceptacioacuten en la comunidad cientiacutefica debido a sus muacuteltiples

aplicaciones en la industria optoelectroacutenica ya que sus propiedades de alta transparencia y baja

resistividad los hacen aptos para aplicaciones en celdas solares sensores de gases (Koumllble et al

2009) pantallas planas pantallas de cristal liacutequido ventanas electro-croacutemicas entre otros

Los TCOs son semiconductores que se caracterizan por tener altos valores de transmisioacuten oacuteptica

(~ 80 ) en el intervalo visible y bajas resistividades (lt 10minus3Ω119888119898) seguacuten Minami (2008)

Algunos de los oacutexidos metaacutelicos preparados en forma de peliacutecula delgada que son o pueden ser

utilizados como conductores transparentes son oacutexido de cadmio (119862119889119874) oacutexido de estantildeo (1198781198991198742)

ITO (11986811989921198743 119878119899) FTO (1198781198991198742 119865) y AZO (119885119899119874 119860119897)(Alamri amp Brinkman 2000)

Uno de los oacutexidos conductores transparentes comuacutenmente utilizados debido a su alta

transmitancia en el visible gt 80 y su baja resistividad del orden de 10minus4Ω119888119898 es el oacutexido de

indio dopado con estantildeo (ITO) seguacuten Minami (2008) Pero debido a la rareza del indio en la tierra

su costo es elevado Otro oacutexido conductor transparente que ha llamado fuertemente la atencioacuten es

el CdO que es un semiconductor degenerado porque los estados en el fondo de la banda de

conduccioacuten se encuentran ocupados por lo tanto presenta alta conductividad sin necesidad de ser

dopado (Bhosale Kambale Kokate amp Rajpure 2005)

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Sin embargo ya que el Cd es muy toacutexico la unioacuten europea a traveacutes de la directiva de restriccioacuten

de sustancias peligrosas lo catalogoacute entre los 6 elementos restringidos para su uso en dispositivos

eleacutectricos y optoelectroacutenicos Debido a esta restriccioacuten es necesario buscar otras alternativas una

de ellas es el ZnO ya que presenta alta conductividad eleacutectrica seguacuten Jeon Park Yoo amp Boo

(2007) altos valores de transmitancia en la regioacuten visible del espectro electromagneacutetico (Hirata et

al 1996) bajo costo alta disponibilidad y no toxicidad

El oacutexido de Zinc es reconocido como un semiconductor porque tiene un ancho de banda de 337

eV a temperatura ambiente posee una gran energiacutea libre de unioacuten de excitones alta estabilidad

propiedades fiacutesicas oacutepticas etc (Benharrats Zitouni Kadri y Gil 2010)

Una peliacutecula delgada se encuentra en el rango de 1 119886 100 119899119898 (Loacutepez et al 2013) Para que

una peliacutecula delgada sea considerada como eficaz debe ser quiacutemicamente estable en el entorno a

usar debe adherirse bien a la superficie que cubre (sustrato) debe tener un espesor uniforme y

debe tener una baja densidad de imperfecciones (Leoacuten 2014)

Dentro de los diversos meacutetodos para obtener peliacuteculas delgadas tenemos el de rociado piroliacutetico

que puede ser maacutes barato simple y versaacutetil a comparacioacuten de otros meacutetodos Las propiedades de

las peliacuteculas rociadas pueden faacutecilmente adaptarse para las aplicaciones requeridas

Adicionalmente tambieacuten es un meacutetodo de deposicioacuten adecuado cuando se necesitan peliacuteculas de

grandes aacutereas (Rahmani et al 2009)

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El meacutetodo de rociado piroliacutetico es un proceso en el cual una peliacutecula delgada es depositada

mediante el rociado de una solucioacuten en una superficie caliente donde los constituyentes reaccionan

para formar un compuesto quiacutemico Los reactantes quiacutemicos son seleccionados de tal forma que

los productos distintos al del compuesto deseado sean volaacutetiles a la temperatura de deposicioacuten

(Mooney amp Rading 1982)

Las caracteriacutesticas estructurales eleacutectricas y oacutepticas de las peliacuteculas delgadas de ZnO han sido

ampliamente investigadas mientras que el efecto del dopado sobre estas propiedades auacuten estaacuten

siendo estudiadas (Rozati 2008 Caglar Ilikan y Caglar 2009) Las peliacuteculas de ZnO pueden

doparse con Al3+ (Sahay amp Nath 2008) Sn4+ y Sn5+ (Bedia et al 2014) F1- Cu1+ Ag1+ Ga3+

In3+ (Liu Avrutin Izyumskaya Oumlzguumlr y Morkoccedil 2010)

Elegir el Cu como dopante para las peliacuteculas delgadas de ZnO es una buena opcioacuten ya que

influye en las propiedades oacutepticas estructurales quiacutemicas y eleacutectricas del ZnO y el estudio del

estado electroacutenico del Cu en ZnO ha venido siendo el tema de intereacutes por mucho tiempo ya que

son uno de los componentes principales en celdas fotovoltaicas (Bunyod 1946)

El efecto de la temperatura de recocido sobre las peliacuteculas delgadas de ZnOCu estaacute siendo

estudiada minuciosamente debido a que se han reportado casos en los cuales disminuye la banda

del gap y aumenta el esfuerzo a medida que aumenta dicha temperatura (Jijoy Varguese amp

Mathew 2015)

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En el presente trabajo de investigacioacuten se realizoacute la siacutentesis de peliacuteculas delgadas de ZnOCu

3 por el meacutetodo de rociado piroliacutetico sobre un sustrato de vidrio a una temperatura de 300 ordmC y

luego sometida a temperaturas de recocido entre 400- 500 ordmC La caracterizacioacuten de las peliacuteculas

antes y despueacutes del recocido se realizoacute mediante DR-X UV-Vis y AFM

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CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO

21 Oacutexido de Zinc

El oacutexido de zinc es un compuesto inorgaacutenico relativamente abundante quiacutemicamente estable

y no toacutexico es insoluble en agua pero soluble en aacutecidos y bases diluidas su punto de fusioacuten es de

1975 ordmC temperatura a la que tambieacuten se descompone es un semiconductor formado por los

elementos del grupo-II ( 119885119899)30 y el grupo-VI ( 1198748

) El zinc tiene cinco isoacutetopos estables de los

cuales los maacutes comunes son el zinc 64 (4889 ) zinc 66 (2781 ) y el zinc 68 (1857 )

mientras que el oxiacutegeno consiste casi puramente en el isoacutetopo de oxiacutegeno 16 (9976 ) seguacuten

Loacutepez Castro Molina y Arbey (2011)

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO

Cada aacutetomo de zinc se encuentra rodeado por un tetraedro de 4 aacutetomos de oxiacutegeno y viceversa

tal y como se muestra en la figura 21 formando de esta manera una combinacioacuten alternada de

planos de aacutetomos oxiacutegeno y de planos de aacutetomos de zinc las cuales se encuentran a lo largo del

eje c con un desplazamiento entre ellos de 038c siendo c su paraacutemetro de red en la direccioacuten

vertical Los valores de los paraacutemetros de red para dicho material en condiciones normales de

presioacuten y temperatura son a = 032495 nm y c = 052069 nm (Hernaacutendez 2014)

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Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn de color gris oscuro

(Fuente Hernaacutendez)

Su estructura puede describirse como un nuacutemero de planos alternantes que estaacuten compuestos

por iones de oxiacutegeno 1198742minus e iones de zinc 1198851198992+ que se encuentran alternados en el eje c esta

estructura tetraeacutedrica es la que le confiere su baja simetriacutea y lo que resulta en sus propiedades de

piezoelectricidad (Hernaacutendez 2014)

Otra importante caracteriacutestica del ZnO es su superficie polar siendo la maacutes comuacuten la del plano

basal Los iones de zinc y oxiacutegeno generan superficies cargadas positiva para (119885119899 minus (0001)) y

negativa para (119874 minus (0001)) lo que resulta en un momento dipolar normal y una polarizacioacuten

espontaacutenea La estabilidad de la superficie polar 119885119899119874 plusmn (0001) es materia de estudio tambieacuten es

atoacutemicamente plana y estable sin reconstruccioacuten (Hafdallah et al 2018 Zhon 2004)

El zinc tiene una configuracioacuten electroacutenica (1119904)2(2119904)2(2119901)6(3119904)2(3119901)6(3119889)10(4119904)2 mientras

que la configuracioacuten electroacutenica del oxiacutegeno es (1119904)2(2119904)2(2119901)4 El enlace de ZnO en su red

cristalina involucra una hibridacioacuten 1199041199013 de los estados electroacutenicos lo cual lleva a cuatro orbitales

equivalentes en una geometriacutea tetraeacutedrica En el cristal semiconductor resultante los estados de

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enlace 1199041199013 constituyen la banda de valencia mientras que la banda de conduccioacuten se origina de su

contraparte de anti-enlace seguacuten Deinert (2016)

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO

Estructuralmente el oacutexido de zinc tiene tres tipos de direcciones raacutepidas de crecimiento las

cuales son lang2110rang ( plusmn[2110] plusmn[1210] plusmn[1120] ) lang0110rang ( plusmn[0110] plusmn[1010]

plusmn[1100] ) y plusmn[0001] El ZnO exhibe un amplio rango de nuevas estructuras que pueden ser

desarrolladas ajustando las tasas de crecimiento a lo largo de esas direcciones Uno de los mayores

factores que determinan la morfologiacutea implican las actividades superficiales relativas de diversas

facetas de crecimiento bajo condiciones dadas Macroscoacutepicamente un cristal tiene diferentes

paraacutemetros cineacuteticos para diferentes planos del cristal los cuales son controlados bajo condiciones

de crecimiento Asiacute despueacutes de un periodo inicial de incubacioacuten y nucleacioacuten un cristalito

comuacutenmente se convertiraacute en un objeto tridimensional bien definido con caras cristalograacuteficas de

bajo iacutendice La figura 2 de a) al c) muestran unas morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento en una

dimensioacuten para el ZnO dichas estructuras tienden a maximizar las aacutereas de las caras (2110) y

(0110) debido a la maacutes baja energiacutea y la morfologiacutea mostrada en la parte d) es dominada por las

superficies polares las cuales pueden ser crecidos mediante la introduccioacuten de defectos planares

paralelos a las superficies polares Los defectos planares y gemelos son observados ocasionalmente

paralelos al plano (0001) pero rara vez se pueden observar dislocaciones (Zhon 2004)

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Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnO (Fuente Zhon)

24 El Cobre y Sus Propiedades

El cobre con nuacutemero atoacutemico 29 y peso atoacutemico de 6354 exhibe una estructura cristalina cuacutebica

centrada en las caras El cobre es un elemento de transicioacuten y al ser un metal noble tiene

propiedades inherentes similares a las de la plata y el oro Tambieacuten posee excelente conductividad

maleabilidad resistencia a la corrosioacuten y biofuncionalidad El cobre tiene alta solubilidad para

otros elementos tales como el niacutequel el zinc el estantildeo y el aluminio Esta solucioacuten soacutelida de la

fase alfa (120572) es la responsable de la alta ductilidad exhibida para aleaciones de cobre Las adiciones

maacutes allaacute del liacutemite de solubilidad resultan en la fase beta (120573) la cual exhibe una estructura cuacutebica

de cuerpo centrado esta fase beta tiene alta estabilidad de temperatura y las aleaciones que exhiben

una estructura 120572 + 120573 tienen una excelente capacidad de formacioacuten en caliente La densidad del

cobre es 889 1198921198881198983 y su punto de fusioacuten es 1083 Seguacuten American Society For Testing

Materials la cual es revisada anualmente

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25 Dopado al Oacutexido de Zinc

Los elementos del grupo IB como el cobre la plata y el oro no parecen de tanto intereacutes como

sus contrapartes del grupo IA y VA pero actualmente se vienen trabajando con estos elementos

ya que cambian las propiedades del ZnO esto podriacutea significar que una sustitucioacuten con zinc podriacutea

resultar un defecto de aniquilador de electrones Aunque estos pueden ser considerados costosos

la plata y el cobre podriacutea ser una alternativa maacutes econoacutemica en comparacioacuten con otros elementos

que han sido usados como dopantes al fin de cuentas estas poseen una conductividad uacutenica

(Wolgamott 2017)

Las figuras 23 24 y2 5 muestran las energiacuteas de formacioacuten por defecto para el ZnO dopado

con cobre plata y oro estas cifras junto con un caacutelculo hecho por Yan Al-Jassim ampWei (2006)

muestran que bajo condiciones ricas en oxiacutegeno los elementos del grupo IB tienen una baja energiacutea

de formacioacuten para la sustitucioacuten del zinc Esta misma condicioacuten rica en oxiacutegeno tambieacuten suprime

la formacioacuten de defectos nativos en el agujero de perforacioacuten aumentando asiacute la posibilidad de

una peliacutecula delgada de ZnO dopado del tipo p (Wolgamott 2017)

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Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

El cobre y la plata ofrecen una mejor ruta para la reproduccioacuten de peliacuteculas delgadas de ZnO

del tipo p El dopaje con nitroacutegeno solo es favorable en condiciones ricas en zinc esto aumenta la

probabilidad de que se formen defectos por la formacioacuten de agujeros para compensar Para

ajustarse a esto teacutecnicas de procesamiento novedoso y no equilibrado deben ser usadas esta

dificultad aumenta los costos de procesamiento y reduce la reproduccioacuten de tales (Wolgamott

2017)

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Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

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CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE

PELIacuteCULAS DELGADAS

Una variedad de teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas han sido empleadas para el

depoacutesito de oacutexidos conductores trasparentes tales como el oacutexido de estantildeo (SnO2) dopado con

antimonio (SnO2 ∶ Sb) o con fluorina (SnO2 ∶ F) el oacutexido de indio(In2O3) dopado con estantildeo

(In2O3 ∶ Sn) el oacutexido de zinc (ZnO) dopado con indio (ZnO ∶ In) Ya que el transporte oacuteptico y

eleacutectrico en estas peliacuteculas depende fuertemente de su estequiometria su microestructura y de la

naturaleza de las impurezas presentes por lo tanto cada teacutecnica de deposicioacuten con los paraacutemetros

asociados produce peliacuteculas con diferentes propiedades Dependiendo de queacute teacutecnica de

deposicioacuten se use el sustrato influiraacute significativamente en las propiedades de las peliacuteculas Los

sustratos de vidrio son los de uso comuacuten para estos procesos Los procesos a baja temperatura tales

como la pulverizacioacuten catoacutedica con magnetroacuten la pulverizacioacuten ioacutenica con haz de iones y el

recubrimiento ioacutenico reactivo permiten la deposicioacuten de las peliacuteculas de oacutexido sobre el sustrato de

poliacutemero como el plaacutestico Mylar y poly (Teraftalato de etileno) Seguacuten Waal amp Simons (1981)

el coeficiente de expansioacuten teacutermica del sustrato afecta las propiedades eleacutectricas de las peliacuteculas

especialmente en procesos como los de rociado piroliacutetico y de inmersioacuten en los cuales las tensiones

intriacutensecas son inducidas dentro de la peliacutecula El coeficiente de expansioacuten teacutermica influye en la

orientacioacuten preferente del cristalito en las peliacuteculas de ZnO (Ghandhi Field amp Shealy 1980)

El proceso que implica deposiciones a altas temperaturas el efecto de la difusioacuten de iones

alcalinos desde el sustrato de vidrio hacia la peliacutecula se vuelve extremadamente importante (Kane

Schweizer amp Kern 1976) Los cationes actuacutean como agentes dopantes de tipo-p y compensan los

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donantes nativos El problema es grave en los sustratos de vidrio Soda-lime los cuales tienen un

alto contenido en sodio alrededor del 10-15 peso 1198731198862119874 En La figura 31 podemos observar

los tipos de procesos para la obtencioacuten de peliacuteculas delgadas

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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31 Procesos Fiacutesicos

311 Evaporacioacuten teacutermica

Peliacuteculas delgadas de IO (oacutexido de indio) (Pan amp Ma 1980) ITO (oacutexido de indio dopado con

estantildeo) (Mizuhashi 1980) y ZnO (Wang et al 2005) han sido depositadas por evaporacioacuten

teacutermica o por haz de electrones de fuentes de oacutexido Debido a su alto punto de fusioacuten el TO

(oacutexido de estantildeo) ha sido depositado por haz de electrones (Mizuhashi 1980) Cuando los oacutexidos

puros o mixtos se evaporan se reducen y forman peliacuteculas opacas de oacutexidos inferiores Por lo tanto

los oacutexidos transparentes conductores son obtenidos por post-oxidacioacuten de peliacuteculas inferiores o

por introduccioacuten del oxiacutegeno durante la evaporacioacuten (Ruumlcker amp Becker 1978)

La cineacutetica de oxidacioacuten de sub-oacutexidos la dependencia de la resistividad y la transmisioacuten en el

sustrato y las temperaturas de oxidacioacuten han sido estudiadas para peliacuteculas de ITO (Mizuhashi

1980) La opacidad de las peliacuteculas depositadas ha sido atribuida a la presencia de indio libre en

una matriz de In2O3 que resulta de la reduccioacuten de especies de In2O que estaacuten presentes en la

fase de vapor

La post-oxidacioacuten del indio libre es a traveacutes de un proceso controlado por difusioacuten y las

propiedades eleacutectricas y oacutepticas finales de las peliacuteculas estaacuten determinadas por las tasas relativas

de oxidacioacuten y difusioacuten del indio (Mizuhashi 1980)

En el caso de la oxidacioacuten durante la deposicioacuten la temperatura del sustrato y la presioacuten parcial

de oxiacutegeno son los principales paraacutemetros de control para el proceso que han sido estudiados por

Mizuhashi (1980) que obtuvo peliacuteculas de ITO de buena calidad con una presioacuten parcial de

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oxiacutegeno de 10minus4 Torr y una temperatura de sustrato de 400 con una tasa de deposicioacuten de

aproximadamente 50 Å 119898119894119899minus1 para el O2 puro

De lo anterior se puede concluir que para obtener peliacuteculas altamente transparentes y

conductoras por evaporacioacuten es necesario que la presioacuten parcial del oxiacutegeno sea alta (suficiente

para oxidar casi todo el indio) que la temperatura del sustrato sea la adecuada y que la tasa de

evaporacioacuten sea raacutepida (para suprimir la disociacioacuten de In2O3)

312 Sputtering

El Sputtering o pulverizacioacuten catoacutedica es una de las teacutecnicas maacutes usadas para la deposicioacuten de

peliacuteculas conductoras transparentes Esta teacutecnica se basa esencialmente en un bombardeo intenso

de un material con iones producidos en una descarga eleacutectrica en forma de plasma cuando la

energiacutea de los iones incidentes es suficientemente elevada entonces la interaccioacuten con la superficie

del material a traveacutes de intercambio de momento cineacutetico hace que los aacutetomos de la superficie

sean arrancados para pasar a la fase de vapor La figura 32 muestra un esquema de las etapas del

proceso El caacutetodo el cual estaacute conectado a la terminal negativa de la fuente de alimentacioacuten estaacute

formado por el material a evaporar que tambieacuten es llamado blanco o sputtering target estaacute

sometido al bombardeo intenso de los iones positivos de la descarga una vez que son acelerados

desde el plasma como consecuencia de la caiacuteda de potencial asociada El bombardeo de los iones

produce no solo el efecto de sputtering o pulverizacioacuten del blanco sino tambieacuten la emisioacuten de

electrones secundarios que son acelerados hacia el plasma Una vez en el plasma estos electrones

tienen la energiacutea suficiente para producir nuevos iones mediante procesos de ionizacioacuten en cascada

por impacto con los aacutetomos del gas compensando asiacute la perdida de carga producida por colisiones

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de las especies cargadas en las paredes de la caacutemara de vaciacuteo Se dice que la descarga es auto

mantenida (Aacutelvaro 2014)

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipo (Fuente Aacutelvaro)

El gas de la descarga suele ser un gas inerte de masa elevada con el objeto de aumentar la

transferencia del momento cineacutetico a los aacutetomos del blanco por razones de precio en la mayoriacutea

de las aplicaciones el gas utilizado es argoacuten con una masa atoacutemica de 40 los sustratos a recubrir

estaacuten colocados sobre el aacutenodo aunque se pueden situar sobre un soporte auxiliar frente al caacutetodo

El electrodo que actuacutea de aacutenodo suele estar conectado al potencial de tierra junto con la caacutemara

de vaciacuteo por razones de seguridad A diferencia de la teacutecnica de evaporacioacuten teacutermica la trayectoria

de las partiacuteculas pulverizadas no es rectiliacutenea ya que a presiones de trabajo alrededor de

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10minus3 mbar el recorrido libre medio es del orden de unos pocos mm Los aacutetomos evaporados

pueden alcanzar al sustrato desde cualquier direccioacuten despueacutes de sufrir una serie de colisiones en

la atmosfera de sputtering en las cuales sufren una peacuterdida de su energiacutea inicial Por lo tanto los

problemas de direccionalidad y los de homogeneidad del espesor de la capa depositada son

menores que en la evaporacioacuten teacutermica Al mismo tiempo los aacutetomos del gas inerte y la radiacioacuten

procedente del plasma tambieacuten interaccionan con la superficie de los sustratos produciendo

efectos laterales De hecho existe la posibilidad de que aacutetomos del gas inerte puedan contaminar

la capa depositada en el sustrato al quedar atrapados en su interior durante el crecimiento (Aacutelvaro

2014)

32 Procesos Quiacutemicos

321 CVD

La deposicioacuten quiacutemica por vapor (Chemical Vapor Deposition) es un proceso antiguo que data

del 1800 En este tiempo esta teacutecnica fue usada principalmente para producir materiales

refractores de alta pureza tales como el zirconio y el titanio Despueacutes de la segunda guerra mundial

los investigadores comenzaron a darse cuenta de las ventajas potenciales que ofreciacutea el CVD

Esta teacutecnica consiste en la deposicioacuten por vapor sobre una superficie caliente Esto pertenece a

las teacutecnicas de transferencia de vapor Con esta teacutecnica la liacutenea de visioacuten con la superficie de

recubrimiento no es necesaria por lo tanto permite la deposicioacuten en superficies complejas tambieacuten

posee una alta tasa de deposicioacuten y puede ser usado para recubrimientos gruesos esto permite la

co-deposicioacuten de los elementos y no requiere de un proceso de alto vaciacuteo

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La figura 33 muestra un CVD tiacutepico El primer paso es la activacioacuten teacutermica de los precursores

quiacutemicos para formar el vapor este a su vez es transportado a traveacutes de una caacutemara caliente en

donde el sustrato estaacute colocado en esta caacutemara la reaccioacuten gaseosa ocurre y los reactantes son

depositados en la superficie del sustrato con lo cual resulta la formacioacuten de la peliacutecula Los

subproductos volaacutetiles son desorbidos desde la peliacutecula y removidos de la caacutemara por medio de la

conveccioacuten

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica para un proceso de cvd (Fuente En liacutenea)

Un proceso tiacutepico de CVD requiere de temperaturas altas que la reaccioacuten de fase gaseosa ocurra

esto no soacutelo aumenta los costos de proceso sino que tambieacuten limita los tipos de sustratos donde la

peliacutecula delgada puede ser depositada Los precursores quiacutemicos con alta presioacuten de vapor que se

necesitan para el CVD son en su mayoriacutea toacutexicos y peligrosos para trabajar con ellos Finalmente

los subproductos de la reaccioacuten gaseosa que no permanecen en el sustrato pueden ser toacutexicos e

incluso corrosivos La neutralizacioacuten de estos subproductos implicariacutea un aumento del costo de

produccioacuten

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322 Sol-Gel

Esta teacutecnica de crecimiento es un proceso quiacutemico huacutemedo realizado a bajas temperaturas que

permite fabricar materiales amorfos y poli cristalinos estos uacuteltimos se obtienen despueacutes de un

tratamiento teacutermico En el meacutetodo Sol-Gel se puede controlar la composicioacuten quiacutemica estructura

cristalina y morfologiacutea superficial de las peliacuteculas ajustando los paraacutemetros de procesamiento tales

como relacioacuten molar entre los reactivos cantidad y naturaleza de los precursores disolventes

catalizadores aditivos e impurificantes Este proceso sigue la ruta quiacutemica que muestra en la figura

34 este parte de una solucioacuten inicial compuesta por un alcoacutexido metaacutelico por agua y por un

disolvente al que se le agrega un catalizador que puede ser tanto aacutecido como baacutesico Las reacciones

de hidroacutelisis y condensacioacuten se desencadenan a fin de sintetizar una suspensioacuten coloidal de

partiacuteculas soacutelidas o cuacutemulos en un liacutequido llamado Sol A medida que la reaccioacuten continua aumenta

la viscosidad de la solucioacuten hasta la forma del Gel el cual estaacute constituido de dos partes una soacutelida

que corresponde a las partiacuteculas de oacutexido y una liacutequida que es el disolvente inicial del Sol Luego

de esto se inicia un periodo de secado en condiciones normales de presioacuten y temperatura en el cual

se lleva a cabo la eliminacioacuten del disolvente y del agua residual de tal modo que el Gel se encogeraacute

obtenieacutendose un xerogel Al teacutermino del tiempo de secado generalmente se tienen disolventes y

agua para solucionar esto se somete a un tratamiento teacutermico (Ramiacuterez 2015)

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Figura 34 Ruta quiacutemica para el proceso de sol-gel (Fuente Ramiacuterez)

323 Rociado Piroliacutetico

Esta teacutecnica consiste en la pulverizacioacuten de una solucioacuten que contiene los iones metaacutelicos del

oacutexido que se quiere producir sobre un sustrato que se encuentra a una temperatura elevada El

precursor del material a ser fabricado se disuelve en metanol o etanol esta solucioacuten denominada

solucioacuten precursora es transformada en partiacuteculas muy finas mediante un nebulizador formando

una especie de vapor la solucioacuten nebulizada se transporta hacia el sustrato caliente con ayuda de

un gas portador (aire comprimido) de tal manera que llega al sustrato en forma de gota pequentildea

La pirolisis se produce en la superficie caliente del sustrato dando lugar a la peliacutecula delgada como

producto de la descomposicioacuten del compuesto quiacutemico por accioacuten del calor los componentes

reactivos de la solucioacuten precursora se seleccionan de tal modo que los productos de la reaccioacuten

quiacutemica que no intervienen en la formacioacuten de la peliacutecula sean volaacutetiles a la temperatura de trabajo

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Esto requiere del anaacutelisis del precursor quiacutemico tanto de la fase liacutequida como de la fase gaseosa

y una exploracioacuten de las reacciones superficiales que llevan a la formacioacuten de la peliacutecula delgada

En este proceso de fabricacioacuten de peliacuteculas delgadas un factor muy importante es la uniformidad

del tamantildeo de las gotas generadas

Cuando el vapor de la solucioacuten se aproxima al sustrato en condiciones ideales se espera que el

solvente se vaporice totalmente provocando la descomposicioacuten de los componentes no volaacutetiles

(Leoacuten 2014) En la figura 35 se muestra un esquema del equipo detallando cada parte

componente del mismo

Figura 35 Esquema del equipo de rociado piroliacutetico (Fuente Acosta amp Magantildea)

Piroacutelisis La reaccioacuten piroliacutetica la cual determina la cineacutetica del depoacutesito se efectuacutea cuando el

rociacuteo entra en contacto con el sustrato caliente y seguacuten el tamantildeo de las gotas se produciraacute

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diferentes procesos dependientes del comportamiento teacutermico de las gotas A continuacioacuten se

detallan 4 procesos diferentes seguacuten el tamantildeo de la gota

Gotas de tamantildeo muy pequentildeo

La reaccioacuten se completa durante el transporte antes de llegar al sustrato y se produce un polvo

del material sobre el sustrato la facilidad de este proceso es que puede ser faacutecilmente removido

Gotas de tamantildeo ideal

El solvente pasa a la fase gaseosa completamente antes de alcanzar el sustrato las partiacuteculas

precipitadas se fusionan vaporizan y se difunden sobre la superficie del sustrato En este proceso

las partiacuteculas producidas sufren procesos de adsorcioacuten difusioacuten superficial reaccioacuten de

nucleacioacuten por lo tanto determinan el crecimiento del recubrimiento El resto de los productos de

la reaccioacuten se volatilizan y se difunden fuera del sustrato

Gotas de tamantildeo mediano

El solvente de las gotas se vaporiza al llegar al sustrato dejando partiacuteculas precipitadas de los

reactantes los cuales se fusionan en la superficie del sustrato y causan enfriamiento localizado

obtenieacutendose recubrimientos de baja calidad

Gotas de tamantildeo grande

La energiacutea teacutermica absorbida por la gota durante el transporte al sustrato no es suficiente para

que el solvente se pueda evaporar por completo El solvente residual se evaporaraacute en el sustrato

formando estructuras no homogeacuteneas

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Para lograr la selectividad de las gotas que llegaraacuten al sustrato se graduacutea la longitud entre lo

boquilla y el sustrato Considerando que la fuerza gravitacional es proporcional a 1199033 siendo r el

radio de la gota Las gotas de radios mayores al valor criacutetico no pueden ser transportadas por el

gas portador y por lo tanto regresan al nebulizador En las cercaniacuteas del sustrato se forma una

niebla de la solucioacuten con una distribucioacuten uniforme de gotas de tamantildeo pequentildeo requisito

importante para la obtencioacuten de recubrimientos delgados de buena calidad

Las fuerzas que determinan el recorrido de las gotas por la tobera son la gravitacional y la fuerza

de Stokes debido a la friccioacuten entre la gota y las moleacuteculas de aire seguacuten Silva (2013)

119917119956 = 120788120645120636119955(119959119941 + 119959119938) [120783 +120785

120790119929119942] 120784 120783

119917 = 119950119944 120784 120784

En donde 120578 es la viscosidad de la gota 119903 es el radio de la gota 119907119889 es la velocidad de la gota 119907119886

es la velocidad del aire y 119877119890 es el nuacutemero de Reynolds

El nuacutemero de Reynolds para partiacuteculas esfeacutericas en un flujo gaseoso es

119929119942 = 120784119955(119959119941 + 119959119938)

120636120633119938 120784 120785

En donde 120575119886 es la densidad del aire

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Cuando estas dos fuerzas alcanzan el equilibrio (119865 = 119865119904) las gotas viajan con velocidad

constante denominada velocidad liacutemite (119907119889119897) Al resolver la ecuacioacuten cuadraacutetica que nos da el

igualar las ecuaciones 21 y 22 tenemos

119959119941119949 = minus (119939

120784) + (

119939120784

120786minus 119940)

120783120784

120784 120786

En donde

119939 =120786120636

120785119955120633119938minus 120784119959119938 119962 119940 = 119959119938

120784 minus120786120636

120785119955120633119938119959119938 + (120633(119931) +

119924119956119924

120783120782120785)

120790119955

120784120789120633119938

Siendo 120575(119879) la densidad del solvente a temperatura T 119872119904 el peso molar del soluto y M la

molaridad de la solucioacuten (Leoacuten 2014)

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas

Los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas en sus etapas iniciales se

pueden ver en la figura 36 una vez que la partiacutecula se ha condensado de la fase gaseosa puede

inmediatamente re-evaporarse o difundirse sobre la superficie este proceso de difusioacuten puede

conducir a la adsorcioacuten especialmente en sitios como orillas y otros defectos (M Peacuterez 2005)

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Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas delgadas (Fuente M

Peacuterez)

Las energiacuteas de activacioacuten para la adsorcioacuten y difusioacuten dependen de los detalles atoacutemicos del

proceso en particular y la nucleacioacuten de maacutes de una partiacutecula adsorbida puede ocurrir En equilibrio

termodinaacutemico todos los procesos ocurren o proceden en dos direcciones opuestas a la misma

rapidez Por lo tanto en el equilibrio no hay un crecimiento neto de una partiacutecula y por lo tanto el

crecimiento del cristal debe ser un proceso cineacutetico de no equilibrio Desde un enfoque

fenomenoloacutegico existen tres modos diferentes del crecimiento de peliacuteculas como se observa en la

figura 37 (M Peacuterez 2005)

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes isla y (c) por islas

(Fuente M Peacuterez)

El crecimiento de peliacuteculas delgadas es descrito por minimizacioacuten de la energiacutea libre superficial

de la capa superior (120574119904119906119901) del sustrato (120574119904) y de la energiacutea libre de la interfase (120574119894119899119905) el cual

estaacute descrito por Δ120574 = 120574119904 minus 120574119904119906119901 minus 120574119894119899119905 (Leoacuten 2014 Aacutelvaro 2014)

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331 Modo de crecimiento capa por capa (120491120632 gt 120782)

Donde la interaccioacuten entre el sustrato y los aacutetomos de las capas es maacutes fuerte que entre los

mismos aacutetomos de las capas (Leoacuten 2014)

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas

Corresponde a un caso intermedio despueacutes de la formacioacuten de una o de muchas mono-capas

completas ocurre la formacioacuten de islas El crecimiento de islas 3D crece sobre la primera o la

uacuteltima mono capa (Leoacuten 2014 Ramiacuterez 2015)

333 Modo de crecimiento por islas (120491120632 lt 120782)

Es el caso en el que la interaccioacuten entre los aacutetomos que conforman las peliacuteculas es maacutes fuerte

(Leoacuten 2014)

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CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO

Realizar la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas sobre el sustrato requiere una cuidadosa

optimizacioacuten La siacutentesis de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se realizoacute por el meacutetodo de rociado

piroliacutetico con paraacutemetros optimizados como son la molaridad del precursor la temperatura del

sustrato la presioacuten de aire del compresor el flujo de aire y la distancia de la boquilla al sustrato

El objetivo de este trabajo de tesis fue analizar el efecto de la temperatura de recocido en un

rango de 400 minus 500 sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

En este capiacutetulo se detalla el procedimiento que se utilizoacute para la siacutentesis de las peliacuteculas

delgadas La limpieza del sustrato tambieacuten es una parte importante en la fabricacioacuten de las peliacuteculas

delgadas ya que es en donde se realizaraacute el depoacutesito y por lo tanto debe encontrarse libre de

impurezas y grasa

41 Materiales Equipos e Instrumentos

Como sustrato en donde se depositoacute la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se usoacute un vidrio

(Figura 41) con un aacuterea de 762 times 254 1198981198982

Para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol se utilizaron como precursores el Acetato de Zinc

Dihidratado [119885119899(1198621198673119862119874119874)2 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995) el Cloruro de Cobre

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dihidratado [1198621199061198621198972 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995 ) y como solvente etanol absoluto

[C2H5OH] del laboratorio Merck (998)

Para la limpieza de los sustratos se utilizoacute un agitador ultrasoacutenico (figura 42) y un horno

eleacutectrico marca Oster (119879119898aacute119909 = 400 )

Para lograr la uniformidad al momento de mezclar los materiales precursores se utilizoacute un

agitador magneacutetico (Hot Plate Stirring VWR)

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearl (Fuente Elaboracioacuten Propia)

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Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratos (Fuente Elaboracioacuten propia)

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42 Meacutetodo

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos

Para una buena deposicioacuten de la peliacutecula el sustrato a utilizar debe estar libre de impurezas

asegurando una oacuteptima adherencia

El proceso de limpieza de los sustratos empezoacute por la colocacioacuten de eacutestos en un depoacutesito que

conteniacutea agua potable y detergente marca Ariel por un tiempo de 5 minutos (Figura 43) luego se

trasladoacute a otro depoacutesito que conteniacutea aacutecido niacutetrico [1198671198731198743] al 65 durante 15 minutos en seguida

se procedioacute a enjuagarlos con agua ultrapura despueacutes se colocoacute en recipiente que conteniacutea agua

ultrapura y fueron puestos en el agitador ultrasoacutenico por 15 minutos (Figura 44) Pasado este

tiempo se retiraron los sustratos y se colocaron dentro del horno marca Oster por 10 min a 205

(Figura 45)

Figura 43 Sustratos en detergente (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenico (Fuente Elaboracioacuten propia)

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en horno (Fuente Elaboracioacuten propia)

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422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

Preparacioacuten de la solucioacuten precursora

Para la preparacioacuten de la solucioacuten se calculoacute la cantidad en gramos que debemos tener del

precursor en nuestro caso el acetato de zinc di-hidratado Para ello se utilizoacute la siguiente foacutermula

119950(119944) = 119924 times 119917119934 times 119933119952119949(119930119952119949 ) times 119927119958119955119942119963119938 120786 120783

Doacutende

m (g) Masa en gramos del precursor

M Molaridad (molLitro)

FW masa molar (gmol)

Vol (Sol) Volumen de la solucioacuten (Litros)

Pureza Porcentaje de pureza del precursor

La masa molar del acetato de zinc di-hidratado es de 21949 gmol el volumen de etanol que

se preparoacute fue 0020 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120784120783120791 120786120791

119944

119950119952119949) (120782 120782120784120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120786120785120790120789120788

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La masa del precursor fue medida con una balanza analiacutetica marca Mettler Toledo (plusmn01 119898119892)

ver figura 46

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica (Fuente Elaboracioacuten propia)

En un recipiente se mezclaron la masa medida del acetato de zinc di-hidratado y los 20 ml de

etanol que llamaremos mezcla 1

Para lograr uniformidad en la solucioacuten esta fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a una

temperatura de 60 durante 2 h (Figura 47) resultando transparente y homogeacutenea

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Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

La masa molar del cloruro de cobre di-hidratado es de 17048 gmol el volumen que se preparoacute

fue 0010 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120783120789120782 120786120790

119944

119950119952119949) (120782 120782120783120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120783120789120782120785120791

La masa de los precursores fue medida nuevamente con la balanza analiacutetica marca Mettler

Toledo (plusmn01 119898119892)

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En otro recipiente se combinaron la masa medida del cloruro de cobre dihidratado y los 10 ml

de etanol que llamaremos mezcla 2 luego fue colocado en el agitador magneacutetico a temperatura

ambiente durante 15 min

Despueacutes de haber agitado magneacuteticamente cada precursor en otro recipiente se colocoacute 194 ml

de la mezcla 1 y se le agregoacute 06 ml de la mezcla 2 de tal forma que se pueda tenerse una

proporcioacuten 119881119900119897119862119906

119881119900119897119885119899= 3 A esta nueva solucioacuten llamaremos mezcla 3

Para lograr uniformidad la nueva solucioacuten fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a

temperatura ambiente durante 15 min (Figura 48) para lograr su homogeneidad

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Proceso de siacutentesis

Para la obtencioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se utilizoacute el equipo de rociado

piroliacutetico que se encuentra en la seccioacuten de Nanociencia y Nanomateriales del Laboratorio de

Fiacutesica de Materiales ldquoDr Lennart Haselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo ver figura

49

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3

vol (Fuente Elaboracioacuten propia)

Este equipo de rociado piroliacutetico utilizado en la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas consiste de

los siguientes componentes Compresor de aire (1) Controlador de presioacuten en el rango de 0 ndash 80

psi (2) Controlador de flujo de aire en el rango de 1 ndash 15 Lmin (3) Caacutemara de vidrio (4)

Termoacutemetro (5) Nebulizador (6) Boquilla o Tobera (7) Platea caliente (8) Soporte universal (9)

Dispositivo moacutevil con una rapidez de 2311990910minus3 119888119898 119904frasl (10) Fuente de alimentacioacuten DC de 0 ndash 12

V (11) Fuente de alimentacioacuten AC de 0- 40 V (12) y Termocupla y controlador de temperatura en

el rango de 0 minus 500 (13)

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Sobre el nebulizador se colocoacute una tobera de vidrio piacuterex por la que ascienden las gotas maacutes

pequentildeas hasta llegar al sustrato caliente sobre el cual se produjo el proceso de piroacutelisis El

conjunto nebulizador y tobera estaacute acoplado a un dispositivo moacutevil el cual se va desplazando en

la direccioacuten del sustrato con el fin de obtener un recubrimiento uniforme

Las siacutentesis de la peliacutecula se hizo a la temperatura de 300 plusmn 10 La presioacuten del compresor

y el flujo de aire se mantuvieron a 30 119901119904119894(~207 119896119875119886) 119910 5 119871119898119894119899 respectivamente La distancia

boquilla sustrato se mantuvo a 30 cm con el fin de que el flujo nebulizado dirigido hacia la

superficie del sustrato se mantenga laminar El desplazamiento de la tobera-boquilla a lo largo del

sustrato se hizo con una rapidez aproximada de 04 mms con intervalos de 40 plusmn 05 119898119894119899 entre

cada ida y vuelta tiempo necesario para mantener la temperatura estable y mejor cristalizacioacuten del

soacutelido El nuacutemero de capas que consideramos oacuteptimas en este trabajo fue de 6 seguacuten E Noriega

(2015)

Al teacutermino del proceso el sistema compuesto peliacuteculasustrato se dejoacute enfriar lentamente dentro

de la caacutemara hasta la temperatura ambiente por 15 horas con el fin de lograr una buena

cristalizacioacuten

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol

Para el tratamiento teacutermico se dividioacute el sustrato que conteniacutea la peliacutecula en 4 partes usando

una como muestra testigo (300 ) y las tres restantes sometieacutendolas por dos horas de

mantenimiento a las temperaturas de recocido de 400 450 119910 500 El horno donde se hizo el

recocido fue un Horno eleacutectrico Marca Brasimet ver figura 410 con una incertidumbre de plusmn5

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la figura 411 se puede ver un diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas

delgadas de ZnO Cu 3 vol

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Figura 411 Diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten

Para caracterizar las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol se emplearon las teacutecnicas de

difraccioacuten de rayos X (DRX) para determinar el tamantildeo del cristalito y la estructura la

espectrofotometriacutea ultravioleta visible (UV-Vis) para determinar la transmitancia absorbancia y

energiacutea del gap y por el uacuteltimo se utilizoacute el Microscopio de Fuerza Atoacutemica (AFM) para

determinar la morfologiacutea y rugosidad A continuacioacuten se describiraacuten brevemente estas teacutecnicas

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX)

La difraccioacuten de rayos X es una teacutecnica de caracterizacioacuten que sirve para analizar espectros

relacionados con la estructura de los materiales que son la constante de red estructura cristalina

identificacioacuten de materiales orientacioacuten de monocristales y orientaciones preferenciales de

policristales Los rayos X se caracterizan porque su longitud de onda variacutea de 01 minus 100 Å (Rayos

X fluorescencia online) En la figura 412 se puede ver un esquema de difraccioacuten de rayos X

basado en la ley de Bragg

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos x (Fuente Rojas)

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Cuando un haz de rayos X de una longitud de onda especiacutefica del mismo orden de magnitud de

las distancias interatoacutemicas del material llega a este los rayos X se dispersan en todas las

direcciones La mayor parte de la radiacioacuten dispersada por un aacutetomo anula la radiacioacuten dispersada

en otros aacutetomos Los rayos X que llegan a ciertos planos cristalograacuteficos formando aacutengulos

especiacuteficos con ellos se refuerzan en lugar de aniquilarse a este fenoacutemeno se llama difraccioacuten

Los rayos X se difractan o el haz se refuerza cuando las condiciones satisfacen la Ley de Bragg

119852119842119847 120637 =119951120640

120784119941119945119948119949 120786 120783

Donde 120579 es la mitad del aacutengulo que forman el haz difractado y el haz original n es el orden de

difraccioacuten 120582 es la longitud de onda de los rayos X 119889ℎ119896119897 es la distancia interplanar que produce

refuerzo del haz ℎ119896119897 son los iacutendices de Miller (Askeland 1998) La difraccioacuten ocurre siempre y

cuando se satisfaga la ley de Bragg por lo que no necesariamente cualquier direccioacuten arbitraria

produciraacute difraccioacuten

La informacioacuten obtenida se presenta en un graacutefico de intensidad en funcioacuten de 2120579 llamado

patroacuten de difraccioacuten Cada sustancia produce siempre un patroacuten de difraccioacuten caracteriacutestico

independientemente de que si se encuentra en un estado puro o formando parte de una mezcla de

sustancias (Askeland 1998)

Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

fueron obtenidos con el difractoacutemetro RIGAKU Miniflex-600 que opera en la geometriacutea Bragg-

Brentano donde la radiacioacuten 119862119906 119896120572 (120582 = 15406 Aring) fue utilizada como fuente de rayos X El

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equipo operoacute a 30 KV de voltaje y 10 mA de corriente el barrido se realizoacute en un aacutengulo de 2120579

con rango desde 20deg a 70deg con velocidad de escaneo de 5 deg119898119894119899

La identificacioacuten de los picos de difraccioacuten se comparoacute con la base de datos Card info 00-900-

8877 de la Crystallography Open Database mostrado en el anexo A

La distancia interplanar se calculoacute con la ley de Bragg para el primer orden (n=1) de difraccioacuten

de acuerdo a la ecuacioacuten 41 tendriacuteamos

119837 =120640

120784 119852119842119847 120637 120786 120784

En donde 120579 es el aacutengulo de incidencia y 120582 = 15405981 Aring

Paraacutemetros de red

Para identificar la constante de red c de la estructura de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se tomoacute

en cuenta la estructura hexagonal wurtzita cuya distancia interplanar estaacute relacionada con los

iacutendices de Miller de los planos (hkl) y las constantes de red a y c a traveacutes de la ecuacioacuten 43

(Askeland 1998) y con el tamantildeo de cristalito (119863)

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784 120786 120785

A partir de la ecuacioacuten 43 es posible determinar los paraacutemetros de la red cristalina Cuando se

incide sobre un cristal muy pequentildeo del orden de nanoacutemetros se produce un ensanchamiento del

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pico de difraccioacuten esto permite determinar el tamantildeo promedio del cristal (119863) por medio de la

ecuacioacuten de Scherrer (Gurumurugan amp Mangalaraj 1995)

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637 120786 120786

Donde D es el tamantildeo del cristalito K es el factor de forma (K=09 para esferas) 120582 es la longitud

de onda de los rayos X (120582 = 15405981 Aring ) 120573 es el ancho completo de la mitad del maacuteximo y se

encuentra en radianes por lo tanto hay que convertir los valores de (FWHM) que se encuentran en

grados multiplicaacutendolos por 120587 180degfrasl y 120579 es el aacutengulo de Bragg

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectrometriacutea UV-Vis se basa en la absorcioacuten de radiacioacuten UV o visible por parte de las

moleacuteculas y se emplea para analizar muestras en fase liacutequida o soacutelida La espectrometriacutea de

absorcioacuten implica la medida de la fraccioacuten de la luz de una longitud de onda que pasa a traveacutes de

una muestra la figura 413 muestra la geometriacutea del equipo la muestra no emite luz por siacute misma

por lo que se debe incluir una fuente de radiacioacuten El paso de la luz a traveacutes de un monocromador

o un filtro selecciona la longitud de onda para el anaacutelisis (Hernaacutendez 2014)

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Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vis (Fuente Hernaacutendez)

Durante el anaacutelisis de la muestra se hacen dos mediciones en la primera se mide la cantidad de

luz en funcioacuten de la longitud de onda que llega al transductor cuando se ha colocado un blanco

(vidrio) Se denomina 1198680 del blanco cuando la concentracioacuten del material analizado es cero

La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras (vidrio + peliacutecula) con la

medida del blanco (vidrio) Llamamos 119868 a la intensidad que se mide con las muestras o con el

estaacutendar La comparacioacuten que se hace implica la relacioacuten 1198681198680 con ambas intensidades medidas

en las mismas condiciones del instrumento (longitud de onda geometriacutea) Se utilizan tres teacuterminos

diferentes para expresar esta relacioacuten

El primero es simplemente la relacioacuten 1198681198680 y se denomina Transmitancia que es denotada por

la letra T

119931 =119920

119920120782 120786 120785

El segundo es el porcentaje de transmitancia

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119931 = 119931 lowast 120783120782120782 120786 120786

El tercero es el logaritmo negativo de T que se denomina Absorbancia y se denota con la letra

A

119912 = minus 119845119848119840119920

119920120782= minus 119845119848119840 119931 120786 120787

Para la determinacioacuten del ancho de banda de energiacutea prohibida la energiacutea del gap (119864119892) es

determinada del espectro experimental del coeficiente de absorcioacuten (120572) como una funcioacuten de la

energiacutea del fotoacuten (ℎ120592)

En los materiales de gap directo como el ZnO se utiliza la siguiente ecuacioacuten

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ

es la constante de Planck 120584 es la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

En una graacutefica (120572ℎ120584)2 119907119904 ℎ120584 el ajuste a una recta de la parte proacutexima a 120572 = 0 el intercepto

para la ordenada nula es el valor de la energiacutea prohibida Esta recta tiene una expresioacuten de la forma

119910 = 119898119909 + 119887 lo que se tiene que buscar es el valor de 119909 para 119910 = 0 esto es 119909 = minus119887119898

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La conversioacuten de la energiacutea del fotoacuten en funcioacuten de la longitud de onda se realiza mediante la

constante de Planck(ℎ) y la de la velocidad de la luz (119888) La frecuencia del fotoacuten se relaciona con

la longitud de onda a traveacutes de la siguiente ecuacioacuten

119940 = 120642120640 120786 120789

Entonces la energiacutea del fotoacuten se puede escribir en funcioacuten de la longitud de onda como

119916 =119945119940

120640 120786 120790

Por lo tanto la energiacutea del fotoacuten puede calcularse como 12398

120582(119899119898) Aplicando al caso del ZnO se

adquieren los valores de la longitud de onda y la transmitancia del vidrio y la medida se divide la

transmitancia medida entre la del vidrio para obtener la transmitancia de la peliacutecula Se transforma

la transmitancia en coeficiente de absorcioacuten y la longitud de onda en energiacutea (H Bubert amp Jenett

2002)

Los anaacutelisis de absorbancia y transmitancia para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con

tratamiento de recocido se realizaron con el espectroacutemetro UV-Vis marca Analytik Jena Modelo

Specord Plus 250 y con un barrido de longitud de onda de 300 nm a 800 nm

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443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)

Este meacutetodo inventado en 1985 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer pertenece al grupo de

teacutecnicas de microscopiacutea de fuerza de barrido un grupo de teacutecnicas que estaacuten basadas en la

medicioacuten de diferentes fuerzas como son la fuerza atractiva la gravitatoria la repulsiva la

magneacutetica la de Van Der Walls y la electrostaacutetica esta medicioacuten es hecha entre la punta fina y la

superficie de la muestra

La formacioacuten de la imagen se lleva a cabo mediante la medicioacuten de la fuerza de interaccioacuten a

traveacutes de la deflexioacuten de un cantileacutever Aunque diversos tipos de fuerzas se encuentran cuando una

punta se aproxima a la superficie de la muestra la generacioacuten de la sentildeal en el AFM se basa

esencialmente en fuerzas repulsivas interatoacutemicas que son de naturaleza de corto alcance

En el caso ideal se puede asumir ver figura 414 lo que significa que el contacto directo de la

punta con la superficie se la muestra se limita a un aacuterea muy pequentildea Como resultado de esto

siempre hay una fuerza repulsiva interatoacutemica en esta pequentildea aacuterea de contacto debido a la

penetracioacuten de las capas electroacutenicas de los aacutetomos de la punta y los de la superficie de la muestra

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Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del sustrato (Fuente Rojas)

La fuerza repulsiva interatoacutemica estaacute influenciada por la densidad total de electrones alrededor

de un aacutetomo y no soacutelo por los estados particulares de la energiacutea La interaccioacuten entre la punta y la

muestra puede ser descrita por una graacutefica fuerza vs distancia esta graacutefica mostrada en la figura

415 permite ver los cambios de fuerza cuando la punta se acerca a la muestra si hay una gran

separacioacuten no hay interaccioacuten por lo tanto la fuerza seriacutea cero (en la liacutenea entre 1 y 2 no habriacutea

fuerzas electrostaacuteticas) En la posicioacuten 2 la punta pasa a estar en contacto debido a la fuerza

atractiva de Van Der Walls como la punta se mueve hacia la muestra entonces la fuerza total que

actuacutea sobre el cantileacutever es repulsiva Cuando la punta es arrastrada sobre la muestra las fuerzas

se reducen a lo largo de la liacutenea pasando de la posicioacuten 3 a la posicioacuten 4

Por debajo de la liacutenea de fuerza del diagrama dicha fuerza que actuacutea sobre el cantileacutever se

vuelve atractiva debido a la adhesioacuten En el punto 4 la fuerza es de adhesioacuten y la carga del

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cantileacutever apenas estaacute equilibrada la punta es tirada hacia afuera de la superficie debido a las

fuerzas de repulsioacuten

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta con la superficie del

sustrato (Fuente Rojas)

Modos de trabajo de un microscopio de fuerza atoacutemica

El AFM puede funcionar en distintos arreglos o modos experimentales estos modos se dividen

baacutesicamente en dos grupos modos de contacto continuo y modos dinaacutemicos Los modos de

contacto continuo fueron los primeros utilizados en los antildeos tempranos del AFM y su uso apenas

insinuaba la resolucioacuten nanomeacutetrica de la que el instrumento era capaz El meacutetodo dinaacutemico de

maacutes uso es el meacutetodo de contacto intermitente o tapping mode (Loacutepez y Solares 2014)

Modo contacto

El modo contacto es el disentildeo experimental maacutes simple en este modo la punta de la sonda se

encuentra en contacto perpetuo con la muestra por lo que tambieacuten es llamado modo estaacutetico La

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figura 416 muestra el funcionamiento del AFM en modo contacto Durante la toma de imaacutegenes

en modo contacto la variable control es la deflexioacuten de la micropalanca (anaacutelogo a la compresioacuten

o estiramiento de un resorte) La variable control es mantenida constante por medio de un circuito

de retroalimentacioacuten (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemica (Fuente Loacutepez y Solares)

El escaacutener sobre el que descansa la muestra se encarga de moverla con respecto a la

micropalanca en direccioacuten ldquoxyrdquo para realizar distintas liacuteneas de escaneo La micropalanca al

interactuar con la muestra sufre una deflexioacuten proporcional a la fuerza de interaccioacuten con la

superficie obedeciendo a la ley de Hooke (ecuacioacuten 49) En este circuito la sentildeal de deflexioacuten es

leiacuteda en el fotodetector y transmitida a la caja electroacutenica donde se compara el valor actual con el

punto de ajuste (setpoint) De acuerdo a esa diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal de salida

al escaacutener para ajustar la posicioacuten en el eje ldquozrdquo de la muestra si fuera necesario para mantener la

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variable control constante Como consecuencia de las exploraciones en ejes ldquoxyrdquo asiacute como los

cambios en ldquozrdquo se genera una imagen topograacutefica de la superficie de la muestra estudiada (Loacutepez

y Solares 2014)

= 119948119963∆119937 120786 120791

Donde

Fuerza arbitraria de magnitud F

∆119937 Compresioacuten del resorte

119948119963 Constante elaacutestica

Modo contacto intermitente

Eacuteste meacutetodo es comuacutenmente conocido como ldquotapping moderdquo en ingleacutes es el meacutetodo maacutes baacutesico

de los meacutetodos dinaacutemicos ademaacutes es el meacutetodo maacutes frecuente utilizado en AFM En este meacutetodo

la micropalanca se hace vibrar con amplitudes en el rango nanomeacutetrico (aproximadamente entre 5

y 200 nm) razoacuten por la que se le conoce como una teacutecnica de amplitudes ldquograndesrdquo El teacutermino

ldquograndesrdquo es relativo cuando se compra a otras teacutecnicas dinaacutemicas en la que la micropalanca puede

vibrar en el rango de los angstroms como en el caso de modulacioacuten de frecuencia en alto vaciacuteo

(Gross et al 2009)

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El AFM de contacto intermitente funciona con un circuito que controla la amplitud y se encarga

de mantenerla a un valor preestablecido (setpoint) En el circuito de modulacioacuten de amplitud ver

figura 417 la amplitud es calculada internamente con los valores de pendiente de la micropalanca

que lee el fotodetector Luego esa amplitud se compara con el valor preestablecido de amplitud y

si existe una diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal al escaacutener este se encarga de hacer la

correccioacuten en el eje ldquozrdquo para poder alcanzar el valor preestablecido y de esta forma mantener la

variable control (amplitud) constante Al igual que el meacutetodo de contacto las exploraciones en

ejes ldquoxyrdquo asiacute como los cambios en el eje ldquozrdquo generan una imagen topograacutefica de la superficie

estudiada (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitente (Fuente Loacutepez y Solares)

Los cambios topograacuteficos generan cambios en la amplitud de oscilacioacuten Por ejemplo si la

micropalanca se encuentra con una protuberancia la amplitud de la punta se veraacute reducida

temporalmente luego para compensar por esa peacuterdida de amplitud el escaacutener recibiraacute a traveacutes del

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circuito la sentildeal para mover la muestra hacia abajo con el objetivo de mantener la amplitud

preestablecida (setpoint) Es importante mencionar que en este modo se escoge una amplitud en el

experimento correspondiente a una fraccioacuten de la amplitud libre ver figura 417) Tanto la

amplitud libre de la punta como la fraccioacuten de la amplitud libre se escogen durante el experimento

la eleccioacuten de estos paraacutemetros antildeade complejidad si lo comparamos con el modo contacto donde

el usuario uacutenicamente se preocupa de una variable que es la deflexioacuten de la micropalanca (Loacutepez

y Solares 2014) Es por ello que en general el aumento del grado de sofisticacioacuten del meacutetodo en

AFM permite la recopilacioacuten de mayor informacioacuten pero al mismo tiempo requiere de mayor

juicio conocimiento y experiencia del usuario

Existen ecuaciones que sirven para determinar los distintos paraacutemetros de rugosidad de las

muestras a analizar de las cuales soacutelo se usaron dos en este trabajo de tesis que son

Desviacioacuten Promedio

119929119938 =120783

119951 sum|119962119946|

119951

120783

120786 120783120782

Desviacioacuten Estaacutendar

119929119954 = radic120783

119951 sum 119962119946

120784

119951

120783

120786 120783120783

Donde

119962119946 Distancia vertical desde la liacutenea principal hasta el i-eacutesimo punto de dato

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119951 Orden de los perfiles de rugosidad

119929119938 Desviacioacuten Promedio (Rugosidad Media)

119929119954 Desviacioacuten Estaacutendar (Rugosidad Cuadraacutetica Media)

Los anaacutelisis de rugosidad de las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

se realizaron con el equipo de Microscopiacutea de fuerza atoacutemica marca Bruker y modelo Dimension

Edge V-T 102

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CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

51 Difraccioacuten de Rayos X

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano

En la figura 51 se observan los picos de difraccioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

sintetizada a 300 y de las recocidas a las temperaturas de 400 450 119910 500 respectivamente

Los picos de difraccioacuten teoacutericos se encuentran en el anexo A Todas las muestras presentan

naturaleza policristalina y estructura hexagonal wurtzita con una clara orientacioacuten preferencial en

el plano (002) no se presentaron picos caracteriacutesticos del cobre debido al bajo porcentaje de

dopaje La intensidad del pico del plano (002) en las peliacuteculas sometidas a temperaturas de

recocido son mayores en comparacioacuten a la de la peliacutecula sin recocido presentando el mayor pico

a 450 mientras que el plano (100) aparece uacutenicamente en la peliacutecula recocida a 400 S

observoacute una disminucioacuten del tamantildeo del cristalito con la primera temperatura de recocido de alliacute

en adelante fue aumentando en cambio el paraacutemetro de red c fue disminuyendo con la temperatura

de recocido Todo esto puede ser quizaacutes a la sustitucioacuten de iones de cobre en los sitios del zinc

ingreso de iones de cobre a los intersticios (ya que el radio ioacutenico del zinc es casi del mismo tamantildeo

que el del cobre) o vacancias de iones de zinc u oxiacutegeno produciendo una deformacioacuten en la red

seguacuten Filali Torchynska Diacuteaz amp Morales (2015) Si iones Cu1 sustituyen a iones Zn2 en la

estructura cristalina existe un incremento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como

se observa en las peliacuteculas recocidas a 450 119910 500 pero si es el ion Cu2 el que sustituye a iones

Zn2 se observa un decrecimiento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como sucede en

las peliacuteculas de 300 400 119910 450

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Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con recocido (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la tabla 1 se muestran los valores calculados para el aacutengulo de Bragg del plano (002) la

distancia interplanar el paraacutemetro c el ancho completo de la mitad del maacuteximo y el tamantildeo del

cristalito

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Tabla 1

Tabla de valores para las propiedades estructurales

Datos obtenidos mediante DRX y caacutelculos (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra

120784120637(deg)

119941119945119948119949(Aring)

119836 (Aring)

FWHM 119811 (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3441 2604 5208 03221 2582

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 3448 2599 5198 04430 1878

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 3463 2588 5176 03161 2633

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 3458 2592 5184 02847 2923

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En la figura 52 se observa la relacioacuten entre el tamantildeo del cristalito y la temperatura de recocido

el recocido a 400 no fue suficiente para lograr aumentar el tamantildeo del cristalito es por eso que

disminuye considerablemente a partir de alliacute aumenta a medida que lo hace la temperatura

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica

521 Morfologiacutea y rugosidad

La figura 53 a-d muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas tomadas en AFM en dos

dimensiones barridas en un aacuterea de 5120583119898 119909 5120583119898 La superficie de las peliacuteculas no son homogeacuteneas

son rugosas con tamantildeo de grano variable Para a) se observa que el crecimiento del grano se dio

en forma de montantildeas en b) el crecimiento del grano cambioacute draacutesticamente y se dio en forma de

espiral esto puede ser debido al reordenamiento de los aacutetomos que se dio al someter la peliacutecula a

la temperatura de recocido para c) mejoroacute la cristalinidad y la forma de crecimiento fue

nuevamente como montantildea esto concuerda con el aumento del valor del tamantildeo del cristalito y

para d) la cristalinidad volvioacute a mejorar en concordancia con el tamantildeo del cristalito que aumento

un poco maacutes Esto es debido a que el incremento del tamantildeo del cristalito causa un aumento en la

rugosidad seguacuten Saidani et al (2006)

Para cada peliacutecula se hicieron tres mediciones en diferentes zonas para determinar los

paraacutemetros de rugosidad siendo sus valores promedio Rugosidad Promedio (119877119886) 000611 120583119898 y

la Rugosidad Cuadraacutetica Media (119877119902) 0007843 120583119898 que son mostrados en la tabla 2

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Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 ordmC c) rec a 450 ordmC

y d) rec a 500 ordmC (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la figura 54 a b c y d se muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas ahora en tres

dimensiones en estas imaacutegenes se observa mucho mejor el cambio de la cristalinidad y la

morfologiacutea para cada peliacutecula la rugosidad (Ra) aumenta en funcioacuten de la temperatura de recocido

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 c) rec a 450 y

d) rec a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

En la tabla 2 se han registrado los valores de la rugosidad media (Ra) y la rugosidad cuadraacutetica

media (Rq) para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

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Tabla 2

Tabla de valores de las rugosidades

Datos obtenidos mediante el software del equipo de afm (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra 119929119954 (120641119950) 119929119938 (120641119950)

ZnOCu 3 vol sin recocido 0007843 0006110

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 0006960 0005336

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 0011033 0008840

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 0011933 00095733

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En la figura 55 se observa la rugosidad media (Ra) en funcioacuten de la temperatura de recocido

con lo cual se puede confirmar que a medida que aumenta la temperatura de recocido aumenta la

rugosidad de la peliacutecula a partir de 400

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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53 Espectrometriacutea UV-Vis

531 Transmitancia

En la figura 56 se observan los espectros de transmitancia oacuteptica de las peliacuteculas delgadas de

ZnOCu 3 vol sintetizadas por el meacutetodo de rociado piroliacutetico a 300 ordmC y las sometidas a

temperaturas de recocido de 400 ordmC 450 ordmC y 500 ordmC obtenidas por espectrofotometriacutea UV-Vis

en el rango de longitudes de onda de 300 a 750 nm

Las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin recocido y con recocido presentan alta

transmitancia (gt80) esto se debe al dopaje con cobre seguacuten Bunyod Allabergenov et al (1946)

La muestra recocida a 500 ordmC presenta la mayor transmitancia (gt80) en el rango de 500 a 600

nm

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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532 Absorbancia y energiacutea del gap

En la figura 57 se puede ver el espectro de absorbancia para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol

sin y con recocido

El pico de absorbancia para todas las peliacuteculas se tiene aproximadamente en 375 nm luego

decae hasta hacerse casi nula para todas las peliacuteculas esto se debe al dopaje con cobre seguacuten

Bunyod Allabergenov (1946)

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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Se utilizoacute el modelo de Tauc para calcular la energiacutea del gap en cada peliacutecula El dopaje con

cobre disminuyoacute la energiacutea del gap a 3256 eV comparaacutendola con el valor teoacuterico (337 eV)

mientras que al someter las peliacuteculas a temperaturas de recocido se observa que el valor de la

energiacutea del gap cambia ligeramente siendo 3256 3263 y 3257 eV para las peliacuteculas recocidas a

400 450 119910 500 respectivamente a diferencia de lo reportado por Mathew (2015) esto se deba

quizaacutes a que la cantidad de cobre no fue la suficiente para lograr la disminucioacuten de la energiacutea del

gap

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para la peliacutecula recocida a

400 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y derecha para la peliacutecula

recocida a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la tabla 3 se han registrado los valores de la energiacutea del gap para las muestras sin y con

recocido de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol

Tabla 3

Tabla de valores de la Energiacutea del Gap

Datos obtenidos usando la relacioacuten de Tauc (Fuente Elaboracioacuten Propia)

Muestra Energiacutea del Gap (eV)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 400 deg119914 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 450 deg119914 3263

ZnOCu 3 vol recocido a 500 deg119914 3257

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CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES

bull Utilizando la teacutecnica de rociado piroliacutetico se obtuvo la peliacutecula delgada de ZnOCu

3 vol siendo la temperatura de siacutentesis de 300ordmC sobre un sustrato de vidrio marca

Pearl

bull Los patrones de difraccioacuten de rayos X nos ayudaron a determinar los picos de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol obtenieacutendose como resultado

un crecimiento preferencial en la direccioacuten del plano (002) siendo la muestra recocida

a 450 ordmC la que presentoacute el pico maacutes elevado Esto es caracteriacutestico de la estructura

hexagonal wurtzita

bull El tamantildeo del cristalito aumenta a medida con la temperatura de recocido a partir de

400 ordmC

bull El paraacutemetro c disminuye a medida que aumenta la temperatura de recocido

bull Las imaacutegenes obtenidas por AFM muestran que la rugosidad media (Ra) de las

peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol aumentaron a medida que aumenta la

temperatura de recocido a partir de 400 ordmC

bull La espectrofotometriacutea UV-Vis revela que todas las muestras de ZnOCu 3 vol

presentan alta transmitancia (gt80) a partir de 400 nm hasta los 750 nm siendo la

muestra recocida a 500ordmC la que presenta mayor transmitancia (gt90) en el rango de

500 a 600 nm

bull La absorbancia a partir de 400 nm es casi nula en todas las muestras

bull La energiacutea del gap se mantiene casi constante con la temperatura de recocido

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CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS

bull Se sugiere incrementar el nuacutemero de capas de la peliacutecula delgada ya que se si bien es

cierto que si se pudieron observar los patrones de difraccioacuten estos presentan ruido en

su graacutefica y se cree que esto puedo mejorar haciendo maacutes gruesa la peliacutecula

bull Se sugiere incrementar el rango de temperaturas de recocidos para poder obtener maacutes

detalles acerca de la influencia de eacutesta temperatura en las propiedades que se quieran

analizar de las peliacuteculas delgadas

bull Se sugiere realizar el dopaje con otros porcentajes de cobre para obtener maacutes

informacioacuten acerca de la influencia de esto en las propiedades a estudiar

bull Se sugiere calcular los esfuerzos por deformacioacuten

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REFERENCIAS

Acosta D R y Magantildea C R (2012) Oacutexidos conductores transparentes (119885119899119874 minus 1198781198991198742) Para

Remediacioacuten Ambiental Por Procesos Fotocataliacuteticos Muestra de proyectos ambientales

de tu ciudad Instituto de Fiacutesica de la Universidad Nacional Autoacutenoma de Meacutexico

Meacutexico DF

Alamri S N y Brinkman W A (2000) The effect of the transparent conductive oxide on the

performance of thin film CdSCdTe Solar cells J Phys D Appl Phys 33(1)

Aacutelvaro A D (2014) Estudio de Peliacuteculas Delgadas de 1198821198743 depositadas por la teacutecnica de

Sputtering Reactivo (tesis de pregrado) Cimav Chihuahua Meacutexico

American Society For Testing Materials Copper and Copper Alloys Annual Book of ASTM

Standards Vol21 (2) (ASTM International West Conshohocken PA) Revisado

anualmente

Askeland D (1998)Ciencia e Ingenieriacutea de los MaterialesUsa Thomson

Bedia F Z Bedia A N Maloufi N Aillerie M Gent F y Benyoucef B (2014) Effect

of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray

pyrolysis technique Journal of Alloys and Compounds 616 312ndash318

Benharrats F Zitouni K Kadri A y Gil B (2010) Determination of piezoelectric and

spontaneous polarization fields in CdxZn1ndashxOZnO quantum wells grown along the polar

(0001) direction Superlattices and Microstructures 47 592ndash596

Bubert H y Jenett H (2002) Surface and Thin Films Analysis Alemania Wiley

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ICAS

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AS

72

Bunyod A Oybek T Amir I A Jeong S W y Sungjin K (1946) Study of optical

properties in cu-doped zno thin films fabricated by dc magnetron sputtering Kumoh

National Institute of Technology (KIT) Metallkunde 37 40-4

Caglar Y Aksoy S Ilican S y Caglar M (2009) Crystalline structure and morphological

properties of undoped and Sn doped ZnO thin films Superlattices and Microstructures

46 469-475

Crystallography Open Database (2018) Recuperado de

httpwwwcrystallographynetcod1011258html

Deinert J (2016) Zinc Oxide Surfaces and Interfaces Electronic Structure and Dynamics of

Excited States (tesis postdoctoral) Department of Physics Technische Universitaumlt

Berlin Berlin Alemania

Filali B E Torchynska T V Diacuteaz C A y Morales R M (2015) Structural and raman

scattering studies of ZnO Cu nanocrystals grown by spray pyrolysis Revista Mexicana

de Ingenieriacutea Quiacutemica 14(3) 781-788

Gross L Mohn F Liljeroth P Repp J Giessibl FG y Meyer G (2009) Measuring the

charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy Science 324(5933)

1428-1431

Gurumurugan y Mangalaraj (1995) Structural Characterization of zinc oxide thin films

deposited by sol-gel Journal of Crystal Growth 147 335-360

Hafdallah A Herissi I Chergui N Kebaili Z Aida M y Attaf N (2018) Structural and

optical properties of ZnO thin films deposited by pyrolysis spray method effect of Al

doping Nanotechnology Letters

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BIBLI

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

73

Hernaacutendez S S (2014) Preparacioacuten y Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de ZnO y

ZnOAl por la teacutecnica de Rociacuteo Piroliacutetico Para su Aplicacioacuten en Celdas Solares (tesis de

maestriacutea) Instituto Politeacutecnico Nacional Altamira Meacutexico

Hirata G A McKittrick J Siqueiros J Loacutepez O A Cheeks T Contreras O y Yi J Y

(1996) High transmittance-low resistivity ZnOGa films by laser ablation Journal of

Vacuum Science amp Technology A Vacuum surfaces and films 14(3) 791-794

Jeong S H Park B N Yoo D G y Boo J H (2007) Al-ZnO thin films as transparent

conductive oxides synthesis characterization and application tests Journal of the

Korean Physical Society 50(3) 622-625

Jijoy P M Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties of

Transition Metal Doped ZnO Thin Films IOP Conf Series Materials Science and

Engineering 731-5 doi 1010881757-899X

Kane J Schweizer H P y Kern W (1976) Chemical Vapor Deposition of Antimony-Doped

Tin Oxide Films Formed from Dibutyl Tin Diacetate Journal of the Electrochemical

Society 126(2) 270-277

Koumllble Ch Greiner D Klaer J Klenk R Meeder A y Ruske F (2009) DC reactive

sputtering of aluminum doped zinc oxide films for solar modules controlled by target

voltage Thin Solid Films 520 1913-1917

Leoacuten L H (2014) Efecto de la temperatura de recocido en la resistividad eleacutectrica de las

peliacuteculas de SnO2 sintetizadas por rociado piroliacutetico (tesis de pregrado) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

74

Liu H Avrutin V Izyumskaya N Oumlzguumlr Uuml y Morkoccedil H (2010) Transparent conducting

oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices Superlattices

and Microstructures 48 458ndash484

Loacutepez W Castro P Molina J y Arbey J (2011) Estabilidad y estructura electroacutenica del

ZnO Revista Colombiana de Fiacutesica 43 (I)

Loacutepez G Morales R Olea O Saacutenchez V Trujillo J Varela V y Vilchis A (2013)

Nanoestructuras metaacutelicas Siacutentesis caracterizacioacuten y aplicaciones Meacutexico DF

Meacutexico Reverteacute

Loacutepez E A y Solares S D (2014) El microscopio de fuerza atoacutemica meacutetodos y aplicaciones

Revista 28 de la Universidad del Valle de Guatemala 14-23

Mathew J P Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties

of Transition Metal Doped ZnO Thin Films Mat Sci and Eng 73 1-5

Minami T (2008) Present status of transparent conducting oxide thin-film development for

Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes Thin Solid Films 516 5822-5828

Mizuhashi M (1980) Electrical properties of vacuum-deposited indium oxide and indium tin

oxide films Thin Solid Films 70(1) 91-100

Mooney J B amp Rading S B (1982) Spray Pyrolysis Processing Annual Reviews of

Materials Science 12 81-101

Noriega D E (2015) Efecto de la temperatura del sustrato en los esfuerzos residuales de las

peliacuteculas de ZnO sintetizadas por Rociado Piroliacutetico (tesis de Maestriacutea) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

Pan C A y Ma T P (1980) High-quality transparent conductive indium oxide films

prepared by thermal evaporation Applied Physics Letter 37(2) 163

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ICAS

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AS

75

Peacuterez M L (2005) Fabricacioacuten y Caracterizacioacuten Oacuteptica Estructural y Eleacutectrica de Peliacuteculas

Delgadas Transparentes de Oacutexidos de Estantildeo Circonio y Zinc (tesis de doctorado)

Instituto Politeacutecnico Nacional Meacutexico DF Meacutexico

Rahmani M B Keshmiri S H Shafiei M Latham K Wloarski W Plessis J du y

Kalantar-Zadeh K (2009) Transition from n- to p- Type of Spray Pyrolysis Deposited

Cu Doped ZnO Thin Films for NO2 Sensing ASP 7 1-8

Ramiacuterez C M (2015) Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de 119885119899119874 1198661198863+ Obtenidas Por La

Teacutecnica de Sol-Gel (tesis de pregrado) Universidad Tecnoloacutegica de la Mixteca

OaxacaMeacutexico

Rojas F S (2013) Influencia de la temperatura de recocido de las peliacuteculas de ZnO

compuestas con nanopartiacuteculas de Au sobre el crecimiento de Nanorods (tesis de

pregrado) Universidad Nacional de Trujillo Trujillo La Libertad Peruacute

Rozati S M (2008) Effect of film thickness on the physical properties of ZnOAl thin films

deposited using a spray pyrolysis technique Canadian J Phys 86 379ndash382

Ruumlcker N y Becker K J (1978) Life stability of transparent semiconducting oxide films

deposited onto cold substrates Thin Solids Films 53(2) 163-167

Sahay PP y Nath RK (2008) Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG)

sensors Sensors and ActuatorsB(133) 222ndash227

Saidani T Zaabat M Aida M S Benoboud A Benzitouni S y Boudine A (2014)

Influence of annealing temperature on the structural morphological and optical properties

of Cu doped ZnO thin films deposited by the sol-gel method Superlattices and

Microstructures 75 47-53

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76

Ghandi S K Field R J y Shealy J R (1980) Highly oriented zinc oxide films grown by the

oxidation of diethylzinc Applied Physics Letters 37(5) 449

Waal H y Simons F (1981) Tin oxide coatings Physical properties and applications Thin

Solid Films 77 253-258

Wang L Zhang X Zhao S Zhou G Zhou Y y Qi J (2005) Synthesis of well-aligned

ZnO nanowires by simple physical vapor deposition on c-oriented ZnO thin films without

catalyst or additives App Phy Lett 86(2)

Wolgamott J C (2017) Analysis of Zinc Oxide Thin Films Synthesized by Sol-Gel via Spin

Coating (tesis de maestriacutea) The University of Wisconsin-Milwaukee USA

Yan Y Al-Jassim M M y Wei S (2006) Doping of ZnO by group-IB element Applied

Physics Letters 89

Zhon L W (2004) Nanostructures of Zinc Oxide Materials today 7 26-33

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ANEXOS

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ANEXO A

Valores Teoacutericos Del Zno

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnO (Fuente En liacutenea)

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ANEXO B

Caacutelculo de la distancia interplanar

La distancia interplanar fue calculada a partir de la Ley de Bragg

119941 =120640

120784 119852119842119847 120637

Doacutende d es la distancia interplanar 120582 es la longitud de onda de rayos X (15405981 A) y 120579 es

el aacutengulo de Bragg

Se tomoacute como plano de referencia el (002)

Para la muestra sin tratamiento de recocido el aacutengulo fue 2120579 = 3441deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120782120787deg

119941 = 120784 120788120782120786 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3448deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120786deg

119941 = 120784 120787120791120791 119808

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80

Para la muestra recocida a 450deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3463deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120785120783120787deg

119941 = 120784 120787120790120790 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3458deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120791deg

119941 = 120784 120787120791120784 119808

Caacutelculo del paraacutemetro c

El paraacutemetro de red C fue calculado para cada muestra con la foacutermula

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784

Doacutende h=k=0 y l=2 reemplazando estos datos tenemos

119940 = 119949 119941119945119948119949

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81

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119940 = (120784)120784 120788120782120786 119808

119940 = 120787 120784120782120790 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120791 119808

119940 = 120787 120783120791120790 119808

Para la muestra recocida a 450deg119862

119940 = (120784)120784 120787120790120790 119808

119940 = 120787 120783120789120788 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120784 119808

119940 = 120787 120783120790120786 119808

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82

Caacutelculo del tamantildeo de grano

Para calcular el tamantildeo del cristalito se utilizoacute la ecuacioacuten de Debye-Scherrer

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637

Doacutende K es la constante que es 09 para partiacuteculas esfeacutericas 120582 es la longitud de onda de los

rayos X (15405981 A) 120573 es la mitad del ancho del maacuteximo (FWHM) pico que para nuestro caso

fue el que correspondiacutea al plano (002) y estaacute dado en radianes y 120579 es el aacutengulo de Bragg

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120788120784120783) 119836119848119852 120783120789 120784120782120787deg119808

119915 = 120784120787 120790120784 119951119950

Para la muestra recocida a 400deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120789120789120785120783) 119836119848119852 120783120789 120784120786deg119808

119915 = 120783120790 120789120790 119951119950

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83

Para la muestra recocida a 450deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120787120783120789) 119836119848119852 120783120789 120785120783120787deg119808

119915 = 120784120788 120785120785 119951119950

Para la muestra recocida a 500deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120786120791120788120789) 119836119848119852 120783120789 120784120791deg119808

119915 = 120784120791 120784120785 119951119950

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ANEXO C

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada

Se realizoacute una pequentildea incisioacuten en la peliacutecula con una navaja de tal forma que la peliacutecula pueda

ser desprendida pero que no produzca rayaduras en el sustrato y utilizando el Meacutetodo Section del

Software NanoScope Analysis version 140 se calculoacute la distancia vertical y horizontal en tres

regiones para obtener un promedio con lo cual seriacutea el espesor aproximado de la peliacutecula

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b) Imagen 3D del escaloacuten

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Tabla 4

Tabla de datos de las alturas horizontales y verticales

Datos obtenidos para calcular el espesor de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 (Elaboracioacuten Propia)

Calculando el promedio de las distancias verticales

(189441 + 184037 + 170941)119899119898 = 544419 119899119898

544419119899119898

3= 181473 119899119898

El grosor de la peliacutecula fue 181 473 nm

Este proceso se realizoacute para todas las muestras en la tabla 5 se muestran los valores

correspondientes cada peliacutecula

Tabla 5

Tabla de valores del espesor de cada peliacutecula

Muestra Espesor (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 181473

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 179596

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 181210

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 183498

Datos calculados para el espesor de cada peliacutecula (Fuente Elaboracioacuten propia)

N Distancia Horizontal Distancia Vertical

1 3249 (microm) 189441 (nm)

2 3679 (microm) 184037 (nm)

3 3914 (microm) 170941 (nm)

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ANEXO D

Caacutelculo de los valores de Rugosidad

Se calculoacute el promedio de la rugosidad media y la rugosidad cuadraacutetica media para cada

peliacutecula El aacuterea de anaacutelisis en todas las muestras fue 3um x 1um y los valores fueron obtenidos

por el sensor de altura en el software de AFM Dimension Edge VT-112

Muestra Sin Rec

Figura D 1 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra sin rec

Tabla 6

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rec

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000751 000589

ZONA 2 000849 000646

ZONA 3 000753 000598

PROMEDIO 000784 000611

Datos para el promedio de la rugosidad de ZnOCu 3 vol Sin Rec (Elaboracioacuten Propia)

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Muestra Rec a 120786120782120782

Figura D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 400 ordmC

Tabla 7

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

Muestra Rec a 120786120787120782

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000634 000506

ZONA 2 000769 000590

ZONA 3 000685 000505

PROMEDIO 000696 000534

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Figura D3 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 450 ordmC

Tabla 8

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00112 000903

ZONA 2 00110 000872

ZONA 3 00109 000877

PROMEDIO 00110 000884

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89

Muestra Rec a 120787120782120782

Figura D4 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 500 ordmC

Tabla 9

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec 500 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00119 000956

ZONA 2 00120 000969

ZONA 3 00119 000947

PROMEDIO 00119 000957

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ANEXO E

Caacutelculo de la energiacutea del gap

Se utilizoacute la foacutermula 46

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material que es igual a la absorbancia dividida por

el espesor de la peliacutecula 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ es la constante de Planck 120584 es

la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

Haciendo los caacutelculos respectivos en Excel obtuvimos los valores de ℎ120584 y (120572ℎ120584)2

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauc

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91

Luego graficamos esto usando Origin 8 y trazando la recta hasta el intercepto con el eje x

obtuvimos el valor de la energiacutea del gap Esto se hizo para todas las peliacuteculas

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas las peliacuteculas

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Page 11: FÍSICAS INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO …

xi

Caacutelculo de la distancia interplanar 79

Caacutelculo del paraacutemetro c 80

Caacutelculo del tamantildeo de grano 82

ANEXO C 84

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada 84

ANEXO D 86

Caacutelculo de los valores de Rugosidad 86

Muestra Sin Rec 86

Muestra Rec a 400 87

Muestra Rec a 450 87

Muestra Rec a 500 89

ANEXO E 90

Caacutelculo de la energiacutea del gap 90

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IacuteNDICE DE FIGURAS

Capiacutetulo 2

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn

de color gris oscurohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnOhelliphelliphelliphelliphellip8

Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles

de fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Capiacutetulo 3

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipohelliphelliphellip16

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica de para un proceso de CVDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

Figura 34 Ruta Quiacutemica para el proceso de Sol-Gelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

Figura 35 Esquema del equipo de Rociado Piroliacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes

isla y (c) por islashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

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Capiacutetulo 4

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

Figura 43 Sustratos en detergentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenicohelliphellip31

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en hornohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica33

Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip34

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphellip35

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula

delgada de ZnOCu 3 vol helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

Figura 411 Diagrama de flujo del Proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadashelliphelliphellip39

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del

sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta

con la superficie del sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitentehelliphelliphelliphelliphelliphellip52

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Capiacutetulo 5

Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con

recocidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip58

Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 ordmC c) rec a 450 ordmC y d) rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 c) rec a 450 y d) rec a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y

con recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con

recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para

la peliacutecula recocida a 400 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y

derecha para la peliacutecula recocida a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

Anexos

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b)

Imagen 3D del escaloacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84

Figura D1 a Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra sin rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

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xv

Figura D2 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 400 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87

Figura D3 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 450 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88

Figura D4 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 500 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas

las peliacuteculashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91

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IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de valores para las propiedades estructuraleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

Tabla 2 Tabla de valores de las rugosidadeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

Tabla 3 Tabla de valores de la Energiacutea del Gaphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

Tabla 4 Tabla de datos de las alturas horizontales y verticaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 5 Tabla de valores del espesor de cada peliacuteculahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 6 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

Tabla 7 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87

Tabla 8 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88

Tabla 9 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

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CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN

Los materiales desarrollados a base de oacutexidos transparentes y conductores (por sus siglas en

ingleacutes TCOs) han recibido una gran aceptacioacuten en la comunidad cientiacutefica debido a sus muacuteltiples

aplicaciones en la industria optoelectroacutenica ya que sus propiedades de alta transparencia y baja

resistividad los hacen aptos para aplicaciones en celdas solares sensores de gases (Koumllble et al

2009) pantallas planas pantallas de cristal liacutequido ventanas electro-croacutemicas entre otros

Los TCOs son semiconductores que se caracterizan por tener altos valores de transmisioacuten oacuteptica

(~ 80 ) en el intervalo visible y bajas resistividades (lt 10minus3Ω119888119898) seguacuten Minami (2008)

Algunos de los oacutexidos metaacutelicos preparados en forma de peliacutecula delgada que son o pueden ser

utilizados como conductores transparentes son oacutexido de cadmio (119862119889119874) oacutexido de estantildeo (1198781198991198742)

ITO (11986811989921198743 119878119899) FTO (1198781198991198742 119865) y AZO (119885119899119874 119860119897)(Alamri amp Brinkman 2000)

Uno de los oacutexidos conductores transparentes comuacutenmente utilizados debido a su alta

transmitancia en el visible gt 80 y su baja resistividad del orden de 10minus4Ω119888119898 es el oacutexido de

indio dopado con estantildeo (ITO) seguacuten Minami (2008) Pero debido a la rareza del indio en la tierra

su costo es elevado Otro oacutexido conductor transparente que ha llamado fuertemente la atencioacuten es

el CdO que es un semiconductor degenerado porque los estados en el fondo de la banda de

conduccioacuten se encuentran ocupados por lo tanto presenta alta conductividad sin necesidad de ser

dopado (Bhosale Kambale Kokate amp Rajpure 2005)

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Sin embargo ya que el Cd es muy toacutexico la unioacuten europea a traveacutes de la directiva de restriccioacuten

de sustancias peligrosas lo catalogoacute entre los 6 elementos restringidos para su uso en dispositivos

eleacutectricos y optoelectroacutenicos Debido a esta restriccioacuten es necesario buscar otras alternativas una

de ellas es el ZnO ya que presenta alta conductividad eleacutectrica seguacuten Jeon Park Yoo amp Boo

(2007) altos valores de transmitancia en la regioacuten visible del espectro electromagneacutetico (Hirata et

al 1996) bajo costo alta disponibilidad y no toxicidad

El oacutexido de Zinc es reconocido como un semiconductor porque tiene un ancho de banda de 337

eV a temperatura ambiente posee una gran energiacutea libre de unioacuten de excitones alta estabilidad

propiedades fiacutesicas oacutepticas etc (Benharrats Zitouni Kadri y Gil 2010)

Una peliacutecula delgada se encuentra en el rango de 1 119886 100 119899119898 (Loacutepez et al 2013) Para que

una peliacutecula delgada sea considerada como eficaz debe ser quiacutemicamente estable en el entorno a

usar debe adherirse bien a la superficie que cubre (sustrato) debe tener un espesor uniforme y

debe tener una baja densidad de imperfecciones (Leoacuten 2014)

Dentro de los diversos meacutetodos para obtener peliacuteculas delgadas tenemos el de rociado piroliacutetico

que puede ser maacutes barato simple y versaacutetil a comparacioacuten de otros meacutetodos Las propiedades de

las peliacuteculas rociadas pueden faacutecilmente adaptarse para las aplicaciones requeridas

Adicionalmente tambieacuten es un meacutetodo de deposicioacuten adecuado cuando se necesitan peliacuteculas de

grandes aacutereas (Rahmani et al 2009)

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El meacutetodo de rociado piroliacutetico es un proceso en el cual una peliacutecula delgada es depositada

mediante el rociado de una solucioacuten en una superficie caliente donde los constituyentes reaccionan

para formar un compuesto quiacutemico Los reactantes quiacutemicos son seleccionados de tal forma que

los productos distintos al del compuesto deseado sean volaacutetiles a la temperatura de deposicioacuten

(Mooney amp Rading 1982)

Las caracteriacutesticas estructurales eleacutectricas y oacutepticas de las peliacuteculas delgadas de ZnO han sido

ampliamente investigadas mientras que el efecto del dopado sobre estas propiedades auacuten estaacuten

siendo estudiadas (Rozati 2008 Caglar Ilikan y Caglar 2009) Las peliacuteculas de ZnO pueden

doparse con Al3+ (Sahay amp Nath 2008) Sn4+ y Sn5+ (Bedia et al 2014) F1- Cu1+ Ag1+ Ga3+

In3+ (Liu Avrutin Izyumskaya Oumlzguumlr y Morkoccedil 2010)

Elegir el Cu como dopante para las peliacuteculas delgadas de ZnO es una buena opcioacuten ya que

influye en las propiedades oacutepticas estructurales quiacutemicas y eleacutectricas del ZnO y el estudio del

estado electroacutenico del Cu en ZnO ha venido siendo el tema de intereacutes por mucho tiempo ya que

son uno de los componentes principales en celdas fotovoltaicas (Bunyod 1946)

El efecto de la temperatura de recocido sobre las peliacuteculas delgadas de ZnOCu estaacute siendo

estudiada minuciosamente debido a que se han reportado casos en los cuales disminuye la banda

del gap y aumenta el esfuerzo a medida que aumenta dicha temperatura (Jijoy Varguese amp

Mathew 2015)

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4

En el presente trabajo de investigacioacuten se realizoacute la siacutentesis de peliacuteculas delgadas de ZnOCu

3 por el meacutetodo de rociado piroliacutetico sobre un sustrato de vidrio a una temperatura de 300 ordmC y

luego sometida a temperaturas de recocido entre 400- 500 ordmC La caracterizacioacuten de las peliacuteculas

antes y despueacutes del recocido se realizoacute mediante DR-X UV-Vis y AFM

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CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO

21 Oacutexido de Zinc

El oacutexido de zinc es un compuesto inorgaacutenico relativamente abundante quiacutemicamente estable

y no toacutexico es insoluble en agua pero soluble en aacutecidos y bases diluidas su punto de fusioacuten es de

1975 ordmC temperatura a la que tambieacuten se descompone es un semiconductor formado por los

elementos del grupo-II ( 119885119899)30 y el grupo-VI ( 1198748

) El zinc tiene cinco isoacutetopos estables de los

cuales los maacutes comunes son el zinc 64 (4889 ) zinc 66 (2781 ) y el zinc 68 (1857 )

mientras que el oxiacutegeno consiste casi puramente en el isoacutetopo de oxiacutegeno 16 (9976 ) seguacuten

Loacutepez Castro Molina y Arbey (2011)

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO

Cada aacutetomo de zinc se encuentra rodeado por un tetraedro de 4 aacutetomos de oxiacutegeno y viceversa

tal y como se muestra en la figura 21 formando de esta manera una combinacioacuten alternada de

planos de aacutetomos oxiacutegeno y de planos de aacutetomos de zinc las cuales se encuentran a lo largo del

eje c con un desplazamiento entre ellos de 038c siendo c su paraacutemetro de red en la direccioacuten

vertical Los valores de los paraacutemetros de red para dicho material en condiciones normales de

presioacuten y temperatura son a = 032495 nm y c = 052069 nm (Hernaacutendez 2014)

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Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn de color gris oscuro

(Fuente Hernaacutendez)

Su estructura puede describirse como un nuacutemero de planos alternantes que estaacuten compuestos

por iones de oxiacutegeno 1198742minus e iones de zinc 1198851198992+ que se encuentran alternados en el eje c esta

estructura tetraeacutedrica es la que le confiere su baja simetriacutea y lo que resulta en sus propiedades de

piezoelectricidad (Hernaacutendez 2014)

Otra importante caracteriacutestica del ZnO es su superficie polar siendo la maacutes comuacuten la del plano

basal Los iones de zinc y oxiacutegeno generan superficies cargadas positiva para (119885119899 minus (0001)) y

negativa para (119874 minus (0001)) lo que resulta en un momento dipolar normal y una polarizacioacuten

espontaacutenea La estabilidad de la superficie polar 119885119899119874 plusmn (0001) es materia de estudio tambieacuten es

atoacutemicamente plana y estable sin reconstruccioacuten (Hafdallah et al 2018 Zhon 2004)

El zinc tiene una configuracioacuten electroacutenica (1119904)2(2119904)2(2119901)6(3119904)2(3119901)6(3119889)10(4119904)2 mientras

que la configuracioacuten electroacutenica del oxiacutegeno es (1119904)2(2119904)2(2119901)4 El enlace de ZnO en su red

cristalina involucra una hibridacioacuten 1199041199013 de los estados electroacutenicos lo cual lleva a cuatro orbitales

equivalentes en una geometriacutea tetraeacutedrica En el cristal semiconductor resultante los estados de

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enlace 1199041199013 constituyen la banda de valencia mientras que la banda de conduccioacuten se origina de su

contraparte de anti-enlace seguacuten Deinert (2016)

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO

Estructuralmente el oacutexido de zinc tiene tres tipos de direcciones raacutepidas de crecimiento las

cuales son lang2110rang ( plusmn[2110] plusmn[1210] plusmn[1120] ) lang0110rang ( plusmn[0110] plusmn[1010]

plusmn[1100] ) y plusmn[0001] El ZnO exhibe un amplio rango de nuevas estructuras que pueden ser

desarrolladas ajustando las tasas de crecimiento a lo largo de esas direcciones Uno de los mayores

factores que determinan la morfologiacutea implican las actividades superficiales relativas de diversas

facetas de crecimiento bajo condiciones dadas Macroscoacutepicamente un cristal tiene diferentes

paraacutemetros cineacuteticos para diferentes planos del cristal los cuales son controlados bajo condiciones

de crecimiento Asiacute despueacutes de un periodo inicial de incubacioacuten y nucleacioacuten un cristalito

comuacutenmente se convertiraacute en un objeto tridimensional bien definido con caras cristalograacuteficas de

bajo iacutendice La figura 2 de a) al c) muestran unas morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento en una

dimensioacuten para el ZnO dichas estructuras tienden a maximizar las aacutereas de las caras (2110) y

(0110) debido a la maacutes baja energiacutea y la morfologiacutea mostrada en la parte d) es dominada por las

superficies polares las cuales pueden ser crecidos mediante la introduccioacuten de defectos planares

paralelos a las superficies polares Los defectos planares y gemelos son observados ocasionalmente

paralelos al plano (0001) pero rara vez se pueden observar dislocaciones (Zhon 2004)

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Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnO (Fuente Zhon)

24 El Cobre y Sus Propiedades

El cobre con nuacutemero atoacutemico 29 y peso atoacutemico de 6354 exhibe una estructura cristalina cuacutebica

centrada en las caras El cobre es un elemento de transicioacuten y al ser un metal noble tiene

propiedades inherentes similares a las de la plata y el oro Tambieacuten posee excelente conductividad

maleabilidad resistencia a la corrosioacuten y biofuncionalidad El cobre tiene alta solubilidad para

otros elementos tales como el niacutequel el zinc el estantildeo y el aluminio Esta solucioacuten soacutelida de la

fase alfa (120572) es la responsable de la alta ductilidad exhibida para aleaciones de cobre Las adiciones

maacutes allaacute del liacutemite de solubilidad resultan en la fase beta (120573) la cual exhibe una estructura cuacutebica

de cuerpo centrado esta fase beta tiene alta estabilidad de temperatura y las aleaciones que exhiben

una estructura 120572 + 120573 tienen una excelente capacidad de formacioacuten en caliente La densidad del

cobre es 889 1198921198881198983 y su punto de fusioacuten es 1083 Seguacuten American Society For Testing

Materials la cual es revisada anualmente

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25 Dopado al Oacutexido de Zinc

Los elementos del grupo IB como el cobre la plata y el oro no parecen de tanto intereacutes como

sus contrapartes del grupo IA y VA pero actualmente se vienen trabajando con estos elementos

ya que cambian las propiedades del ZnO esto podriacutea significar que una sustitucioacuten con zinc podriacutea

resultar un defecto de aniquilador de electrones Aunque estos pueden ser considerados costosos

la plata y el cobre podriacutea ser una alternativa maacutes econoacutemica en comparacioacuten con otros elementos

que han sido usados como dopantes al fin de cuentas estas poseen una conductividad uacutenica

(Wolgamott 2017)

Las figuras 23 24 y2 5 muestran las energiacuteas de formacioacuten por defecto para el ZnO dopado

con cobre plata y oro estas cifras junto con un caacutelculo hecho por Yan Al-Jassim ampWei (2006)

muestran que bajo condiciones ricas en oxiacutegeno los elementos del grupo IB tienen una baja energiacutea

de formacioacuten para la sustitucioacuten del zinc Esta misma condicioacuten rica en oxiacutegeno tambieacuten suprime

la formacioacuten de defectos nativos en el agujero de perforacioacuten aumentando asiacute la posibilidad de

una peliacutecula delgada de ZnO dopado del tipo p (Wolgamott 2017)

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Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

El cobre y la plata ofrecen una mejor ruta para la reproduccioacuten de peliacuteculas delgadas de ZnO

del tipo p El dopaje con nitroacutegeno solo es favorable en condiciones ricas en zinc esto aumenta la

probabilidad de que se formen defectos por la formacioacuten de agujeros para compensar Para

ajustarse a esto teacutecnicas de procesamiento novedoso y no equilibrado deben ser usadas esta

dificultad aumenta los costos de procesamiento y reduce la reproduccioacuten de tales (Wolgamott

2017)

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Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

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CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE

PELIacuteCULAS DELGADAS

Una variedad de teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas han sido empleadas para el

depoacutesito de oacutexidos conductores trasparentes tales como el oacutexido de estantildeo (SnO2) dopado con

antimonio (SnO2 ∶ Sb) o con fluorina (SnO2 ∶ F) el oacutexido de indio(In2O3) dopado con estantildeo

(In2O3 ∶ Sn) el oacutexido de zinc (ZnO) dopado con indio (ZnO ∶ In) Ya que el transporte oacuteptico y

eleacutectrico en estas peliacuteculas depende fuertemente de su estequiometria su microestructura y de la

naturaleza de las impurezas presentes por lo tanto cada teacutecnica de deposicioacuten con los paraacutemetros

asociados produce peliacuteculas con diferentes propiedades Dependiendo de queacute teacutecnica de

deposicioacuten se use el sustrato influiraacute significativamente en las propiedades de las peliacuteculas Los

sustratos de vidrio son los de uso comuacuten para estos procesos Los procesos a baja temperatura tales

como la pulverizacioacuten catoacutedica con magnetroacuten la pulverizacioacuten ioacutenica con haz de iones y el

recubrimiento ioacutenico reactivo permiten la deposicioacuten de las peliacuteculas de oacutexido sobre el sustrato de

poliacutemero como el plaacutestico Mylar y poly (Teraftalato de etileno) Seguacuten Waal amp Simons (1981)

el coeficiente de expansioacuten teacutermica del sustrato afecta las propiedades eleacutectricas de las peliacuteculas

especialmente en procesos como los de rociado piroliacutetico y de inmersioacuten en los cuales las tensiones

intriacutensecas son inducidas dentro de la peliacutecula El coeficiente de expansioacuten teacutermica influye en la

orientacioacuten preferente del cristalito en las peliacuteculas de ZnO (Ghandhi Field amp Shealy 1980)

El proceso que implica deposiciones a altas temperaturas el efecto de la difusioacuten de iones

alcalinos desde el sustrato de vidrio hacia la peliacutecula se vuelve extremadamente importante (Kane

Schweizer amp Kern 1976) Los cationes actuacutean como agentes dopantes de tipo-p y compensan los

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donantes nativos El problema es grave en los sustratos de vidrio Soda-lime los cuales tienen un

alto contenido en sodio alrededor del 10-15 peso 1198731198862119874 En La figura 31 podemos observar

los tipos de procesos para la obtencioacuten de peliacuteculas delgadas

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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31 Procesos Fiacutesicos

311 Evaporacioacuten teacutermica

Peliacuteculas delgadas de IO (oacutexido de indio) (Pan amp Ma 1980) ITO (oacutexido de indio dopado con

estantildeo) (Mizuhashi 1980) y ZnO (Wang et al 2005) han sido depositadas por evaporacioacuten

teacutermica o por haz de electrones de fuentes de oacutexido Debido a su alto punto de fusioacuten el TO

(oacutexido de estantildeo) ha sido depositado por haz de electrones (Mizuhashi 1980) Cuando los oacutexidos

puros o mixtos se evaporan se reducen y forman peliacuteculas opacas de oacutexidos inferiores Por lo tanto

los oacutexidos transparentes conductores son obtenidos por post-oxidacioacuten de peliacuteculas inferiores o

por introduccioacuten del oxiacutegeno durante la evaporacioacuten (Ruumlcker amp Becker 1978)

La cineacutetica de oxidacioacuten de sub-oacutexidos la dependencia de la resistividad y la transmisioacuten en el

sustrato y las temperaturas de oxidacioacuten han sido estudiadas para peliacuteculas de ITO (Mizuhashi

1980) La opacidad de las peliacuteculas depositadas ha sido atribuida a la presencia de indio libre en

una matriz de In2O3 que resulta de la reduccioacuten de especies de In2O que estaacuten presentes en la

fase de vapor

La post-oxidacioacuten del indio libre es a traveacutes de un proceso controlado por difusioacuten y las

propiedades eleacutectricas y oacutepticas finales de las peliacuteculas estaacuten determinadas por las tasas relativas

de oxidacioacuten y difusioacuten del indio (Mizuhashi 1980)

En el caso de la oxidacioacuten durante la deposicioacuten la temperatura del sustrato y la presioacuten parcial

de oxiacutegeno son los principales paraacutemetros de control para el proceso que han sido estudiados por

Mizuhashi (1980) que obtuvo peliacuteculas de ITO de buena calidad con una presioacuten parcial de

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oxiacutegeno de 10minus4 Torr y una temperatura de sustrato de 400 con una tasa de deposicioacuten de

aproximadamente 50 Å 119898119894119899minus1 para el O2 puro

De lo anterior se puede concluir que para obtener peliacuteculas altamente transparentes y

conductoras por evaporacioacuten es necesario que la presioacuten parcial del oxiacutegeno sea alta (suficiente

para oxidar casi todo el indio) que la temperatura del sustrato sea la adecuada y que la tasa de

evaporacioacuten sea raacutepida (para suprimir la disociacioacuten de In2O3)

312 Sputtering

El Sputtering o pulverizacioacuten catoacutedica es una de las teacutecnicas maacutes usadas para la deposicioacuten de

peliacuteculas conductoras transparentes Esta teacutecnica se basa esencialmente en un bombardeo intenso

de un material con iones producidos en una descarga eleacutectrica en forma de plasma cuando la

energiacutea de los iones incidentes es suficientemente elevada entonces la interaccioacuten con la superficie

del material a traveacutes de intercambio de momento cineacutetico hace que los aacutetomos de la superficie

sean arrancados para pasar a la fase de vapor La figura 32 muestra un esquema de las etapas del

proceso El caacutetodo el cual estaacute conectado a la terminal negativa de la fuente de alimentacioacuten estaacute

formado por el material a evaporar que tambieacuten es llamado blanco o sputtering target estaacute

sometido al bombardeo intenso de los iones positivos de la descarga una vez que son acelerados

desde el plasma como consecuencia de la caiacuteda de potencial asociada El bombardeo de los iones

produce no solo el efecto de sputtering o pulverizacioacuten del blanco sino tambieacuten la emisioacuten de

electrones secundarios que son acelerados hacia el plasma Una vez en el plasma estos electrones

tienen la energiacutea suficiente para producir nuevos iones mediante procesos de ionizacioacuten en cascada

por impacto con los aacutetomos del gas compensando asiacute la perdida de carga producida por colisiones

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de las especies cargadas en las paredes de la caacutemara de vaciacuteo Se dice que la descarga es auto

mantenida (Aacutelvaro 2014)

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipo (Fuente Aacutelvaro)

El gas de la descarga suele ser un gas inerte de masa elevada con el objeto de aumentar la

transferencia del momento cineacutetico a los aacutetomos del blanco por razones de precio en la mayoriacutea

de las aplicaciones el gas utilizado es argoacuten con una masa atoacutemica de 40 los sustratos a recubrir

estaacuten colocados sobre el aacutenodo aunque se pueden situar sobre un soporte auxiliar frente al caacutetodo

El electrodo que actuacutea de aacutenodo suele estar conectado al potencial de tierra junto con la caacutemara

de vaciacuteo por razones de seguridad A diferencia de la teacutecnica de evaporacioacuten teacutermica la trayectoria

de las partiacuteculas pulverizadas no es rectiliacutenea ya que a presiones de trabajo alrededor de

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10minus3 mbar el recorrido libre medio es del orden de unos pocos mm Los aacutetomos evaporados

pueden alcanzar al sustrato desde cualquier direccioacuten despueacutes de sufrir una serie de colisiones en

la atmosfera de sputtering en las cuales sufren una peacuterdida de su energiacutea inicial Por lo tanto los

problemas de direccionalidad y los de homogeneidad del espesor de la capa depositada son

menores que en la evaporacioacuten teacutermica Al mismo tiempo los aacutetomos del gas inerte y la radiacioacuten

procedente del plasma tambieacuten interaccionan con la superficie de los sustratos produciendo

efectos laterales De hecho existe la posibilidad de que aacutetomos del gas inerte puedan contaminar

la capa depositada en el sustrato al quedar atrapados en su interior durante el crecimiento (Aacutelvaro

2014)

32 Procesos Quiacutemicos

321 CVD

La deposicioacuten quiacutemica por vapor (Chemical Vapor Deposition) es un proceso antiguo que data

del 1800 En este tiempo esta teacutecnica fue usada principalmente para producir materiales

refractores de alta pureza tales como el zirconio y el titanio Despueacutes de la segunda guerra mundial

los investigadores comenzaron a darse cuenta de las ventajas potenciales que ofreciacutea el CVD

Esta teacutecnica consiste en la deposicioacuten por vapor sobre una superficie caliente Esto pertenece a

las teacutecnicas de transferencia de vapor Con esta teacutecnica la liacutenea de visioacuten con la superficie de

recubrimiento no es necesaria por lo tanto permite la deposicioacuten en superficies complejas tambieacuten

posee una alta tasa de deposicioacuten y puede ser usado para recubrimientos gruesos esto permite la

co-deposicioacuten de los elementos y no requiere de un proceso de alto vaciacuteo

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La figura 33 muestra un CVD tiacutepico El primer paso es la activacioacuten teacutermica de los precursores

quiacutemicos para formar el vapor este a su vez es transportado a traveacutes de una caacutemara caliente en

donde el sustrato estaacute colocado en esta caacutemara la reaccioacuten gaseosa ocurre y los reactantes son

depositados en la superficie del sustrato con lo cual resulta la formacioacuten de la peliacutecula Los

subproductos volaacutetiles son desorbidos desde la peliacutecula y removidos de la caacutemara por medio de la

conveccioacuten

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica para un proceso de cvd (Fuente En liacutenea)

Un proceso tiacutepico de CVD requiere de temperaturas altas que la reaccioacuten de fase gaseosa ocurra

esto no soacutelo aumenta los costos de proceso sino que tambieacuten limita los tipos de sustratos donde la

peliacutecula delgada puede ser depositada Los precursores quiacutemicos con alta presioacuten de vapor que se

necesitan para el CVD son en su mayoriacutea toacutexicos y peligrosos para trabajar con ellos Finalmente

los subproductos de la reaccioacuten gaseosa que no permanecen en el sustrato pueden ser toacutexicos e

incluso corrosivos La neutralizacioacuten de estos subproductos implicariacutea un aumento del costo de

produccioacuten

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322 Sol-Gel

Esta teacutecnica de crecimiento es un proceso quiacutemico huacutemedo realizado a bajas temperaturas que

permite fabricar materiales amorfos y poli cristalinos estos uacuteltimos se obtienen despueacutes de un

tratamiento teacutermico En el meacutetodo Sol-Gel se puede controlar la composicioacuten quiacutemica estructura

cristalina y morfologiacutea superficial de las peliacuteculas ajustando los paraacutemetros de procesamiento tales

como relacioacuten molar entre los reactivos cantidad y naturaleza de los precursores disolventes

catalizadores aditivos e impurificantes Este proceso sigue la ruta quiacutemica que muestra en la figura

34 este parte de una solucioacuten inicial compuesta por un alcoacutexido metaacutelico por agua y por un

disolvente al que se le agrega un catalizador que puede ser tanto aacutecido como baacutesico Las reacciones

de hidroacutelisis y condensacioacuten se desencadenan a fin de sintetizar una suspensioacuten coloidal de

partiacuteculas soacutelidas o cuacutemulos en un liacutequido llamado Sol A medida que la reaccioacuten continua aumenta

la viscosidad de la solucioacuten hasta la forma del Gel el cual estaacute constituido de dos partes una soacutelida

que corresponde a las partiacuteculas de oacutexido y una liacutequida que es el disolvente inicial del Sol Luego

de esto se inicia un periodo de secado en condiciones normales de presioacuten y temperatura en el cual

se lleva a cabo la eliminacioacuten del disolvente y del agua residual de tal modo que el Gel se encogeraacute

obtenieacutendose un xerogel Al teacutermino del tiempo de secado generalmente se tienen disolventes y

agua para solucionar esto se somete a un tratamiento teacutermico (Ramiacuterez 2015)

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Figura 34 Ruta quiacutemica para el proceso de sol-gel (Fuente Ramiacuterez)

323 Rociado Piroliacutetico

Esta teacutecnica consiste en la pulverizacioacuten de una solucioacuten que contiene los iones metaacutelicos del

oacutexido que se quiere producir sobre un sustrato que se encuentra a una temperatura elevada El

precursor del material a ser fabricado se disuelve en metanol o etanol esta solucioacuten denominada

solucioacuten precursora es transformada en partiacuteculas muy finas mediante un nebulizador formando

una especie de vapor la solucioacuten nebulizada se transporta hacia el sustrato caliente con ayuda de

un gas portador (aire comprimido) de tal manera que llega al sustrato en forma de gota pequentildea

La pirolisis se produce en la superficie caliente del sustrato dando lugar a la peliacutecula delgada como

producto de la descomposicioacuten del compuesto quiacutemico por accioacuten del calor los componentes

reactivos de la solucioacuten precursora se seleccionan de tal modo que los productos de la reaccioacuten

quiacutemica que no intervienen en la formacioacuten de la peliacutecula sean volaacutetiles a la temperatura de trabajo

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Esto requiere del anaacutelisis del precursor quiacutemico tanto de la fase liacutequida como de la fase gaseosa

y una exploracioacuten de las reacciones superficiales que llevan a la formacioacuten de la peliacutecula delgada

En este proceso de fabricacioacuten de peliacuteculas delgadas un factor muy importante es la uniformidad

del tamantildeo de las gotas generadas

Cuando el vapor de la solucioacuten se aproxima al sustrato en condiciones ideales se espera que el

solvente se vaporice totalmente provocando la descomposicioacuten de los componentes no volaacutetiles

(Leoacuten 2014) En la figura 35 se muestra un esquema del equipo detallando cada parte

componente del mismo

Figura 35 Esquema del equipo de rociado piroliacutetico (Fuente Acosta amp Magantildea)

Piroacutelisis La reaccioacuten piroliacutetica la cual determina la cineacutetica del depoacutesito se efectuacutea cuando el

rociacuteo entra en contacto con el sustrato caliente y seguacuten el tamantildeo de las gotas se produciraacute

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diferentes procesos dependientes del comportamiento teacutermico de las gotas A continuacioacuten se

detallan 4 procesos diferentes seguacuten el tamantildeo de la gota

Gotas de tamantildeo muy pequentildeo

La reaccioacuten se completa durante el transporte antes de llegar al sustrato y se produce un polvo

del material sobre el sustrato la facilidad de este proceso es que puede ser faacutecilmente removido

Gotas de tamantildeo ideal

El solvente pasa a la fase gaseosa completamente antes de alcanzar el sustrato las partiacuteculas

precipitadas se fusionan vaporizan y se difunden sobre la superficie del sustrato En este proceso

las partiacuteculas producidas sufren procesos de adsorcioacuten difusioacuten superficial reaccioacuten de

nucleacioacuten por lo tanto determinan el crecimiento del recubrimiento El resto de los productos de

la reaccioacuten se volatilizan y se difunden fuera del sustrato

Gotas de tamantildeo mediano

El solvente de las gotas se vaporiza al llegar al sustrato dejando partiacuteculas precipitadas de los

reactantes los cuales se fusionan en la superficie del sustrato y causan enfriamiento localizado

obtenieacutendose recubrimientos de baja calidad

Gotas de tamantildeo grande

La energiacutea teacutermica absorbida por la gota durante el transporte al sustrato no es suficiente para

que el solvente se pueda evaporar por completo El solvente residual se evaporaraacute en el sustrato

formando estructuras no homogeacuteneas

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Para lograr la selectividad de las gotas que llegaraacuten al sustrato se graduacutea la longitud entre lo

boquilla y el sustrato Considerando que la fuerza gravitacional es proporcional a 1199033 siendo r el

radio de la gota Las gotas de radios mayores al valor criacutetico no pueden ser transportadas por el

gas portador y por lo tanto regresan al nebulizador En las cercaniacuteas del sustrato se forma una

niebla de la solucioacuten con una distribucioacuten uniforme de gotas de tamantildeo pequentildeo requisito

importante para la obtencioacuten de recubrimientos delgados de buena calidad

Las fuerzas que determinan el recorrido de las gotas por la tobera son la gravitacional y la fuerza

de Stokes debido a la friccioacuten entre la gota y las moleacuteculas de aire seguacuten Silva (2013)

119917119956 = 120788120645120636119955(119959119941 + 119959119938) [120783 +120785

120790119929119942] 120784 120783

119917 = 119950119944 120784 120784

En donde 120578 es la viscosidad de la gota 119903 es el radio de la gota 119907119889 es la velocidad de la gota 119907119886

es la velocidad del aire y 119877119890 es el nuacutemero de Reynolds

El nuacutemero de Reynolds para partiacuteculas esfeacutericas en un flujo gaseoso es

119929119942 = 120784119955(119959119941 + 119959119938)

120636120633119938 120784 120785

En donde 120575119886 es la densidad del aire

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Cuando estas dos fuerzas alcanzan el equilibrio (119865 = 119865119904) las gotas viajan con velocidad

constante denominada velocidad liacutemite (119907119889119897) Al resolver la ecuacioacuten cuadraacutetica que nos da el

igualar las ecuaciones 21 y 22 tenemos

119959119941119949 = minus (119939

120784) + (

119939120784

120786minus 119940)

120783120784

120784 120786

En donde

119939 =120786120636

120785119955120633119938minus 120784119959119938 119962 119940 = 119959119938

120784 minus120786120636

120785119955120633119938119959119938 + (120633(119931) +

119924119956119924

120783120782120785)

120790119955

120784120789120633119938

Siendo 120575(119879) la densidad del solvente a temperatura T 119872119904 el peso molar del soluto y M la

molaridad de la solucioacuten (Leoacuten 2014)

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas

Los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas en sus etapas iniciales se

pueden ver en la figura 36 una vez que la partiacutecula se ha condensado de la fase gaseosa puede

inmediatamente re-evaporarse o difundirse sobre la superficie este proceso de difusioacuten puede

conducir a la adsorcioacuten especialmente en sitios como orillas y otros defectos (M Peacuterez 2005)

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Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas delgadas (Fuente M

Peacuterez)

Las energiacuteas de activacioacuten para la adsorcioacuten y difusioacuten dependen de los detalles atoacutemicos del

proceso en particular y la nucleacioacuten de maacutes de una partiacutecula adsorbida puede ocurrir En equilibrio

termodinaacutemico todos los procesos ocurren o proceden en dos direcciones opuestas a la misma

rapidez Por lo tanto en el equilibrio no hay un crecimiento neto de una partiacutecula y por lo tanto el

crecimiento del cristal debe ser un proceso cineacutetico de no equilibrio Desde un enfoque

fenomenoloacutegico existen tres modos diferentes del crecimiento de peliacuteculas como se observa en la

figura 37 (M Peacuterez 2005)

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes isla y (c) por islas

(Fuente M Peacuterez)

El crecimiento de peliacuteculas delgadas es descrito por minimizacioacuten de la energiacutea libre superficial

de la capa superior (120574119904119906119901) del sustrato (120574119904) y de la energiacutea libre de la interfase (120574119894119899119905) el cual

estaacute descrito por Δ120574 = 120574119904 minus 120574119904119906119901 minus 120574119894119899119905 (Leoacuten 2014 Aacutelvaro 2014)

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331 Modo de crecimiento capa por capa (120491120632 gt 120782)

Donde la interaccioacuten entre el sustrato y los aacutetomos de las capas es maacutes fuerte que entre los

mismos aacutetomos de las capas (Leoacuten 2014)

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas

Corresponde a un caso intermedio despueacutes de la formacioacuten de una o de muchas mono-capas

completas ocurre la formacioacuten de islas El crecimiento de islas 3D crece sobre la primera o la

uacuteltima mono capa (Leoacuten 2014 Ramiacuterez 2015)

333 Modo de crecimiento por islas (120491120632 lt 120782)

Es el caso en el que la interaccioacuten entre los aacutetomos que conforman las peliacuteculas es maacutes fuerte

(Leoacuten 2014)

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CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO

Realizar la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas sobre el sustrato requiere una cuidadosa

optimizacioacuten La siacutentesis de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se realizoacute por el meacutetodo de rociado

piroliacutetico con paraacutemetros optimizados como son la molaridad del precursor la temperatura del

sustrato la presioacuten de aire del compresor el flujo de aire y la distancia de la boquilla al sustrato

El objetivo de este trabajo de tesis fue analizar el efecto de la temperatura de recocido en un

rango de 400 minus 500 sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

En este capiacutetulo se detalla el procedimiento que se utilizoacute para la siacutentesis de las peliacuteculas

delgadas La limpieza del sustrato tambieacuten es una parte importante en la fabricacioacuten de las peliacuteculas

delgadas ya que es en donde se realizaraacute el depoacutesito y por lo tanto debe encontrarse libre de

impurezas y grasa

41 Materiales Equipos e Instrumentos

Como sustrato en donde se depositoacute la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se usoacute un vidrio

(Figura 41) con un aacuterea de 762 times 254 1198981198982

Para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol se utilizaron como precursores el Acetato de Zinc

Dihidratado [119885119899(1198621198673119862119874119874)2 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995) el Cloruro de Cobre

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dihidratado [1198621199061198621198972 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995 ) y como solvente etanol absoluto

[C2H5OH] del laboratorio Merck (998)

Para la limpieza de los sustratos se utilizoacute un agitador ultrasoacutenico (figura 42) y un horno

eleacutectrico marca Oster (119879119898aacute119909 = 400 )

Para lograr la uniformidad al momento de mezclar los materiales precursores se utilizoacute un

agitador magneacutetico (Hot Plate Stirring VWR)

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearl (Fuente Elaboracioacuten Propia)

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Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratos (Fuente Elaboracioacuten propia)

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42 Meacutetodo

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos

Para una buena deposicioacuten de la peliacutecula el sustrato a utilizar debe estar libre de impurezas

asegurando una oacuteptima adherencia

El proceso de limpieza de los sustratos empezoacute por la colocacioacuten de eacutestos en un depoacutesito que

conteniacutea agua potable y detergente marca Ariel por un tiempo de 5 minutos (Figura 43) luego se

trasladoacute a otro depoacutesito que conteniacutea aacutecido niacutetrico [1198671198731198743] al 65 durante 15 minutos en seguida

se procedioacute a enjuagarlos con agua ultrapura despueacutes se colocoacute en recipiente que conteniacutea agua

ultrapura y fueron puestos en el agitador ultrasoacutenico por 15 minutos (Figura 44) Pasado este

tiempo se retiraron los sustratos y se colocaron dentro del horno marca Oster por 10 min a 205

(Figura 45)

Figura 43 Sustratos en detergente (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenico (Fuente Elaboracioacuten propia)

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en horno (Fuente Elaboracioacuten propia)

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422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

Preparacioacuten de la solucioacuten precursora

Para la preparacioacuten de la solucioacuten se calculoacute la cantidad en gramos que debemos tener del

precursor en nuestro caso el acetato de zinc di-hidratado Para ello se utilizoacute la siguiente foacutermula

119950(119944) = 119924 times 119917119934 times 119933119952119949(119930119952119949 ) times 119927119958119955119942119963119938 120786 120783

Doacutende

m (g) Masa en gramos del precursor

M Molaridad (molLitro)

FW masa molar (gmol)

Vol (Sol) Volumen de la solucioacuten (Litros)

Pureza Porcentaje de pureza del precursor

La masa molar del acetato de zinc di-hidratado es de 21949 gmol el volumen de etanol que

se preparoacute fue 0020 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120784120783120791 120786120791

119944

119950119952119949) (120782 120782120784120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120786120785120790120789120788

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La masa del precursor fue medida con una balanza analiacutetica marca Mettler Toledo (plusmn01 119898119892)

ver figura 46

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica (Fuente Elaboracioacuten propia)

En un recipiente se mezclaron la masa medida del acetato de zinc di-hidratado y los 20 ml de

etanol que llamaremos mezcla 1

Para lograr uniformidad en la solucioacuten esta fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a una

temperatura de 60 durante 2 h (Figura 47) resultando transparente y homogeacutenea

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Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

La masa molar del cloruro de cobre di-hidratado es de 17048 gmol el volumen que se preparoacute

fue 0010 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120783120789120782 120786120790

119944

119950119952119949) (120782 120782120783120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120783120789120782120785120791

La masa de los precursores fue medida nuevamente con la balanza analiacutetica marca Mettler

Toledo (plusmn01 119898119892)

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En otro recipiente se combinaron la masa medida del cloruro de cobre dihidratado y los 10 ml

de etanol que llamaremos mezcla 2 luego fue colocado en el agitador magneacutetico a temperatura

ambiente durante 15 min

Despueacutes de haber agitado magneacuteticamente cada precursor en otro recipiente se colocoacute 194 ml

de la mezcla 1 y se le agregoacute 06 ml de la mezcla 2 de tal forma que se pueda tenerse una

proporcioacuten 119881119900119897119862119906

119881119900119897119885119899= 3 A esta nueva solucioacuten llamaremos mezcla 3

Para lograr uniformidad la nueva solucioacuten fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a

temperatura ambiente durante 15 min (Figura 48) para lograr su homogeneidad

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Proceso de siacutentesis

Para la obtencioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se utilizoacute el equipo de rociado

piroliacutetico que se encuentra en la seccioacuten de Nanociencia y Nanomateriales del Laboratorio de

Fiacutesica de Materiales ldquoDr Lennart Haselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo ver figura

49

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3

vol (Fuente Elaboracioacuten propia)

Este equipo de rociado piroliacutetico utilizado en la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas consiste de

los siguientes componentes Compresor de aire (1) Controlador de presioacuten en el rango de 0 ndash 80

psi (2) Controlador de flujo de aire en el rango de 1 ndash 15 Lmin (3) Caacutemara de vidrio (4)

Termoacutemetro (5) Nebulizador (6) Boquilla o Tobera (7) Platea caliente (8) Soporte universal (9)

Dispositivo moacutevil con una rapidez de 2311990910minus3 119888119898 119904frasl (10) Fuente de alimentacioacuten DC de 0 ndash 12

V (11) Fuente de alimentacioacuten AC de 0- 40 V (12) y Termocupla y controlador de temperatura en

el rango de 0 minus 500 (13)

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Sobre el nebulizador se colocoacute una tobera de vidrio piacuterex por la que ascienden las gotas maacutes

pequentildeas hasta llegar al sustrato caliente sobre el cual se produjo el proceso de piroacutelisis El

conjunto nebulizador y tobera estaacute acoplado a un dispositivo moacutevil el cual se va desplazando en

la direccioacuten del sustrato con el fin de obtener un recubrimiento uniforme

Las siacutentesis de la peliacutecula se hizo a la temperatura de 300 plusmn 10 La presioacuten del compresor

y el flujo de aire se mantuvieron a 30 119901119904119894(~207 119896119875119886) 119910 5 119871119898119894119899 respectivamente La distancia

boquilla sustrato se mantuvo a 30 cm con el fin de que el flujo nebulizado dirigido hacia la

superficie del sustrato se mantenga laminar El desplazamiento de la tobera-boquilla a lo largo del

sustrato se hizo con una rapidez aproximada de 04 mms con intervalos de 40 plusmn 05 119898119894119899 entre

cada ida y vuelta tiempo necesario para mantener la temperatura estable y mejor cristalizacioacuten del

soacutelido El nuacutemero de capas que consideramos oacuteptimas en este trabajo fue de 6 seguacuten E Noriega

(2015)

Al teacutermino del proceso el sistema compuesto peliacuteculasustrato se dejoacute enfriar lentamente dentro

de la caacutemara hasta la temperatura ambiente por 15 horas con el fin de lograr una buena

cristalizacioacuten

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol

Para el tratamiento teacutermico se dividioacute el sustrato que conteniacutea la peliacutecula en 4 partes usando

una como muestra testigo (300 ) y las tres restantes sometieacutendolas por dos horas de

mantenimiento a las temperaturas de recocido de 400 450 119910 500 El horno donde se hizo el

recocido fue un Horno eleacutectrico Marca Brasimet ver figura 410 con una incertidumbre de plusmn5

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la figura 411 se puede ver un diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas

delgadas de ZnO Cu 3 vol

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Figura 411 Diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten

Para caracterizar las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol se emplearon las teacutecnicas de

difraccioacuten de rayos X (DRX) para determinar el tamantildeo del cristalito y la estructura la

espectrofotometriacutea ultravioleta visible (UV-Vis) para determinar la transmitancia absorbancia y

energiacutea del gap y por el uacuteltimo se utilizoacute el Microscopio de Fuerza Atoacutemica (AFM) para

determinar la morfologiacutea y rugosidad A continuacioacuten se describiraacuten brevemente estas teacutecnicas

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX)

La difraccioacuten de rayos X es una teacutecnica de caracterizacioacuten que sirve para analizar espectros

relacionados con la estructura de los materiales que son la constante de red estructura cristalina

identificacioacuten de materiales orientacioacuten de monocristales y orientaciones preferenciales de

policristales Los rayos X se caracterizan porque su longitud de onda variacutea de 01 minus 100 Å (Rayos

X fluorescencia online) En la figura 412 se puede ver un esquema de difraccioacuten de rayos X

basado en la ley de Bragg

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos x (Fuente Rojas)

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41

Cuando un haz de rayos X de una longitud de onda especiacutefica del mismo orden de magnitud de

las distancias interatoacutemicas del material llega a este los rayos X se dispersan en todas las

direcciones La mayor parte de la radiacioacuten dispersada por un aacutetomo anula la radiacioacuten dispersada

en otros aacutetomos Los rayos X que llegan a ciertos planos cristalograacuteficos formando aacutengulos

especiacuteficos con ellos se refuerzan en lugar de aniquilarse a este fenoacutemeno se llama difraccioacuten

Los rayos X se difractan o el haz se refuerza cuando las condiciones satisfacen la Ley de Bragg

119852119842119847 120637 =119951120640

120784119941119945119948119949 120786 120783

Donde 120579 es la mitad del aacutengulo que forman el haz difractado y el haz original n es el orden de

difraccioacuten 120582 es la longitud de onda de los rayos X 119889ℎ119896119897 es la distancia interplanar que produce

refuerzo del haz ℎ119896119897 son los iacutendices de Miller (Askeland 1998) La difraccioacuten ocurre siempre y

cuando se satisfaga la ley de Bragg por lo que no necesariamente cualquier direccioacuten arbitraria

produciraacute difraccioacuten

La informacioacuten obtenida se presenta en un graacutefico de intensidad en funcioacuten de 2120579 llamado

patroacuten de difraccioacuten Cada sustancia produce siempre un patroacuten de difraccioacuten caracteriacutestico

independientemente de que si se encuentra en un estado puro o formando parte de una mezcla de

sustancias (Askeland 1998)

Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

fueron obtenidos con el difractoacutemetro RIGAKU Miniflex-600 que opera en la geometriacutea Bragg-

Brentano donde la radiacioacuten 119862119906 119896120572 (120582 = 15406 Aring) fue utilizada como fuente de rayos X El

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equipo operoacute a 30 KV de voltaje y 10 mA de corriente el barrido se realizoacute en un aacutengulo de 2120579

con rango desde 20deg a 70deg con velocidad de escaneo de 5 deg119898119894119899

La identificacioacuten de los picos de difraccioacuten se comparoacute con la base de datos Card info 00-900-

8877 de la Crystallography Open Database mostrado en el anexo A

La distancia interplanar se calculoacute con la ley de Bragg para el primer orden (n=1) de difraccioacuten

de acuerdo a la ecuacioacuten 41 tendriacuteamos

119837 =120640

120784 119852119842119847 120637 120786 120784

En donde 120579 es el aacutengulo de incidencia y 120582 = 15405981 Aring

Paraacutemetros de red

Para identificar la constante de red c de la estructura de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se tomoacute

en cuenta la estructura hexagonal wurtzita cuya distancia interplanar estaacute relacionada con los

iacutendices de Miller de los planos (hkl) y las constantes de red a y c a traveacutes de la ecuacioacuten 43

(Askeland 1998) y con el tamantildeo de cristalito (119863)

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784 120786 120785

A partir de la ecuacioacuten 43 es posible determinar los paraacutemetros de la red cristalina Cuando se

incide sobre un cristal muy pequentildeo del orden de nanoacutemetros se produce un ensanchamiento del

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pico de difraccioacuten esto permite determinar el tamantildeo promedio del cristal (119863) por medio de la

ecuacioacuten de Scherrer (Gurumurugan amp Mangalaraj 1995)

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637 120786 120786

Donde D es el tamantildeo del cristalito K es el factor de forma (K=09 para esferas) 120582 es la longitud

de onda de los rayos X (120582 = 15405981 Aring ) 120573 es el ancho completo de la mitad del maacuteximo y se

encuentra en radianes por lo tanto hay que convertir los valores de (FWHM) que se encuentran en

grados multiplicaacutendolos por 120587 180degfrasl y 120579 es el aacutengulo de Bragg

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectrometriacutea UV-Vis se basa en la absorcioacuten de radiacioacuten UV o visible por parte de las

moleacuteculas y se emplea para analizar muestras en fase liacutequida o soacutelida La espectrometriacutea de

absorcioacuten implica la medida de la fraccioacuten de la luz de una longitud de onda que pasa a traveacutes de

una muestra la figura 413 muestra la geometriacutea del equipo la muestra no emite luz por siacute misma

por lo que se debe incluir una fuente de radiacioacuten El paso de la luz a traveacutes de un monocromador

o un filtro selecciona la longitud de onda para el anaacutelisis (Hernaacutendez 2014)

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Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vis (Fuente Hernaacutendez)

Durante el anaacutelisis de la muestra se hacen dos mediciones en la primera se mide la cantidad de

luz en funcioacuten de la longitud de onda que llega al transductor cuando se ha colocado un blanco

(vidrio) Se denomina 1198680 del blanco cuando la concentracioacuten del material analizado es cero

La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras (vidrio + peliacutecula) con la

medida del blanco (vidrio) Llamamos 119868 a la intensidad que se mide con las muestras o con el

estaacutendar La comparacioacuten que se hace implica la relacioacuten 1198681198680 con ambas intensidades medidas

en las mismas condiciones del instrumento (longitud de onda geometriacutea) Se utilizan tres teacuterminos

diferentes para expresar esta relacioacuten

El primero es simplemente la relacioacuten 1198681198680 y se denomina Transmitancia que es denotada por

la letra T

119931 =119920

119920120782 120786 120785

El segundo es el porcentaje de transmitancia

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119931 = 119931 lowast 120783120782120782 120786 120786

El tercero es el logaritmo negativo de T que se denomina Absorbancia y se denota con la letra

A

119912 = minus 119845119848119840119920

119920120782= minus 119845119848119840 119931 120786 120787

Para la determinacioacuten del ancho de banda de energiacutea prohibida la energiacutea del gap (119864119892) es

determinada del espectro experimental del coeficiente de absorcioacuten (120572) como una funcioacuten de la

energiacutea del fotoacuten (ℎ120592)

En los materiales de gap directo como el ZnO se utiliza la siguiente ecuacioacuten

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ

es la constante de Planck 120584 es la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

En una graacutefica (120572ℎ120584)2 119907119904 ℎ120584 el ajuste a una recta de la parte proacutexima a 120572 = 0 el intercepto

para la ordenada nula es el valor de la energiacutea prohibida Esta recta tiene una expresioacuten de la forma

119910 = 119898119909 + 119887 lo que se tiene que buscar es el valor de 119909 para 119910 = 0 esto es 119909 = minus119887119898

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La conversioacuten de la energiacutea del fotoacuten en funcioacuten de la longitud de onda se realiza mediante la

constante de Planck(ℎ) y la de la velocidad de la luz (119888) La frecuencia del fotoacuten se relaciona con

la longitud de onda a traveacutes de la siguiente ecuacioacuten

119940 = 120642120640 120786 120789

Entonces la energiacutea del fotoacuten se puede escribir en funcioacuten de la longitud de onda como

119916 =119945119940

120640 120786 120790

Por lo tanto la energiacutea del fotoacuten puede calcularse como 12398

120582(119899119898) Aplicando al caso del ZnO se

adquieren los valores de la longitud de onda y la transmitancia del vidrio y la medida se divide la

transmitancia medida entre la del vidrio para obtener la transmitancia de la peliacutecula Se transforma

la transmitancia en coeficiente de absorcioacuten y la longitud de onda en energiacutea (H Bubert amp Jenett

2002)

Los anaacutelisis de absorbancia y transmitancia para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con

tratamiento de recocido se realizaron con el espectroacutemetro UV-Vis marca Analytik Jena Modelo

Specord Plus 250 y con un barrido de longitud de onda de 300 nm a 800 nm

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443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)

Este meacutetodo inventado en 1985 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer pertenece al grupo de

teacutecnicas de microscopiacutea de fuerza de barrido un grupo de teacutecnicas que estaacuten basadas en la

medicioacuten de diferentes fuerzas como son la fuerza atractiva la gravitatoria la repulsiva la

magneacutetica la de Van Der Walls y la electrostaacutetica esta medicioacuten es hecha entre la punta fina y la

superficie de la muestra

La formacioacuten de la imagen se lleva a cabo mediante la medicioacuten de la fuerza de interaccioacuten a

traveacutes de la deflexioacuten de un cantileacutever Aunque diversos tipos de fuerzas se encuentran cuando una

punta se aproxima a la superficie de la muestra la generacioacuten de la sentildeal en el AFM se basa

esencialmente en fuerzas repulsivas interatoacutemicas que son de naturaleza de corto alcance

En el caso ideal se puede asumir ver figura 414 lo que significa que el contacto directo de la

punta con la superficie se la muestra se limita a un aacuterea muy pequentildea Como resultado de esto

siempre hay una fuerza repulsiva interatoacutemica en esta pequentildea aacuterea de contacto debido a la

penetracioacuten de las capas electroacutenicas de los aacutetomos de la punta y los de la superficie de la muestra

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Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del sustrato (Fuente Rojas)

La fuerza repulsiva interatoacutemica estaacute influenciada por la densidad total de electrones alrededor

de un aacutetomo y no soacutelo por los estados particulares de la energiacutea La interaccioacuten entre la punta y la

muestra puede ser descrita por una graacutefica fuerza vs distancia esta graacutefica mostrada en la figura

415 permite ver los cambios de fuerza cuando la punta se acerca a la muestra si hay una gran

separacioacuten no hay interaccioacuten por lo tanto la fuerza seriacutea cero (en la liacutenea entre 1 y 2 no habriacutea

fuerzas electrostaacuteticas) En la posicioacuten 2 la punta pasa a estar en contacto debido a la fuerza

atractiva de Van Der Walls como la punta se mueve hacia la muestra entonces la fuerza total que

actuacutea sobre el cantileacutever es repulsiva Cuando la punta es arrastrada sobre la muestra las fuerzas

se reducen a lo largo de la liacutenea pasando de la posicioacuten 3 a la posicioacuten 4

Por debajo de la liacutenea de fuerza del diagrama dicha fuerza que actuacutea sobre el cantileacutever se

vuelve atractiva debido a la adhesioacuten En el punto 4 la fuerza es de adhesioacuten y la carga del

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cantileacutever apenas estaacute equilibrada la punta es tirada hacia afuera de la superficie debido a las

fuerzas de repulsioacuten

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta con la superficie del

sustrato (Fuente Rojas)

Modos de trabajo de un microscopio de fuerza atoacutemica

El AFM puede funcionar en distintos arreglos o modos experimentales estos modos se dividen

baacutesicamente en dos grupos modos de contacto continuo y modos dinaacutemicos Los modos de

contacto continuo fueron los primeros utilizados en los antildeos tempranos del AFM y su uso apenas

insinuaba la resolucioacuten nanomeacutetrica de la que el instrumento era capaz El meacutetodo dinaacutemico de

maacutes uso es el meacutetodo de contacto intermitente o tapping mode (Loacutepez y Solares 2014)

Modo contacto

El modo contacto es el disentildeo experimental maacutes simple en este modo la punta de la sonda se

encuentra en contacto perpetuo con la muestra por lo que tambieacuten es llamado modo estaacutetico La

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figura 416 muestra el funcionamiento del AFM en modo contacto Durante la toma de imaacutegenes

en modo contacto la variable control es la deflexioacuten de la micropalanca (anaacutelogo a la compresioacuten

o estiramiento de un resorte) La variable control es mantenida constante por medio de un circuito

de retroalimentacioacuten (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemica (Fuente Loacutepez y Solares)

El escaacutener sobre el que descansa la muestra se encarga de moverla con respecto a la

micropalanca en direccioacuten ldquoxyrdquo para realizar distintas liacuteneas de escaneo La micropalanca al

interactuar con la muestra sufre una deflexioacuten proporcional a la fuerza de interaccioacuten con la

superficie obedeciendo a la ley de Hooke (ecuacioacuten 49) En este circuito la sentildeal de deflexioacuten es

leiacuteda en el fotodetector y transmitida a la caja electroacutenica donde se compara el valor actual con el

punto de ajuste (setpoint) De acuerdo a esa diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal de salida

al escaacutener para ajustar la posicioacuten en el eje ldquozrdquo de la muestra si fuera necesario para mantener la

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variable control constante Como consecuencia de las exploraciones en ejes ldquoxyrdquo asiacute como los

cambios en ldquozrdquo se genera una imagen topograacutefica de la superficie de la muestra estudiada (Loacutepez

y Solares 2014)

= 119948119963∆119937 120786 120791

Donde

Fuerza arbitraria de magnitud F

∆119937 Compresioacuten del resorte

119948119963 Constante elaacutestica

Modo contacto intermitente

Eacuteste meacutetodo es comuacutenmente conocido como ldquotapping moderdquo en ingleacutes es el meacutetodo maacutes baacutesico

de los meacutetodos dinaacutemicos ademaacutes es el meacutetodo maacutes frecuente utilizado en AFM En este meacutetodo

la micropalanca se hace vibrar con amplitudes en el rango nanomeacutetrico (aproximadamente entre 5

y 200 nm) razoacuten por la que se le conoce como una teacutecnica de amplitudes ldquograndesrdquo El teacutermino

ldquograndesrdquo es relativo cuando se compra a otras teacutecnicas dinaacutemicas en la que la micropalanca puede

vibrar en el rango de los angstroms como en el caso de modulacioacuten de frecuencia en alto vaciacuteo

(Gross et al 2009)

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El AFM de contacto intermitente funciona con un circuito que controla la amplitud y se encarga

de mantenerla a un valor preestablecido (setpoint) En el circuito de modulacioacuten de amplitud ver

figura 417 la amplitud es calculada internamente con los valores de pendiente de la micropalanca

que lee el fotodetector Luego esa amplitud se compara con el valor preestablecido de amplitud y

si existe una diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal al escaacutener este se encarga de hacer la

correccioacuten en el eje ldquozrdquo para poder alcanzar el valor preestablecido y de esta forma mantener la

variable control (amplitud) constante Al igual que el meacutetodo de contacto las exploraciones en

ejes ldquoxyrdquo asiacute como los cambios en el eje ldquozrdquo generan una imagen topograacutefica de la superficie

estudiada (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitente (Fuente Loacutepez y Solares)

Los cambios topograacuteficos generan cambios en la amplitud de oscilacioacuten Por ejemplo si la

micropalanca se encuentra con una protuberancia la amplitud de la punta se veraacute reducida

temporalmente luego para compensar por esa peacuterdida de amplitud el escaacutener recibiraacute a traveacutes del

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circuito la sentildeal para mover la muestra hacia abajo con el objetivo de mantener la amplitud

preestablecida (setpoint) Es importante mencionar que en este modo se escoge una amplitud en el

experimento correspondiente a una fraccioacuten de la amplitud libre ver figura 417) Tanto la

amplitud libre de la punta como la fraccioacuten de la amplitud libre se escogen durante el experimento

la eleccioacuten de estos paraacutemetros antildeade complejidad si lo comparamos con el modo contacto donde

el usuario uacutenicamente se preocupa de una variable que es la deflexioacuten de la micropalanca (Loacutepez

y Solares 2014) Es por ello que en general el aumento del grado de sofisticacioacuten del meacutetodo en

AFM permite la recopilacioacuten de mayor informacioacuten pero al mismo tiempo requiere de mayor

juicio conocimiento y experiencia del usuario

Existen ecuaciones que sirven para determinar los distintos paraacutemetros de rugosidad de las

muestras a analizar de las cuales soacutelo se usaron dos en este trabajo de tesis que son

Desviacioacuten Promedio

119929119938 =120783

119951 sum|119962119946|

119951

120783

120786 120783120782

Desviacioacuten Estaacutendar

119929119954 = radic120783

119951 sum 119962119946

120784

119951

120783

120786 120783120783

Donde

119962119946 Distancia vertical desde la liacutenea principal hasta el i-eacutesimo punto de dato

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119951 Orden de los perfiles de rugosidad

119929119938 Desviacioacuten Promedio (Rugosidad Media)

119929119954 Desviacioacuten Estaacutendar (Rugosidad Cuadraacutetica Media)

Los anaacutelisis de rugosidad de las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

se realizaron con el equipo de Microscopiacutea de fuerza atoacutemica marca Bruker y modelo Dimension

Edge V-T 102

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CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

51 Difraccioacuten de Rayos X

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano

En la figura 51 se observan los picos de difraccioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

sintetizada a 300 y de las recocidas a las temperaturas de 400 450 119910 500 respectivamente

Los picos de difraccioacuten teoacutericos se encuentran en el anexo A Todas las muestras presentan

naturaleza policristalina y estructura hexagonal wurtzita con una clara orientacioacuten preferencial en

el plano (002) no se presentaron picos caracteriacutesticos del cobre debido al bajo porcentaje de

dopaje La intensidad del pico del plano (002) en las peliacuteculas sometidas a temperaturas de

recocido son mayores en comparacioacuten a la de la peliacutecula sin recocido presentando el mayor pico

a 450 mientras que el plano (100) aparece uacutenicamente en la peliacutecula recocida a 400 S

observoacute una disminucioacuten del tamantildeo del cristalito con la primera temperatura de recocido de alliacute

en adelante fue aumentando en cambio el paraacutemetro de red c fue disminuyendo con la temperatura

de recocido Todo esto puede ser quizaacutes a la sustitucioacuten de iones de cobre en los sitios del zinc

ingreso de iones de cobre a los intersticios (ya que el radio ioacutenico del zinc es casi del mismo tamantildeo

que el del cobre) o vacancias de iones de zinc u oxiacutegeno produciendo una deformacioacuten en la red

seguacuten Filali Torchynska Diacuteaz amp Morales (2015) Si iones Cu1 sustituyen a iones Zn2 en la

estructura cristalina existe un incremento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como

se observa en las peliacuteculas recocidas a 450 119910 500 pero si es el ion Cu2 el que sustituye a iones

Zn2 se observa un decrecimiento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como sucede en

las peliacuteculas de 300 400 119910 450

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Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con recocido (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la tabla 1 se muestran los valores calculados para el aacutengulo de Bragg del plano (002) la

distancia interplanar el paraacutemetro c el ancho completo de la mitad del maacuteximo y el tamantildeo del

cristalito

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Tabla 1

Tabla de valores para las propiedades estructurales

Datos obtenidos mediante DRX y caacutelculos (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra

120784120637(deg)

119941119945119948119949(Aring)

119836 (Aring)

FWHM 119811 (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3441 2604 5208 03221 2582

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 3448 2599 5198 04430 1878

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 3463 2588 5176 03161 2633

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 3458 2592 5184 02847 2923

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En la figura 52 se observa la relacioacuten entre el tamantildeo del cristalito y la temperatura de recocido

el recocido a 400 no fue suficiente para lograr aumentar el tamantildeo del cristalito es por eso que

disminuye considerablemente a partir de alliacute aumenta a medida que lo hace la temperatura

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica

521 Morfologiacutea y rugosidad

La figura 53 a-d muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas tomadas en AFM en dos

dimensiones barridas en un aacuterea de 5120583119898 119909 5120583119898 La superficie de las peliacuteculas no son homogeacuteneas

son rugosas con tamantildeo de grano variable Para a) se observa que el crecimiento del grano se dio

en forma de montantildeas en b) el crecimiento del grano cambioacute draacutesticamente y se dio en forma de

espiral esto puede ser debido al reordenamiento de los aacutetomos que se dio al someter la peliacutecula a

la temperatura de recocido para c) mejoroacute la cristalinidad y la forma de crecimiento fue

nuevamente como montantildea esto concuerda con el aumento del valor del tamantildeo del cristalito y

para d) la cristalinidad volvioacute a mejorar en concordancia con el tamantildeo del cristalito que aumento

un poco maacutes Esto es debido a que el incremento del tamantildeo del cristalito causa un aumento en la

rugosidad seguacuten Saidani et al (2006)

Para cada peliacutecula se hicieron tres mediciones en diferentes zonas para determinar los

paraacutemetros de rugosidad siendo sus valores promedio Rugosidad Promedio (119877119886) 000611 120583119898 y

la Rugosidad Cuadraacutetica Media (119877119902) 0007843 120583119898 que son mostrados en la tabla 2

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Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 ordmC c) rec a 450 ordmC

y d) rec a 500 ordmC (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la figura 54 a b c y d se muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas ahora en tres

dimensiones en estas imaacutegenes se observa mucho mejor el cambio de la cristalinidad y la

morfologiacutea para cada peliacutecula la rugosidad (Ra) aumenta en funcioacuten de la temperatura de recocido

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 c) rec a 450 y

d) rec a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

En la tabla 2 se han registrado los valores de la rugosidad media (Ra) y la rugosidad cuadraacutetica

media (Rq) para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

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Tabla 2

Tabla de valores de las rugosidades

Datos obtenidos mediante el software del equipo de afm (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra 119929119954 (120641119950) 119929119938 (120641119950)

ZnOCu 3 vol sin recocido 0007843 0006110

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 0006960 0005336

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 0011033 0008840

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 0011933 00095733

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En la figura 55 se observa la rugosidad media (Ra) en funcioacuten de la temperatura de recocido

con lo cual se puede confirmar que a medida que aumenta la temperatura de recocido aumenta la

rugosidad de la peliacutecula a partir de 400

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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53 Espectrometriacutea UV-Vis

531 Transmitancia

En la figura 56 se observan los espectros de transmitancia oacuteptica de las peliacuteculas delgadas de

ZnOCu 3 vol sintetizadas por el meacutetodo de rociado piroliacutetico a 300 ordmC y las sometidas a

temperaturas de recocido de 400 ordmC 450 ordmC y 500 ordmC obtenidas por espectrofotometriacutea UV-Vis

en el rango de longitudes de onda de 300 a 750 nm

Las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin recocido y con recocido presentan alta

transmitancia (gt80) esto se debe al dopaje con cobre seguacuten Bunyod Allabergenov et al (1946)

La muestra recocida a 500 ordmC presenta la mayor transmitancia (gt80) en el rango de 500 a 600

nm

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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532 Absorbancia y energiacutea del gap

En la figura 57 se puede ver el espectro de absorbancia para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol

sin y con recocido

El pico de absorbancia para todas las peliacuteculas se tiene aproximadamente en 375 nm luego

decae hasta hacerse casi nula para todas las peliacuteculas esto se debe al dopaje con cobre seguacuten

Bunyod Allabergenov (1946)

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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Se utilizoacute el modelo de Tauc para calcular la energiacutea del gap en cada peliacutecula El dopaje con

cobre disminuyoacute la energiacutea del gap a 3256 eV comparaacutendola con el valor teoacuterico (337 eV)

mientras que al someter las peliacuteculas a temperaturas de recocido se observa que el valor de la

energiacutea del gap cambia ligeramente siendo 3256 3263 y 3257 eV para las peliacuteculas recocidas a

400 450 119910 500 respectivamente a diferencia de lo reportado por Mathew (2015) esto se deba

quizaacutes a que la cantidad de cobre no fue la suficiente para lograr la disminucioacuten de la energiacutea del

gap

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para la peliacutecula recocida a

400 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y derecha para la peliacutecula

recocida a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la tabla 3 se han registrado los valores de la energiacutea del gap para las muestras sin y con

recocido de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol

Tabla 3

Tabla de valores de la Energiacutea del Gap

Datos obtenidos usando la relacioacuten de Tauc (Fuente Elaboracioacuten Propia)

Muestra Energiacutea del Gap (eV)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 400 deg119914 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 450 deg119914 3263

ZnOCu 3 vol recocido a 500 deg119914 3257

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CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES

bull Utilizando la teacutecnica de rociado piroliacutetico se obtuvo la peliacutecula delgada de ZnOCu

3 vol siendo la temperatura de siacutentesis de 300ordmC sobre un sustrato de vidrio marca

Pearl

bull Los patrones de difraccioacuten de rayos X nos ayudaron a determinar los picos de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol obtenieacutendose como resultado

un crecimiento preferencial en la direccioacuten del plano (002) siendo la muestra recocida

a 450 ordmC la que presentoacute el pico maacutes elevado Esto es caracteriacutestico de la estructura

hexagonal wurtzita

bull El tamantildeo del cristalito aumenta a medida con la temperatura de recocido a partir de

400 ordmC

bull El paraacutemetro c disminuye a medida que aumenta la temperatura de recocido

bull Las imaacutegenes obtenidas por AFM muestran que la rugosidad media (Ra) de las

peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol aumentaron a medida que aumenta la

temperatura de recocido a partir de 400 ordmC

bull La espectrofotometriacutea UV-Vis revela que todas las muestras de ZnOCu 3 vol

presentan alta transmitancia (gt80) a partir de 400 nm hasta los 750 nm siendo la

muestra recocida a 500ordmC la que presenta mayor transmitancia (gt90) en el rango de

500 a 600 nm

bull La absorbancia a partir de 400 nm es casi nula en todas las muestras

bull La energiacutea del gap se mantiene casi constante con la temperatura de recocido

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CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS

bull Se sugiere incrementar el nuacutemero de capas de la peliacutecula delgada ya que se si bien es

cierto que si se pudieron observar los patrones de difraccioacuten estos presentan ruido en

su graacutefica y se cree que esto puedo mejorar haciendo maacutes gruesa la peliacutecula

bull Se sugiere incrementar el rango de temperaturas de recocidos para poder obtener maacutes

detalles acerca de la influencia de eacutesta temperatura en las propiedades que se quieran

analizar de las peliacuteculas delgadas

bull Se sugiere realizar el dopaje con otros porcentajes de cobre para obtener maacutes

informacioacuten acerca de la influencia de esto en las propiedades a estudiar

bull Se sugiere calcular los esfuerzos por deformacioacuten

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71

REFERENCIAS

Acosta D R y Magantildea C R (2012) Oacutexidos conductores transparentes (119885119899119874 minus 1198781198991198742) Para

Remediacioacuten Ambiental Por Procesos Fotocataliacuteticos Muestra de proyectos ambientales

de tu ciudad Instituto de Fiacutesica de la Universidad Nacional Autoacutenoma de Meacutexico

Meacutexico DF

Alamri S N y Brinkman W A (2000) The effect of the transparent conductive oxide on the

performance of thin film CdSCdTe Solar cells J Phys D Appl Phys 33(1)

Aacutelvaro A D (2014) Estudio de Peliacuteculas Delgadas de 1198821198743 depositadas por la teacutecnica de

Sputtering Reactivo (tesis de pregrado) Cimav Chihuahua Meacutexico

American Society For Testing Materials Copper and Copper Alloys Annual Book of ASTM

Standards Vol21 (2) (ASTM International West Conshohocken PA) Revisado

anualmente

Askeland D (1998)Ciencia e Ingenieriacutea de los MaterialesUsa Thomson

Bedia F Z Bedia A N Maloufi N Aillerie M Gent F y Benyoucef B (2014) Effect

of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray

pyrolysis technique Journal of Alloys and Compounds 616 312ndash318

Benharrats F Zitouni K Kadri A y Gil B (2010) Determination of piezoelectric and

spontaneous polarization fields in CdxZn1ndashxOZnO quantum wells grown along the polar

(0001) direction Superlattices and Microstructures 47 592ndash596

Bubert H y Jenett H (2002) Surface and Thin Films Analysis Alemania Wiley

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

72

Bunyod A Oybek T Amir I A Jeong S W y Sungjin K (1946) Study of optical

properties in cu-doped zno thin films fabricated by dc magnetron sputtering Kumoh

National Institute of Technology (KIT) Metallkunde 37 40-4

Caglar Y Aksoy S Ilican S y Caglar M (2009) Crystalline structure and morphological

properties of undoped and Sn doped ZnO thin films Superlattices and Microstructures

46 469-475

Crystallography Open Database (2018) Recuperado de

httpwwwcrystallographynetcod1011258html

Deinert J (2016) Zinc Oxide Surfaces and Interfaces Electronic Structure and Dynamics of

Excited States (tesis postdoctoral) Department of Physics Technische Universitaumlt

Berlin Berlin Alemania

Filali B E Torchynska T V Diacuteaz C A y Morales R M (2015) Structural and raman

scattering studies of ZnO Cu nanocrystals grown by spray pyrolysis Revista Mexicana

de Ingenieriacutea Quiacutemica 14(3) 781-788

Gross L Mohn F Liljeroth P Repp J Giessibl FG y Meyer G (2009) Measuring the

charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy Science 324(5933)

1428-1431

Gurumurugan y Mangalaraj (1995) Structural Characterization of zinc oxide thin films

deposited by sol-gel Journal of Crystal Growth 147 335-360

Hafdallah A Herissi I Chergui N Kebaili Z Aida M y Attaf N (2018) Structural and

optical properties of ZnO thin films deposited by pyrolysis spray method effect of Al

doping Nanotechnology Letters

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BIBLI

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

73

Hernaacutendez S S (2014) Preparacioacuten y Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de ZnO y

ZnOAl por la teacutecnica de Rociacuteo Piroliacutetico Para su Aplicacioacuten en Celdas Solares (tesis de

maestriacutea) Instituto Politeacutecnico Nacional Altamira Meacutexico

Hirata G A McKittrick J Siqueiros J Loacutepez O A Cheeks T Contreras O y Yi J Y

(1996) High transmittance-low resistivity ZnOGa films by laser ablation Journal of

Vacuum Science amp Technology A Vacuum surfaces and films 14(3) 791-794

Jeong S H Park B N Yoo D G y Boo J H (2007) Al-ZnO thin films as transparent

conductive oxides synthesis characterization and application tests Journal of the

Korean Physical Society 50(3) 622-625

Jijoy P M Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties of

Transition Metal Doped ZnO Thin Films IOP Conf Series Materials Science and

Engineering 731-5 doi 1010881757-899X

Kane J Schweizer H P y Kern W (1976) Chemical Vapor Deposition of Antimony-Doped

Tin Oxide Films Formed from Dibutyl Tin Diacetate Journal of the Electrochemical

Society 126(2) 270-277

Koumllble Ch Greiner D Klaer J Klenk R Meeder A y Ruske F (2009) DC reactive

sputtering of aluminum doped zinc oxide films for solar modules controlled by target

voltage Thin Solid Films 520 1913-1917

Leoacuten L H (2014) Efecto de la temperatura de recocido en la resistividad eleacutectrica de las

peliacuteculas de SnO2 sintetizadas por rociado piroliacutetico (tesis de pregrado) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

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IENCIA

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

74

Liu H Avrutin V Izyumskaya N Oumlzguumlr Uuml y Morkoccedil H (2010) Transparent conducting

oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices Superlattices

and Microstructures 48 458ndash484

Loacutepez W Castro P Molina J y Arbey J (2011) Estabilidad y estructura electroacutenica del

ZnO Revista Colombiana de Fiacutesica 43 (I)

Loacutepez G Morales R Olea O Saacutenchez V Trujillo J Varela V y Vilchis A (2013)

Nanoestructuras metaacutelicas Siacutentesis caracterizacioacuten y aplicaciones Meacutexico DF

Meacutexico Reverteacute

Loacutepez E A y Solares S D (2014) El microscopio de fuerza atoacutemica meacutetodos y aplicaciones

Revista 28 de la Universidad del Valle de Guatemala 14-23

Mathew J P Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties

of Transition Metal Doped ZnO Thin Films Mat Sci and Eng 73 1-5

Minami T (2008) Present status of transparent conducting oxide thin-film development for

Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes Thin Solid Films 516 5822-5828

Mizuhashi M (1980) Electrical properties of vacuum-deposited indium oxide and indium tin

oxide films Thin Solid Films 70(1) 91-100

Mooney J B amp Rading S B (1982) Spray Pyrolysis Processing Annual Reviews of

Materials Science 12 81-101

Noriega D E (2015) Efecto de la temperatura del sustrato en los esfuerzos residuales de las

peliacuteculas de ZnO sintetizadas por Rociado Piroliacutetico (tesis de Maestriacutea) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

Pan C A y Ma T P (1980) High-quality transparent conductive indium oxide films

prepared by thermal evaporation Applied Physics Letter 37(2) 163

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

75

Peacuterez M L (2005) Fabricacioacuten y Caracterizacioacuten Oacuteptica Estructural y Eleacutectrica de Peliacuteculas

Delgadas Transparentes de Oacutexidos de Estantildeo Circonio y Zinc (tesis de doctorado)

Instituto Politeacutecnico Nacional Meacutexico DF Meacutexico

Rahmani M B Keshmiri S H Shafiei M Latham K Wloarski W Plessis J du y

Kalantar-Zadeh K (2009) Transition from n- to p- Type of Spray Pyrolysis Deposited

Cu Doped ZnO Thin Films for NO2 Sensing ASP 7 1-8

Ramiacuterez C M (2015) Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de 119885119899119874 1198661198863+ Obtenidas Por La

Teacutecnica de Sol-Gel (tesis de pregrado) Universidad Tecnoloacutegica de la Mixteca

OaxacaMeacutexico

Rojas F S (2013) Influencia de la temperatura de recocido de las peliacuteculas de ZnO

compuestas con nanopartiacuteculas de Au sobre el crecimiento de Nanorods (tesis de

pregrado) Universidad Nacional de Trujillo Trujillo La Libertad Peruacute

Rozati S M (2008) Effect of film thickness on the physical properties of ZnOAl thin films

deposited using a spray pyrolysis technique Canadian J Phys 86 379ndash382

Ruumlcker N y Becker K J (1978) Life stability of transparent semiconducting oxide films

deposited onto cold substrates Thin Solids Films 53(2) 163-167

Sahay PP y Nath RK (2008) Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG)

sensors Sensors and ActuatorsB(133) 222ndash227

Saidani T Zaabat M Aida M S Benoboud A Benzitouni S y Boudine A (2014)

Influence of annealing temperature on the structural morphological and optical properties

of Cu doped ZnO thin films deposited by the sol-gel method Superlattices and

Microstructures 75 47-53

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AS

76

Ghandi S K Field R J y Shealy J R (1980) Highly oriented zinc oxide films grown by the

oxidation of diethylzinc Applied Physics Letters 37(5) 449

Waal H y Simons F (1981) Tin oxide coatings Physical properties and applications Thin

Solid Films 77 253-258

Wang L Zhang X Zhao S Zhou G Zhou Y y Qi J (2005) Synthesis of well-aligned

ZnO nanowires by simple physical vapor deposition on c-oriented ZnO thin films without

catalyst or additives App Phy Lett 86(2)

Wolgamott J C (2017) Analysis of Zinc Oxide Thin Films Synthesized by Sol-Gel via Spin

Coating (tesis de maestriacutea) The University of Wisconsin-Milwaukee USA

Yan Y Al-Jassim M M y Wei S (2006) Doping of ZnO by group-IB element Applied

Physics Letters 89

Zhon L W (2004) Nanostructures of Zinc Oxide Materials today 7 26-33

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ANEXOS

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ANEXO A

Valores Teoacutericos Del Zno

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnO (Fuente En liacutenea)

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ANEXO B

Caacutelculo de la distancia interplanar

La distancia interplanar fue calculada a partir de la Ley de Bragg

119941 =120640

120784 119852119842119847 120637

Doacutende d es la distancia interplanar 120582 es la longitud de onda de rayos X (15405981 A) y 120579 es

el aacutengulo de Bragg

Se tomoacute como plano de referencia el (002)

Para la muestra sin tratamiento de recocido el aacutengulo fue 2120579 = 3441deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120782120787deg

119941 = 120784 120788120782120786 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3448deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120786deg

119941 = 120784 120787120791120791 119808

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80

Para la muestra recocida a 450deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3463deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120785120783120787deg

119941 = 120784 120787120790120790 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3458deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120791deg

119941 = 120784 120787120791120784 119808

Caacutelculo del paraacutemetro c

El paraacutemetro de red C fue calculado para cada muestra con la foacutermula

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784

Doacutende h=k=0 y l=2 reemplazando estos datos tenemos

119940 = 119949 119941119945119948119949

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81

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119940 = (120784)120784 120788120782120786 119808

119940 = 120787 120784120782120790 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120791 119808

119940 = 120787 120783120791120790 119808

Para la muestra recocida a 450deg119862

119940 = (120784)120784 120787120790120790 119808

119940 = 120787 120783120789120788 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120784 119808

119940 = 120787 120783120790120786 119808

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Caacutelculo del tamantildeo de grano

Para calcular el tamantildeo del cristalito se utilizoacute la ecuacioacuten de Debye-Scherrer

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637

Doacutende K es la constante que es 09 para partiacuteculas esfeacutericas 120582 es la longitud de onda de los

rayos X (15405981 A) 120573 es la mitad del ancho del maacuteximo (FWHM) pico que para nuestro caso

fue el que correspondiacutea al plano (002) y estaacute dado en radianes y 120579 es el aacutengulo de Bragg

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120788120784120783) 119836119848119852 120783120789 120784120782120787deg119808

119915 = 120784120787 120790120784 119951119950

Para la muestra recocida a 400deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120789120789120785120783) 119836119848119852 120783120789 120784120786deg119808

119915 = 120783120790 120789120790 119951119950

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Para la muestra recocida a 450deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120787120783120789) 119836119848119852 120783120789 120785120783120787deg119808

119915 = 120784120788 120785120785 119951119950

Para la muestra recocida a 500deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120786120791120788120789) 119836119848119852 120783120789 120784120791deg119808

119915 = 120784120791 120784120785 119951119950

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ANEXO C

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada

Se realizoacute una pequentildea incisioacuten en la peliacutecula con una navaja de tal forma que la peliacutecula pueda

ser desprendida pero que no produzca rayaduras en el sustrato y utilizando el Meacutetodo Section del

Software NanoScope Analysis version 140 se calculoacute la distancia vertical y horizontal en tres

regiones para obtener un promedio con lo cual seriacutea el espesor aproximado de la peliacutecula

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b) Imagen 3D del escaloacuten

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Tabla 4

Tabla de datos de las alturas horizontales y verticales

Datos obtenidos para calcular el espesor de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 (Elaboracioacuten Propia)

Calculando el promedio de las distancias verticales

(189441 + 184037 + 170941)119899119898 = 544419 119899119898

544419119899119898

3= 181473 119899119898

El grosor de la peliacutecula fue 181 473 nm

Este proceso se realizoacute para todas las muestras en la tabla 5 se muestran los valores

correspondientes cada peliacutecula

Tabla 5

Tabla de valores del espesor de cada peliacutecula

Muestra Espesor (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 181473

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 179596

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 181210

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 183498

Datos calculados para el espesor de cada peliacutecula (Fuente Elaboracioacuten propia)

N Distancia Horizontal Distancia Vertical

1 3249 (microm) 189441 (nm)

2 3679 (microm) 184037 (nm)

3 3914 (microm) 170941 (nm)

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ANEXO D

Caacutelculo de los valores de Rugosidad

Se calculoacute el promedio de la rugosidad media y la rugosidad cuadraacutetica media para cada

peliacutecula El aacuterea de anaacutelisis en todas las muestras fue 3um x 1um y los valores fueron obtenidos

por el sensor de altura en el software de AFM Dimension Edge VT-112

Muestra Sin Rec

Figura D 1 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra sin rec

Tabla 6

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rec

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000751 000589

ZONA 2 000849 000646

ZONA 3 000753 000598

PROMEDIO 000784 000611

Datos para el promedio de la rugosidad de ZnOCu 3 vol Sin Rec (Elaboracioacuten Propia)

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87

Muestra Rec a 120786120782120782

Figura D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 400 ordmC

Tabla 7

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

Muestra Rec a 120786120787120782

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000634 000506

ZONA 2 000769 000590

ZONA 3 000685 000505

PROMEDIO 000696 000534

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88

Figura D3 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 450 ordmC

Tabla 8

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00112 000903

ZONA 2 00110 000872

ZONA 3 00109 000877

PROMEDIO 00110 000884

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89

Muestra Rec a 120787120782120782

Figura D4 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 500 ordmC

Tabla 9

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec 500 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00119 000956

ZONA 2 00120 000969

ZONA 3 00119 000947

PROMEDIO 00119 000957

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ANEXO E

Caacutelculo de la energiacutea del gap

Se utilizoacute la foacutermula 46

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material que es igual a la absorbancia dividida por

el espesor de la peliacutecula 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ es la constante de Planck 120584 es

la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

Haciendo los caacutelculos respectivos en Excel obtuvimos los valores de ℎ120584 y (120572ℎ120584)2

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauc

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91

Luego graficamos esto usando Origin 8 y trazando la recta hasta el intercepto con el eje x

obtuvimos el valor de la energiacutea del gap Esto se hizo para todas las peliacuteculas

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas las peliacuteculas

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Page 12: FÍSICAS INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO …

xii

IacuteNDICE DE FIGURAS

Capiacutetulo 2

Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn

de color gris oscurohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip6

Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnOhelliphelliphelliphelliphellip8

Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip10

Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles

de fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de

fermi para condiciones ricas en Zn y Ohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip11

Capiacutetulo 3

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip13

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipohelliphelliphellip16

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica de para un proceso de CVDhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip18

Figura 34 Ruta Quiacutemica para el proceso de Sol-Gelhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip20

Figura 35 Esquema del equipo de Rociado Piroliacuteticohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip21 Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes

isla y (c) por islashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip25

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xiii

Capiacutetulo 4

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

Figura 43 Sustratos en detergentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenicohelliphellip31

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en hornohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica33

Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip34

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphellip35

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula

delgada de ZnOCu 3 vol helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

Figura 411 Diagrama de flujo del Proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadashelliphelliphellip39

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del

sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta

con la superficie del sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitentehelliphelliphelliphelliphelliphellip52

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xiv

Capiacutetulo 5

Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con

recocidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip58

Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 ordmC c) rec a 450 ordmC y d) rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 c) rec a 450 y d) rec a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y

con recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con

recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para

la peliacutecula recocida a 400 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y

derecha para la peliacutecula recocida a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

Anexos

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b)

Imagen 3D del escaloacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84

Figura D1 a Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra sin rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

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xv

Figura D2 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 400 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87

Figura D3 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 450 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88

Figura D4 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 500 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas

las peliacuteculashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91

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xvi

IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de valores para las propiedades estructuraleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

Tabla 2 Tabla de valores de las rugosidadeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

Tabla 3 Tabla de valores de la Energiacutea del Gaphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

Tabla 4 Tabla de datos de las alturas horizontales y verticaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 5 Tabla de valores del espesor de cada peliacuteculahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 6 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

Tabla 7 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87

Tabla 8 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88

Tabla 9 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

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1

CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN

Los materiales desarrollados a base de oacutexidos transparentes y conductores (por sus siglas en

ingleacutes TCOs) han recibido una gran aceptacioacuten en la comunidad cientiacutefica debido a sus muacuteltiples

aplicaciones en la industria optoelectroacutenica ya que sus propiedades de alta transparencia y baja

resistividad los hacen aptos para aplicaciones en celdas solares sensores de gases (Koumllble et al

2009) pantallas planas pantallas de cristal liacutequido ventanas electro-croacutemicas entre otros

Los TCOs son semiconductores que se caracterizan por tener altos valores de transmisioacuten oacuteptica

(~ 80 ) en el intervalo visible y bajas resistividades (lt 10minus3Ω119888119898) seguacuten Minami (2008)

Algunos de los oacutexidos metaacutelicos preparados en forma de peliacutecula delgada que son o pueden ser

utilizados como conductores transparentes son oacutexido de cadmio (119862119889119874) oacutexido de estantildeo (1198781198991198742)

ITO (11986811989921198743 119878119899) FTO (1198781198991198742 119865) y AZO (119885119899119874 119860119897)(Alamri amp Brinkman 2000)

Uno de los oacutexidos conductores transparentes comuacutenmente utilizados debido a su alta

transmitancia en el visible gt 80 y su baja resistividad del orden de 10minus4Ω119888119898 es el oacutexido de

indio dopado con estantildeo (ITO) seguacuten Minami (2008) Pero debido a la rareza del indio en la tierra

su costo es elevado Otro oacutexido conductor transparente que ha llamado fuertemente la atencioacuten es

el CdO que es un semiconductor degenerado porque los estados en el fondo de la banda de

conduccioacuten se encuentran ocupados por lo tanto presenta alta conductividad sin necesidad de ser

dopado (Bhosale Kambale Kokate amp Rajpure 2005)

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2

Sin embargo ya que el Cd es muy toacutexico la unioacuten europea a traveacutes de la directiva de restriccioacuten

de sustancias peligrosas lo catalogoacute entre los 6 elementos restringidos para su uso en dispositivos

eleacutectricos y optoelectroacutenicos Debido a esta restriccioacuten es necesario buscar otras alternativas una

de ellas es el ZnO ya que presenta alta conductividad eleacutectrica seguacuten Jeon Park Yoo amp Boo

(2007) altos valores de transmitancia en la regioacuten visible del espectro electromagneacutetico (Hirata et

al 1996) bajo costo alta disponibilidad y no toxicidad

El oacutexido de Zinc es reconocido como un semiconductor porque tiene un ancho de banda de 337

eV a temperatura ambiente posee una gran energiacutea libre de unioacuten de excitones alta estabilidad

propiedades fiacutesicas oacutepticas etc (Benharrats Zitouni Kadri y Gil 2010)

Una peliacutecula delgada se encuentra en el rango de 1 119886 100 119899119898 (Loacutepez et al 2013) Para que

una peliacutecula delgada sea considerada como eficaz debe ser quiacutemicamente estable en el entorno a

usar debe adherirse bien a la superficie que cubre (sustrato) debe tener un espesor uniforme y

debe tener una baja densidad de imperfecciones (Leoacuten 2014)

Dentro de los diversos meacutetodos para obtener peliacuteculas delgadas tenemos el de rociado piroliacutetico

que puede ser maacutes barato simple y versaacutetil a comparacioacuten de otros meacutetodos Las propiedades de

las peliacuteculas rociadas pueden faacutecilmente adaptarse para las aplicaciones requeridas

Adicionalmente tambieacuten es un meacutetodo de deposicioacuten adecuado cuando se necesitan peliacuteculas de

grandes aacutereas (Rahmani et al 2009)

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El meacutetodo de rociado piroliacutetico es un proceso en el cual una peliacutecula delgada es depositada

mediante el rociado de una solucioacuten en una superficie caliente donde los constituyentes reaccionan

para formar un compuesto quiacutemico Los reactantes quiacutemicos son seleccionados de tal forma que

los productos distintos al del compuesto deseado sean volaacutetiles a la temperatura de deposicioacuten

(Mooney amp Rading 1982)

Las caracteriacutesticas estructurales eleacutectricas y oacutepticas de las peliacuteculas delgadas de ZnO han sido

ampliamente investigadas mientras que el efecto del dopado sobre estas propiedades auacuten estaacuten

siendo estudiadas (Rozati 2008 Caglar Ilikan y Caglar 2009) Las peliacuteculas de ZnO pueden

doparse con Al3+ (Sahay amp Nath 2008) Sn4+ y Sn5+ (Bedia et al 2014) F1- Cu1+ Ag1+ Ga3+

In3+ (Liu Avrutin Izyumskaya Oumlzguumlr y Morkoccedil 2010)

Elegir el Cu como dopante para las peliacuteculas delgadas de ZnO es una buena opcioacuten ya que

influye en las propiedades oacutepticas estructurales quiacutemicas y eleacutectricas del ZnO y el estudio del

estado electroacutenico del Cu en ZnO ha venido siendo el tema de intereacutes por mucho tiempo ya que

son uno de los componentes principales en celdas fotovoltaicas (Bunyod 1946)

El efecto de la temperatura de recocido sobre las peliacuteculas delgadas de ZnOCu estaacute siendo

estudiada minuciosamente debido a que se han reportado casos en los cuales disminuye la banda

del gap y aumenta el esfuerzo a medida que aumenta dicha temperatura (Jijoy Varguese amp

Mathew 2015)

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En el presente trabajo de investigacioacuten se realizoacute la siacutentesis de peliacuteculas delgadas de ZnOCu

3 por el meacutetodo de rociado piroliacutetico sobre un sustrato de vidrio a una temperatura de 300 ordmC y

luego sometida a temperaturas de recocido entre 400- 500 ordmC La caracterizacioacuten de las peliacuteculas

antes y despueacutes del recocido se realizoacute mediante DR-X UV-Vis y AFM

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CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO

21 Oacutexido de Zinc

El oacutexido de zinc es un compuesto inorgaacutenico relativamente abundante quiacutemicamente estable

y no toacutexico es insoluble en agua pero soluble en aacutecidos y bases diluidas su punto de fusioacuten es de

1975 ordmC temperatura a la que tambieacuten se descompone es un semiconductor formado por los

elementos del grupo-II ( 119885119899)30 y el grupo-VI ( 1198748

) El zinc tiene cinco isoacutetopos estables de los

cuales los maacutes comunes son el zinc 64 (4889 ) zinc 66 (2781 ) y el zinc 68 (1857 )

mientras que el oxiacutegeno consiste casi puramente en el isoacutetopo de oxiacutegeno 16 (9976 ) seguacuten

Loacutepez Castro Molina y Arbey (2011)

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO

Cada aacutetomo de zinc se encuentra rodeado por un tetraedro de 4 aacutetomos de oxiacutegeno y viceversa

tal y como se muestra en la figura 21 formando de esta manera una combinacioacuten alternada de

planos de aacutetomos oxiacutegeno y de planos de aacutetomos de zinc las cuales se encuentran a lo largo del

eje c con un desplazamiento entre ellos de 038c siendo c su paraacutemetro de red en la direccioacuten

vertical Los valores de los paraacutemetros de red para dicho material en condiciones normales de

presioacuten y temperatura son a = 032495 nm y c = 052069 nm (Hernaacutendez 2014)

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Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn de color gris oscuro

(Fuente Hernaacutendez)

Su estructura puede describirse como un nuacutemero de planos alternantes que estaacuten compuestos

por iones de oxiacutegeno 1198742minus e iones de zinc 1198851198992+ que se encuentran alternados en el eje c esta

estructura tetraeacutedrica es la que le confiere su baja simetriacutea y lo que resulta en sus propiedades de

piezoelectricidad (Hernaacutendez 2014)

Otra importante caracteriacutestica del ZnO es su superficie polar siendo la maacutes comuacuten la del plano

basal Los iones de zinc y oxiacutegeno generan superficies cargadas positiva para (119885119899 minus (0001)) y

negativa para (119874 minus (0001)) lo que resulta en un momento dipolar normal y una polarizacioacuten

espontaacutenea La estabilidad de la superficie polar 119885119899119874 plusmn (0001) es materia de estudio tambieacuten es

atoacutemicamente plana y estable sin reconstruccioacuten (Hafdallah et al 2018 Zhon 2004)

El zinc tiene una configuracioacuten electroacutenica (1119904)2(2119904)2(2119901)6(3119904)2(3119901)6(3119889)10(4119904)2 mientras

que la configuracioacuten electroacutenica del oxiacutegeno es (1119904)2(2119904)2(2119901)4 El enlace de ZnO en su red

cristalina involucra una hibridacioacuten 1199041199013 de los estados electroacutenicos lo cual lleva a cuatro orbitales

equivalentes en una geometriacutea tetraeacutedrica En el cristal semiconductor resultante los estados de

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enlace 1199041199013 constituyen la banda de valencia mientras que la banda de conduccioacuten se origina de su

contraparte de anti-enlace seguacuten Deinert (2016)

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO

Estructuralmente el oacutexido de zinc tiene tres tipos de direcciones raacutepidas de crecimiento las

cuales son lang2110rang ( plusmn[2110] plusmn[1210] plusmn[1120] ) lang0110rang ( plusmn[0110] plusmn[1010]

plusmn[1100] ) y plusmn[0001] El ZnO exhibe un amplio rango de nuevas estructuras que pueden ser

desarrolladas ajustando las tasas de crecimiento a lo largo de esas direcciones Uno de los mayores

factores que determinan la morfologiacutea implican las actividades superficiales relativas de diversas

facetas de crecimiento bajo condiciones dadas Macroscoacutepicamente un cristal tiene diferentes

paraacutemetros cineacuteticos para diferentes planos del cristal los cuales son controlados bajo condiciones

de crecimiento Asiacute despueacutes de un periodo inicial de incubacioacuten y nucleacioacuten un cristalito

comuacutenmente se convertiraacute en un objeto tridimensional bien definido con caras cristalograacuteficas de

bajo iacutendice La figura 2 de a) al c) muestran unas morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento en una

dimensioacuten para el ZnO dichas estructuras tienden a maximizar las aacutereas de las caras (2110) y

(0110) debido a la maacutes baja energiacutea y la morfologiacutea mostrada en la parte d) es dominada por las

superficies polares las cuales pueden ser crecidos mediante la introduccioacuten de defectos planares

paralelos a las superficies polares Los defectos planares y gemelos son observados ocasionalmente

paralelos al plano (0001) pero rara vez se pueden observar dislocaciones (Zhon 2004)

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Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnO (Fuente Zhon)

24 El Cobre y Sus Propiedades

El cobre con nuacutemero atoacutemico 29 y peso atoacutemico de 6354 exhibe una estructura cristalina cuacutebica

centrada en las caras El cobre es un elemento de transicioacuten y al ser un metal noble tiene

propiedades inherentes similares a las de la plata y el oro Tambieacuten posee excelente conductividad

maleabilidad resistencia a la corrosioacuten y biofuncionalidad El cobre tiene alta solubilidad para

otros elementos tales como el niacutequel el zinc el estantildeo y el aluminio Esta solucioacuten soacutelida de la

fase alfa (120572) es la responsable de la alta ductilidad exhibida para aleaciones de cobre Las adiciones

maacutes allaacute del liacutemite de solubilidad resultan en la fase beta (120573) la cual exhibe una estructura cuacutebica

de cuerpo centrado esta fase beta tiene alta estabilidad de temperatura y las aleaciones que exhiben

una estructura 120572 + 120573 tienen una excelente capacidad de formacioacuten en caliente La densidad del

cobre es 889 1198921198881198983 y su punto de fusioacuten es 1083 Seguacuten American Society For Testing

Materials la cual es revisada anualmente

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25 Dopado al Oacutexido de Zinc

Los elementos del grupo IB como el cobre la plata y el oro no parecen de tanto intereacutes como

sus contrapartes del grupo IA y VA pero actualmente se vienen trabajando con estos elementos

ya que cambian las propiedades del ZnO esto podriacutea significar que una sustitucioacuten con zinc podriacutea

resultar un defecto de aniquilador de electrones Aunque estos pueden ser considerados costosos

la plata y el cobre podriacutea ser una alternativa maacutes econoacutemica en comparacioacuten con otros elementos

que han sido usados como dopantes al fin de cuentas estas poseen una conductividad uacutenica

(Wolgamott 2017)

Las figuras 23 24 y2 5 muestran las energiacuteas de formacioacuten por defecto para el ZnO dopado

con cobre plata y oro estas cifras junto con un caacutelculo hecho por Yan Al-Jassim ampWei (2006)

muestran que bajo condiciones ricas en oxiacutegeno los elementos del grupo IB tienen una baja energiacutea

de formacioacuten para la sustitucioacuten del zinc Esta misma condicioacuten rica en oxiacutegeno tambieacuten suprime

la formacioacuten de defectos nativos en el agujero de perforacioacuten aumentando asiacute la posibilidad de

una peliacutecula delgada de ZnO dopado del tipo p (Wolgamott 2017)

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Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

El cobre y la plata ofrecen una mejor ruta para la reproduccioacuten de peliacuteculas delgadas de ZnO

del tipo p El dopaje con nitroacutegeno solo es favorable en condiciones ricas en zinc esto aumenta la

probabilidad de que se formen defectos por la formacioacuten de agujeros para compensar Para

ajustarse a esto teacutecnicas de procesamiento novedoso y no equilibrado deben ser usadas esta

dificultad aumenta los costos de procesamiento y reduce la reproduccioacuten de tales (Wolgamott

2017)

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Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

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CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE

PELIacuteCULAS DELGADAS

Una variedad de teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas han sido empleadas para el

depoacutesito de oacutexidos conductores trasparentes tales como el oacutexido de estantildeo (SnO2) dopado con

antimonio (SnO2 ∶ Sb) o con fluorina (SnO2 ∶ F) el oacutexido de indio(In2O3) dopado con estantildeo

(In2O3 ∶ Sn) el oacutexido de zinc (ZnO) dopado con indio (ZnO ∶ In) Ya que el transporte oacuteptico y

eleacutectrico en estas peliacuteculas depende fuertemente de su estequiometria su microestructura y de la

naturaleza de las impurezas presentes por lo tanto cada teacutecnica de deposicioacuten con los paraacutemetros

asociados produce peliacuteculas con diferentes propiedades Dependiendo de queacute teacutecnica de

deposicioacuten se use el sustrato influiraacute significativamente en las propiedades de las peliacuteculas Los

sustratos de vidrio son los de uso comuacuten para estos procesos Los procesos a baja temperatura tales

como la pulverizacioacuten catoacutedica con magnetroacuten la pulverizacioacuten ioacutenica con haz de iones y el

recubrimiento ioacutenico reactivo permiten la deposicioacuten de las peliacuteculas de oacutexido sobre el sustrato de

poliacutemero como el plaacutestico Mylar y poly (Teraftalato de etileno) Seguacuten Waal amp Simons (1981)

el coeficiente de expansioacuten teacutermica del sustrato afecta las propiedades eleacutectricas de las peliacuteculas

especialmente en procesos como los de rociado piroliacutetico y de inmersioacuten en los cuales las tensiones

intriacutensecas son inducidas dentro de la peliacutecula El coeficiente de expansioacuten teacutermica influye en la

orientacioacuten preferente del cristalito en las peliacuteculas de ZnO (Ghandhi Field amp Shealy 1980)

El proceso que implica deposiciones a altas temperaturas el efecto de la difusioacuten de iones

alcalinos desde el sustrato de vidrio hacia la peliacutecula se vuelve extremadamente importante (Kane

Schweizer amp Kern 1976) Los cationes actuacutean como agentes dopantes de tipo-p y compensan los

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donantes nativos El problema es grave en los sustratos de vidrio Soda-lime los cuales tienen un

alto contenido en sodio alrededor del 10-15 peso 1198731198862119874 En La figura 31 podemos observar

los tipos de procesos para la obtencioacuten de peliacuteculas delgadas

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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31 Procesos Fiacutesicos

311 Evaporacioacuten teacutermica

Peliacuteculas delgadas de IO (oacutexido de indio) (Pan amp Ma 1980) ITO (oacutexido de indio dopado con

estantildeo) (Mizuhashi 1980) y ZnO (Wang et al 2005) han sido depositadas por evaporacioacuten

teacutermica o por haz de electrones de fuentes de oacutexido Debido a su alto punto de fusioacuten el TO

(oacutexido de estantildeo) ha sido depositado por haz de electrones (Mizuhashi 1980) Cuando los oacutexidos

puros o mixtos se evaporan se reducen y forman peliacuteculas opacas de oacutexidos inferiores Por lo tanto

los oacutexidos transparentes conductores son obtenidos por post-oxidacioacuten de peliacuteculas inferiores o

por introduccioacuten del oxiacutegeno durante la evaporacioacuten (Ruumlcker amp Becker 1978)

La cineacutetica de oxidacioacuten de sub-oacutexidos la dependencia de la resistividad y la transmisioacuten en el

sustrato y las temperaturas de oxidacioacuten han sido estudiadas para peliacuteculas de ITO (Mizuhashi

1980) La opacidad de las peliacuteculas depositadas ha sido atribuida a la presencia de indio libre en

una matriz de In2O3 que resulta de la reduccioacuten de especies de In2O que estaacuten presentes en la

fase de vapor

La post-oxidacioacuten del indio libre es a traveacutes de un proceso controlado por difusioacuten y las

propiedades eleacutectricas y oacutepticas finales de las peliacuteculas estaacuten determinadas por las tasas relativas

de oxidacioacuten y difusioacuten del indio (Mizuhashi 1980)

En el caso de la oxidacioacuten durante la deposicioacuten la temperatura del sustrato y la presioacuten parcial

de oxiacutegeno son los principales paraacutemetros de control para el proceso que han sido estudiados por

Mizuhashi (1980) que obtuvo peliacuteculas de ITO de buena calidad con una presioacuten parcial de

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oxiacutegeno de 10minus4 Torr y una temperatura de sustrato de 400 con una tasa de deposicioacuten de

aproximadamente 50 Å 119898119894119899minus1 para el O2 puro

De lo anterior se puede concluir que para obtener peliacuteculas altamente transparentes y

conductoras por evaporacioacuten es necesario que la presioacuten parcial del oxiacutegeno sea alta (suficiente

para oxidar casi todo el indio) que la temperatura del sustrato sea la adecuada y que la tasa de

evaporacioacuten sea raacutepida (para suprimir la disociacioacuten de In2O3)

312 Sputtering

El Sputtering o pulverizacioacuten catoacutedica es una de las teacutecnicas maacutes usadas para la deposicioacuten de

peliacuteculas conductoras transparentes Esta teacutecnica se basa esencialmente en un bombardeo intenso

de un material con iones producidos en una descarga eleacutectrica en forma de plasma cuando la

energiacutea de los iones incidentes es suficientemente elevada entonces la interaccioacuten con la superficie

del material a traveacutes de intercambio de momento cineacutetico hace que los aacutetomos de la superficie

sean arrancados para pasar a la fase de vapor La figura 32 muestra un esquema de las etapas del

proceso El caacutetodo el cual estaacute conectado a la terminal negativa de la fuente de alimentacioacuten estaacute

formado por el material a evaporar que tambieacuten es llamado blanco o sputtering target estaacute

sometido al bombardeo intenso de los iones positivos de la descarga una vez que son acelerados

desde el plasma como consecuencia de la caiacuteda de potencial asociada El bombardeo de los iones

produce no solo el efecto de sputtering o pulverizacioacuten del blanco sino tambieacuten la emisioacuten de

electrones secundarios que son acelerados hacia el plasma Una vez en el plasma estos electrones

tienen la energiacutea suficiente para producir nuevos iones mediante procesos de ionizacioacuten en cascada

por impacto con los aacutetomos del gas compensando asiacute la perdida de carga producida por colisiones

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de las especies cargadas en las paredes de la caacutemara de vaciacuteo Se dice que la descarga es auto

mantenida (Aacutelvaro 2014)

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipo (Fuente Aacutelvaro)

El gas de la descarga suele ser un gas inerte de masa elevada con el objeto de aumentar la

transferencia del momento cineacutetico a los aacutetomos del blanco por razones de precio en la mayoriacutea

de las aplicaciones el gas utilizado es argoacuten con una masa atoacutemica de 40 los sustratos a recubrir

estaacuten colocados sobre el aacutenodo aunque se pueden situar sobre un soporte auxiliar frente al caacutetodo

El electrodo que actuacutea de aacutenodo suele estar conectado al potencial de tierra junto con la caacutemara

de vaciacuteo por razones de seguridad A diferencia de la teacutecnica de evaporacioacuten teacutermica la trayectoria

de las partiacuteculas pulverizadas no es rectiliacutenea ya que a presiones de trabajo alrededor de

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10minus3 mbar el recorrido libre medio es del orden de unos pocos mm Los aacutetomos evaporados

pueden alcanzar al sustrato desde cualquier direccioacuten despueacutes de sufrir una serie de colisiones en

la atmosfera de sputtering en las cuales sufren una peacuterdida de su energiacutea inicial Por lo tanto los

problemas de direccionalidad y los de homogeneidad del espesor de la capa depositada son

menores que en la evaporacioacuten teacutermica Al mismo tiempo los aacutetomos del gas inerte y la radiacioacuten

procedente del plasma tambieacuten interaccionan con la superficie de los sustratos produciendo

efectos laterales De hecho existe la posibilidad de que aacutetomos del gas inerte puedan contaminar

la capa depositada en el sustrato al quedar atrapados en su interior durante el crecimiento (Aacutelvaro

2014)

32 Procesos Quiacutemicos

321 CVD

La deposicioacuten quiacutemica por vapor (Chemical Vapor Deposition) es un proceso antiguo que data

del 1800 En este tiempo esta teacutecnica fue usada principalmente para producir materiales

refractores de alta pureza tales como el zirconio y el titanio Despueacutes de la segunda guerra mundial

los investigadores comenzaron a darse cuenta de las ventajas potenciales que ofreciacutea el CVD

Esta teacutecnica consiste en la deposicioacuten por vapor sobre una superficie caliente Esto pertenece a

las teacutecnicas de transferencia de vapor Con esta teacutecnica la liacutenea de visioacuten con la superficie de

recubrimiento no es necesaria por lo tanto permite la deposicioacuten en superficies complejas tambieacuten

posee una alta tasa de deposicioacuten y puede ser usado para recubrimientos gruesos esto permite la

co-deposicioacuten de los elementos y no requiere de un proceso de alto vaciacuteo

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La figura 33 muestra un CVD tiacutepico El primer paso es la activacioacuten teacutermica de los precursores

quiacutemicos para formar el vapor este a su vez es transportado a traveacutes de una caacutemara caliente en

donde el sustrato estaacute colocado en esta caacutemara la reaccioacuten gaseosa ocurre y los reactantes son

depositados en la superficie del sustrato con lo cual resulta la formacioacuten de la peliacutecula Los

subproductos volaacutetiles son desorbidos desde la peliacutecula y removidos de la caacutemara por medio de la

conveccioacuten

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica para un proceso de cvd (Fuente En liacutenea)

Un proceso tiacutepico de CVD requiere de temperaturas altas que la reaccioacuten de fase gaseosa ocurra

esto no soacutelo aumenta los costos de proceso sino que tambieacuten limita los tipos de sustratos donde la

peliacutecula delgada puede ser depositada Los precursores quiacutemicos con alta presioacuten de vapor que se

necesitan para el CVD son en su mayoriacutea toacutexicos y peligrosos para trabajar con ellos Finalmente

los subproductos de la reaccioacuten gaseosa que no permanecen en el sustrato pueden ser toacutexicos e

incluso corrosivos La neutralizacioacuten de estos subproductos implicariacutea un aumento del costo de

produccioacuten

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322 Sol-Gel

Esta teacutecnica de crecimiento es un proceso quiacutemico huacutemedo realizado a bajas temperaturas que

permite fabricar materiales amorfos y poli cristalinos estos uacuteltimos se obtienen despueacutes de un

tratamiento teacutermico En el meacutetodo Sol-Gel se puede controlar la composicioacuten quiacutemica estructura

cristalina y morfologiacutea superficial de las peliacuteculas ajustando los paraacutemetros de procesamiento tales

como relacioacuten molar entre los reactivos cantidad y naturaleza de los precursores disolventes

catalizadores aditivos e impurificantes Este proceso sigue la ruta quiacutemica que muestra en la figura

34 este parte de una solucioacuten inicial compuesta por un alcoacutexido metaacutelico por agua y por un

disolvente al que se le agrega un catalizador que puede ser tanto aacutecido como baacutesico Las reacciones

de hidroacutelisis y condensacioacuten se desencadenan a fin de sintetizar una suspensioacuten coloidal de

partiacuteculas soacutelidas o cuacutemulos en un liacutequido llamado Sol A medida que la reaccioacuten continua aumenta

la viscosidad de la solucioacuten hasta la forma del Gel el cual estaacute constituido de dos partes una soacutelida

que corresponde a las partiacuteculas de oacutexido y una liacutequida que es el disolvente inicial del Sol Luego

de esto se inicia un periodo de secado en condiciones normales de presioacuten y temperatura en el cual

se lleva a cabo la eliminacioacuten del disolvente y del agua residual de tal modo que el Gel se encogeraacute

obtenieacutendose un xerogel Al teacutermino del tiempo de secado generalmente se tienen disolventes y

agua para solucionar esto se somete a un tratamiento teacutermico (Ramiacuterez 2015)

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Figura 34 Ruta quiacutemica para el proceso de sol-gel (Fuente Ramiacuterez)

323 Rociado Piroliacutetico

Esta teacutecnica consiste en la pulverizacioacuten de una solucioacuten que contiene los iones metaacutelicos del

oacutexido que se quiere producir sobre un sustrato que se encuentra a una temperatura elevada El

precursor del material a ser fabricado se disuelve en metanol o etanol esta solucioacuten denominada

solucioacuten precursora es transformada en partiacuteculas muy finas mediante un nebulizador formando

una especie de vapor la solucioacuten nebulizada se transporta hacia el sustrato caliente con ayuda de

un gas portador (aire comprimido) de tal manera que llega al sustrato en forma de gota pequentildea

La pirolisis se produce en la superficie caliente del sustrato dando lugar a la peliacutecula delgada como

producto de la descomposicioacuten del compuesto quiacutemico por accioacuten del calor los componentes

reactivos de la solucioacuten precursora se seleccionan de tal modo que los productos de la reaccioacuten

quiacutemica que no intervienen en la formacioacuten de la peliacutecula sean volaacutetiles a la temperatura de trabajo

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Esto requiere del anaacutelisis del precursor quiacutemico tanto de la fase liacutequida como de la fase gaseosa

y una exploracioacuten de las reacciones superficiales que llevan a la formacioacuten de la peliacutecula delgada

En este proceso de fabricacioacuten de peliacuteculas delgadas un factor muy importante es la uniformidad

del tamantildeo de las gotas generadas

Cuando el vapor de la solucioacuten se aproxima al sustrato en condiciones ideales se espera que el

solvente se vaporice totalmente provocando la descomposicioacuten de los componentes no volaacutetiles

(Leoacuten 2014) En la figura 35 se muestra un esquema del equipo detallando cada parte

componente del mismo

Figura 35 Esquema del equipo de rociado piroliacutetico (Fuente Acosta amp Magantildea)

Piroacutelisis La reaccioacuten piroliacutetica la cual determina la cineacutetica del depoacutesito se efectuacutea cuando el

rociacuteo entra en contacto con el sustrato caliente y seguacuten el tamantildeo de las gotas se produciraacute

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diferentes procesos dependientes del comportamiento teacutermico de las gotas A continuacioacuten se

detallan 4 procesos diferentes seguacuten el tamantildeo de la gota

Gotas de tamantildeo muy pequentildeo

La reaccioacuten se completa durante el transporte antes de llegar al sustrato y se produce un polvo

del material sobre el sustrato la facilidad de este proceso es que puede ser faacutecilmente removido

Gotas de tamantildeo ideal

El solvente pasa a la fase gaseosa completamente antes de alcanzar el sustrato las partiacuteculas

precipitadas se fusionan vaporizan y se difunden sobre la superficie del sustrato En este proceso

las partiacuteculas producidas sufren procesos de adsorcioacuten difusioacuten superficial reaccioacuten de

nucleacioacuten por lo tanto determinan el crecimiento del recubrimiento El resto de los productos de

la reaccioacuten se volatilizan y se difunden fuera del sustrato

Gotas de tamantildeo mediano

El solvente de las gotas se vaporiza al llegar al sustrato dejando partiacuteculas precipitadas de los

reactantes los cuales se fusionan en la superficie del sustrato y causan enfriamiento localizado

obtenieacutendose recubrimientos de baja calidad

Gotas de tamantildeo grande

La energiacutea teacutermica absorbida por la gota durante el transporte al sustrato no es suficiente para

que el solvente se pueda evaporar por completo El solvente residual se evaporaraacute en el sustrato

formando estructuras no homogeacuteneas

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Para lograr la selectividad de las gotas que llegaraacuten al sustrato se graduacutea la longitud entre lo

boquilla y el sustrato Considerando que la fuerza gravitacional es proporcional a 1199033 siendo r el

radio de la gota Las gotas de radios mayores al valor criacutetico no pueden ser transportadas por el

gas portador y por lo tanto regresan al nebulizador En las cercaniacuteas del sustrato se forma una

niebla de la solucioacuten con una distribucioacuten uniforme de gotas de tamantildeo pequentildeo requisito

importante para la obtencioacuten de recubrimientos delgados de buena calidad

Las fuerzas que determinan el recorrido de las gotas por la tobera son la gravitacional y la fuerza

de Stokes debido a la friccioacuten entre la gota y las moleacuteculas de aire seguacuten Silva (2013)

119917119956 = 120788120645120636119955(119959119941 + 119959119938) [120783 +120785

120790119929119942] 120784 120783

119917 = 119950119944 120784 120784

En donde 120578 es la viscosidad de la gota 119903 es el radio de la gota 119907119889 es la velocidad de la gota 119907119886

es la velocidad del aire y 119877119890 es el nuacutemero de Reynolds

El nuacutemero de Reynolds para partiacuteculas esfeacutericas en un flujo gaseoso es

119929119942 = 120784119955(119959119941 + 119959119938)

120636120633119938 120784 120785

En donde 120575119886 es la densidad del aire

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Cuando estas dos fuerzas alcanzan el equilibrio (119865 = 119865119904) las gotas viajan con velocidad

constante denominada velocidad liacutemite (119907119889119897) Al resolver la ecuacioacuten cuadraacutetica que nos da el

igualar las ecuaciones 21 y 22 tenemos

119959119941119949 = minus (119939

120784) + (

119939120784

120786minus 119940)

120783120784

120784 120786

En donde

119939 =120786120636

120785119955120633119938minus 120784119959119938 119962 119940 = 119959119938

120784 minus120786120636

120785119955120633119938119959119938 + (120633(119931) +

119924119956119924

120783120782120785)

120790119955

120784120789120633119938

Siendo 120575(119879) la densidad del solvente a temperatura T 119872119904 el peso molar del soluto y M la

molaridad de la solucioacuten (Leoacuten 2014)

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas

Los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas en sus etapas iniciales se

pueden ver en la figura 36 una vez que la partiacutecula se ha condensado de la fase gaseosa puede

inmediatamente re-evaporarse o difundirse sobre la superficie este proceso de difusioacuten puede

conducir a la adsorcioacuten especialmente en sitios como orillas y otros defectos (M Peacuterez 2005)

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Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas delgadas (Fuente M

Peacuterez)

Las energiacuteas de activacioacuten para la adsorcioacuten y difusioacuten dependen de los detalles atoacutemicos del

proceso en particular y la nucleacioacuten de maacutes de una partiacutecula adsorbida puede ocurrir En equilibrio

termodinaacutemico todos los procesos ocurren o proceden en dos direcciones opuestas a la misma

rapidez Por lo tanto en el equilibrio no hay un crecimiento neto de una partiacutecula y por lo tanto el

crecimiento del cristal debe ser un proceso cineacutetico de no equilibrio Desde un enfoque

fenomenoloacutegico existen tres modos diferentes del crecimiento de peliacuteculas como se observa en la

figura 37 (M Peacuterez 2005)

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes isla y (c) por islas

(Fuente M Peacuterez)

El crecimiento de peliacuteculas delgadas es descrito por minimizacioacuten de la energiacutea libre superficial

de la capa superior (120574119904119906119901) del sustrato (120574119904) y de la energiacutea libre de la interfase (120574119894119899119905) el cual

estaacute descrito por Δ120574 = 120574119904 minus 120574119904119906119901 minus 120574119894119899119905 (Leoacuten 2014 Aacutelvaro 2014)

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331 Modo de crecimiento capa por capa (120491120632 gt 120782)

Donde la interaccioacuten entre el sustrato y los aacutetomos de las capas es maacutes fuerte que entre los

mismos aacutetomos de las capas (Leoacuten 2014)

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas

Corresponde a un caso intermedio despueacutes de la formacioacuten de una o de muchas mono-capas

completas ocurre la formacioacuten de islas El crecimiento de islas 3D crece sobre la primera o la

uacuteltima mono capa (Leoacuten 2014 Ramiacuterez 2015)

333 Modo de crecimiento por islas (120491120632 lt 120782)

Es el caso en el que la interaccioacuten entre los aacutetomos que conforman las peliacuteculas es maacutes fuerte

(Leoacuten 2014)

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CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO

Realizar la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas sobre el sustrato requiere una cuidadosa

optimizacioacuten La siacutentesis de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se realizoacute por el meacutetodo de rociado

piroliacutetico con paraacutemetros optimizados como son la molaridad del precursor la temperatura del

sustrato la presioacuten de aire del compresor el flujo de aire y la distancia de la boquilla al sustrato

El objetivo de este trabajo de tesis fue analizar el efecto de la temperatura de recocido en un

rango de 400 minus 500 sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

En este capiacutetulo se detalla el procedimiento que se utilizoacute para la siacutentesis de las peliacuteculas

delgadas La limpieza del sustrato tambieacuten es una parte importante en la fabricacioacuten de las peliacuteculas

delgadas ya que es en donde se realizaraacute el depoacutesito y por lo tanto debe encontrarse libre de

impurezas y grasa

41 Materiales Equipos e Instrumentos

Como sustrato en donde se depositoacute la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se usoacute un vidrio

(Figura 41) con un aacuterea de 762 times 254 1198981198982

Para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol se utilizaron como precursores el Acetato de Zinc

Dihidratado [119885119899(1198621198673119862119874119874)2 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995) el Cloruro de Cobre

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dihidratado [1198621199061198621198972 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995 ) y como solvente etanol absoluto

[C2H5OH] del laboratorio Merck (998)

Para la limpieza de los sustratos se utilizoacute un agitador ultrasoacutenico (figura 42) y un horno

eleacutectrico marca Oster (119879119898aacute119909 = 400 )

Para lograr la uniformidad al momento de mezclar los materiales precursores se utilizoacute un

agitador magneacutetico (Hot Plate Stirring VWR)

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearl (Fuente Elaboracioacuten Propia)

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Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratos (Fuente Elaboracioacuten propia)

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42 Meacutetodo

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos

Para una buena deposicioacuten de la peliacutecula el sustrato a utilizar debe estar libre de impurezas

asegurando una oacuteptima adherencia

El proceso de limpieza de los sustratos empezoacute por la colocacioacuten de eacutestos en un depoacutesito que

conteniacutea agua potable y detergente marca Ariel por un tiempo de 5 minutos (Figura 43) luego se

trasladoacute a otro depoacutesito que conteniacutea aacutecido niacutetrico [1198671198731198743] al 65 durante 15 minutos en seguida

se procedioacute a enjuagarlos con agua ultrapura despueacutes se colocoacute en recipiente que conteniacutea agua

ultrapura y fueron puestos en el agitador ultrasoacutenico por 15 minutos (Figura 44) Pasado este

tiempo se retiraron los sustratos y se colocaron dentro del horno marca Oster por 10 min a 205

(Figura 45)

Figura 43 Sustratos en detergente (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenico (Fuente Elaboracioacuten propia)

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en horno (Fuente Elaboracioacuten propia)

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422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

Preparacioacuten de la solucioacuten precursora

Para la preparacioacuten de la solucioacuten se calculoacute la cantidad en gramos que debemos tener del

precursor en nuestro caso el acetato de zinc di-hidratado Para ello se utilizoacute la siguiente foacutermula

119950(119944) = 119924 times 119917119934 times 119933119952119949(119930119952119949 ) times 119927119958119955119942119963119938 120786 120783

Doacutende

m (g) Masa en gramos del precursor

M Molaridad (molLitro)

FW masa molar (gmol)

Vol (Sol) Volumen de la solucioacuten (Litros)

Pureza Porcentaje de pureza del precursor

La masa molar del acetato de zinc di-hidratado es de 21949 gmol el volumen de etanol que

se preparoacute fue 0020 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120784120783120791 120786120791

119944

119950119952119949) (120782 120782120784120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120786120785120790120789120788

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La masa del precursor fue medida con una balanza analiacutetica marca Mettler Toledo (plusmn01 119898119892)

ver figura 46

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica (Fuente Elaboracioacuten propia)

En un recipiente se mezclaron la masa medida del acetato de zinc di-hidratado y los 20 ml de

etanol que llamaremos mezcla 1

Para lograr uniformidad en la solucioacuten esta fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a una

temperatura de 60 durante 2 h (Figura 47) resultando transparente y homogeacutenea

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Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

La masa molar del cloruro de cobre di-hidratado es de 17048 gmol el volumen que se preparoacute

fue 0010 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120783120789120782 120786120790

119944

119950119952119949) (120782 120782120783120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120783120789120782120785120791

La masa de los precursores fue medida nuevamente con la balanza analiacutetica marca Mettler

Toledo (plusmn01 119898119892)

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En otro recipiente se combinaron la masa medida del cloruro de cobre dihidratado y los 10 ml

de etanol que llamaremos mezcla 2 luego fue colocado en el agitador magneacutetico a temperatura

ambiente durante 15 min

Despueacutes de haber agitado magneacuteticamente cada precursor en otro recipiente se colocoacute 194 ml

de la mezcla 1 y se le agregoacute 06 ml de la mezcla 2 de tal forma que se pueda tenerse una

proporcioacuten 119881119900119897119862119906

119881119900119897119885119899= 3 A esta nueva solucioacuten llamaremos mezcla 3

Para lograr uniformidad la nueva solucioacuten fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a

temperatura ambiente durante 15 min (Figura 48) para lograr su homogeneidad

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Proceso de siacutentesis

Para la obtencioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se utilizoacute el equipo de rociado

piroliacutetico que se encuentra en la seccioacuten de Nanociencia y Nanomateriales del Laboratorio de

Fiacutesica de Materiales ldquoDr Lennart Haselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo ver figura

49

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3

vol (Fuente Elaboracioacuten propia)

Este equipo de rociado piroliacutetico utilizado en la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas consiste de

los siguientes componentes Compresor de aire (1) Controlador de presioacuten en el rango de 0 ndash 80

psi (2) Controlador de flujo de aire en el rango de 1 ndash 15 Lmin (3) Caacutemara de vidrio (4)

Termoacutemetro (5) Nebulizador (6) Boquilla o Tobera (7) Platea caliente (8) Soporte universal (9)

Dispositivo moacutevil con una rapidez de 2311990910minus3 119888119898 119904frasl (10) Fuente de alimentacioacuten DC de 0 ndash 12

V (11) Fuente de alimentacioacuten AC de 0- 40 V (12) y Termocupla y controlador de temperatura en

el rango de 0 minus 500 (13)

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Sobre el nebulizador se colocoacute una tobera de vidrio piacuterex por la que ascienden las gotas maacutes

pequentildeas hasta llegar al sustrato caliente sobre el cual se produjo el proceso de piroacutelisis El

conjunto nebulizador y tobera estaacute acoplado a un dispositivo moacutevil el cual se va desplazando en

la direccioacuten del sustrato con el fin de obtener un recubrimiento uniforme

Las siacutentesis de la peliacutecula se hizo a la temperatura de 300 plusmn 10 La presioacuten del compresor

y el flujo de aire se mantuvieron a 30 119901119904119894(~207 119896119875119886) 119910 5 119871119898119894119899 respectivamente La distancia

boquilla sustrato se mantuvo a 30 cm con el fin de que el flujo nebulizado dirigido hacia la

superficie del sustrato se mantenga laminar El desplazamiento de la tobera-boquilla a lo largo del

sustrato se hizo con una rapidez aproximada de 04 mms con intervalos de 40 plusmn 05 119898119894119899 entre

cada ida y vuelta tiempo necesario para mantener la temperatura estable y mejor cristalizacioacuten del

soacutelido El nuacutemero de capas que consideramos oacuteptimas en este trabajo fue de 6 seguacuten E Noriega

(2015)

Al teacutermino del proceso el sistema compuesto peliacuteculasustrato se dejoacute enfriar lentamente dentro

de la caacutemara hasta la temperatura ambiente por 15 horas con el fin de lograr una buena

cristalizacioacuten

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol

Para el tratamiento teacutermico se dividioacute el sustrato que conteniacutea la peliacutecula en 4 partes usando

una como muestra testigo (300 ) y las tres restantes sometieacutendolas por dos horas de

mantenimiento a las temperaturas de recocido de 400 450 119910 500 El horno donde se hizo el

recocido fue un Horno eleacutectrico Marca Brasimet ver figura 410 con una incertidumbre de plusmn5

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la figura 411 se puede ver un diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas

delgadas de ZnO Cu 3 vol

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Figura 411 Diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten

Para caracterizar las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol se emplearon las teacutecnicas de

difraccioacuten de rayos X (DRX) para determinar el tamantildeo del cristalito y la estructura la

espectrofotometriacutea ultravioleta visible (UV-Vis) para determinar la transmitancia absorbancia y

energiacutea del gap y por el uacuteltimo se utilizoacute el Microscopio de Fuerza Atoacutemica (AFM) para

determinar la morfologiacutea y rugosidad A continuacioacuten se describiraacuten brevemente estas teacutecnicas

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX)

La difraccioacuten de rayos X es una teacutecnica de caracterizacioacuten que sirve para analizar espectros

relacionados con la estructura de los materiales que son la constante de red estructura cristalina

identificacioacuten de materiales orientacioacuten de monocristales y orientaciones preferenciales de

policristales Los rayos X se caracterizan porque su longitud de onda variacutea de 01 minus 100 Å (Rayos

X fluorescencia online) En la figura 412 se puede ver un esquema de difraccioacuten de rayos X

basado en la ley de Bragg

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos x (Fuente Rojas)

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Cuando un haz de rayos X de una longitud de onda especiacutefica del mismo orden de magnitud de

las distancias interatoacutemicas del material llega a este los rayos X se dispersan en todas las

direcciones La mayor parte de la radiacioacuten dispersada por un aacutetomo anula la radiacioacuten dispersada

en otros aacutetomos Los rayos X que llegan a ciertos planos cristalograacuteficos formando aacutengulos

especiacuteficos con ellos se refuerzan en lugar de aniquilarse a este fenoacutemeno se llama difraccioacuten

Los rayos X se difractan o el haz se refuerza cuando las condiciones satisfacen la Ley de Bragg

119852119842119847 120637 =119951120640

120784119941119945119948119949 120786 120783

Donde 120579 es la mitad del aacutengulo que forman el haz difractado y el haz original n es el orden de

difraccioacuten 120582 es la longitud de onda de los rayos X 119889ℎ119896119897 es la distancia interplanar que produce

refuerzo del haz ℎ119896119897 son los iacutendices de Miller (Askeland 1998) La difraccioacuten ocurre siempre y

cuando se satisfaga la ley de Bragg por lo que no necesariamente cualquier direccioacuten arbitraria

produciraacute difraccioacuten

La informacioacuten obtenida se presenta en un graacutefico de intensidad en funcioacuten de 2120579 llamado

patroacuten de difraccioacuten Cada sustancia produce siempre un patroacuten de difraccioacuten caracteriacutestico

independientemente de que si se encuentra en un estado puro o formando parte de una mezcla de

sustancias (Askeland 1998)

Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

fueron obtenidos con el difractoacutemetro RIGAKU Miniflex-600 que opera en la geometriacutea Bragg-

Brentano donde la radiacioacuten 119862119906 119896120572 (120582 = 15406 Aring) fue utilizada como fuente de rayos X El

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equipo operoacute a 30 KV de voltaje y 10 mA de corriente el barrido se realizoacute en un aacutengulo de 2120579

con rango desde 20deg a 70deg con velocidad de escaneo de 5 deg119898119894119899

La identificacioacuten de los picos de difraccioacuten se comparoacute con la base de datos Card info 00-900-

8877 de la Crystallography Open Database mostrado en el anexo A

La distancia interplanar se calculoacute con la ley de Bragg para el primer orden (n=1) de difraccioacuten

de acuerdo a la ecuacioacuten 41 tendriacuteamos

119837 =120640

120784 119852119842119847 120637 120786 120784

En donde 120579 es el aacutengulo de incidencia y 120582 = 15405981 Aring

Paraacutemetros de red

Para identificar la constante de red c de la estructura de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se tomoacute

en cuenta la estructura hexagonal wurtzita cuya distancia interplanar estaacute relacionada con los

iacutendices de Miller de los planos (hkl) y las constantes de red a y c a traveacutes de la ecuacioacuten 43

(Askeland 1998) y con el tamantildeo de cristalito (119863)

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784 120786 120785

A partir de la ecuacioacuten 43 es posible determinar los paraacutemetros de la red cristalina Cuando se

incide sobre un cristal muy pequentildeo del orden de nanoacutemetros se produce un ensanchamiento del

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pico de difraccioacuten esto permite determinar el tamantildeo promedio del cristal (119863) por medio de la

ecuacioacuten de Scherrer (Gurumurugan amp Mangalaraj 1995)

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637 120786 120786

Donde D es el tamantildeo del cristalito K es el factor de forma (K=09 para esferas) 120582 es la longitud

de onda de los rayos X (120582 = 15405981 Aring ) 120573 es el ancho completo de la mitad del maacuteximo y se

encuentra en radianes por lo tanto hay que convertir los valores de (FWHM) que se encuentran en

grados multiplicaacutendolos por 120587 180degfrasl y 120579 es el aacutengulo de Bragg

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectrometriacutea UV-Vis se basa en la absorcioacuten de radiacioacuten UV o visible por parte de las

moleacuteculas y se emplea para analizar muestras en fase liacutequida o soacutelida La espectrometriacutea de

absorcioacuten implica la medida de la fraccioacuten de la luz de una longitud de onda que pasa a traveacutes de

una muestra la figura 413 muestra la geometriacutea del equipo la muestra no emite luz por siacute misma

por lo que se debe incluir una fuente de radiacioacuten El paso de la luz a traveacutes de un monocromador

o un filtro selecciona la longitud de onda para el anaacutelisis (Hernaacutendez 2014)

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Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vis (Fuente Hernaacutendez)

Durante el anaacutelisis de la muestra se hacen dos mediciones en la primera se mide la cantidad de

luz en funcioacuten de la longitud de onda que llega al transductor cuando se ha colocado un blanco

(vidrio) Se denomina 1198680 del blanco cuando la concentracioacuten del material analizado es cero

La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras (vidrio + peliacutecula) con la

medida del blanco (vidrio) Llamamos 119868 a la intensidad que se mide con las muestras o con el

estaacutendar La comparacioacuten que se hace implica la relacioacuten 1198681198680 con ambas intensidades medidas

en las mismas condiciones del instrumento (longitud de onda geometriacutea) Se utilizan tres teacuterminos

diferentes para expresar esta relacioacuten

El primero es simplemente la relacioacuten 1198681198680 y se denomina Transmitancia que es denotada por

la letra T

119931 =119920

119920120782 120786 120785

El segundo es el porcentaje de transmitancia

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119931 = 119931 lowast 120783120782120782 120786 120786

El tercero es el logaritmo negativo de T que se denomina Absorbancia y se denota con la letra

A

119912 = minus 119845119848119840119920

119920120782= minus 119845119848119840 119931 120786 120787

Para la determinacioacuten del ancho de banda de energiacutea prohibida la energiacutea del gap (119864119892) es

determinada del espectro experimental del coeficiente de absorcioacuten (120572) como una funcioacuten de la

energiacutea del fotoacuten (ℎ120592)

En los materiales de gap directo como el ZnO se utiliza la siguiente ecuacioacuten

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ

es la constante de Planck 120584 es la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

En una graacutefica (120572ℎ120584)2 119907119904 ℎ120584 el ajuste a una recta de la parte proacutexima a 120572 = 0 el intercepto

para la ordenada nula es el valor de la energiacutea prohibida Esta recta tiene una expresioacuten de la forma

119910 = 119898119909 + 119887 lo que se tiene que buscar es el valor de 119909 para 119910 = 0 esto es 119909 = minus119887119898

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La conversioacuten de la energiacutea del fotoacuten en funcioacuten de la longitud de onda se realiza mediante la

constante de Planck(ℎ) y la de la velocidad de la luz (119888) La frecuencia del fotoacuten se relaciona con

la longitud de onda a traveacutes de la siguiente ecuacioacuten

119940 = 120642120640 120786 120789

Entonces la energiacutea del fotoacuten se puede escribir en funcioacuten de la longitud de onda como

119916 =119945119940

120640 120786 120790

Por lo tanto la energiacutea del fotoacuten puede calcularse como 12398

120582(119899119898) Aplicando al caso del ZnO se

adquieren los valores de la longitud de onda y la transmitancia del vidrio y la medida se divide la

transmitancia medida entre la del vidrio para obtener la transmitancia de la peliacutecula Se transforma

la transmitancia en coeficiente de absorcioacuten y la longitud de onda en energiacutea (H Bubert amp Jenett

2002)

Los anaacutelisis de absorbancia y transmitancia para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con

tratamiento de recocido se realizaron con el espectroacutemetro UV-Vis marca Analytik Jena Modelo

Specord Plus 250 y con un barrido de longitud de onda de 300 nm a 800 nm

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443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)

Este meacutetodo inventado en 1985 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer pertenece al grupo de

teacutecnicas de microscopiacutea de fuerza de barrido un grupo de teacutecnicas que estaacuten basadas en la

medicioacuten de diferentes fuerzas como son la fuerza atractiva la gravitatoria la repulsiva la

magneacutetica la de Van Der Walls y la electrostaacutetica esta medicioacuten es hecha entre la punta fina y la

superficie de la muestra

La formacioacuten de la imagen se lleva a cabo mediante la medicioacuten de la fuerza de interaccioacuten a

traveacutes de la deflexioacuten de un cantileacutever Aunque diversos tipos de fuerzas se encuentran cuando una

punta se aproxima a la superficie de la muestra la generacioacuten de la sentildeal en el AFM se basa

esencialmente en fuerzas repulsivas interatoacutemicas que son de naturaleza de corto alcance

En el caso ideal se puede asumir ver figura 414 lo que significa que el contacto directo de la

punta con la superficie se la muestra se limita a un aacuterea muy pequentildea Como resultado de esto

siempre hay una fuerza repulsiva interatoacutemica en esta pequentildea aacuterea de contacto debido a la

penetracioacuten de las capas electroacutenicas de los aacutetomos de la punta y los de la superficie de la muestra

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Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del sustrato (Fuente Rojas)

La fuerza repulsiva interatoacutemica estaacute influenciada por la densidad total de electrones alrededor

de un aacutetomo y no soacutelo por los estados particulares de la energiacutea La interaccioacuten entre la punta y la

muestra puede ser descrita por una graacutefica fuerza vs distancia esta graacutefica mostrada en la figura

415 permite ver los cambios de fuerza cuando la punta se acerca a la muestra si hay una gran

separacioacuten no hay interaccioacuten por lo tanto la fuerza seriacutea cero (en la liacutenea entre 1 y 2 no habriacutea

fuerzas electrostaacuteticas) En la posicioacuten 2 la punta pasa a estar en contacto debido a la fuerza

atractiva de Van Der Walls como la punta se mueve hacia la muestra entonces la fuerza total que

actuacutea sobre el cantileacutever es repulsiva Cuando la punta es arrastrada sobre la muestra las fuerzas

se reducen a lo largo de la liacutenea pasando de la posicioacuten 3 a la posicioacuten 4

Por debajo de la liacutenea de fuerza del diagrama dicha fuerza que actuacutea sobre el cantileacutever se

vuelve atractiva debido a la adhesioacuten En el punto 4 la fuerza es de adhesioacuten y la carga del

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cantileacutever apenas estaacute equilibrada la punta es tirada hacia afuera de la superficie debido a las

fuerzas de repulsioacuten

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta con la superficie del

sustrato (Fuente Rojas)

Modos de trabajo de un microscopio de fuerza atoacutemica

El AFM puede funcionar en distintos arreglos o modos experimentales estos modos se dividen

baacutesicamente en dos grupos modos de contacto continuo y modos dinaacutemicos Los modos de

contacto continuo fueron los primeros utilizados en los antildeos tempranos del AFM y su uso apenas

insinuaba la resolucioacuten nanomeacutetrica de la que el instrumento era capaz El meacutetodo dinaacutemico de

maacutes uso es el meacutetodo de contacto intermitente o tapping mode (Loacutepez y Solares 2014)

Modo contacto

El modo contacto es el disentildeo experimental maacutes simple en este modo la punta de la sonda se

encuentra en contacto perpetuo con la muestra por lo que tambieacuten es llamado modo estaacutetico La

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figura 416 muestra el funcionamiento del AFM en modo contacto Durante la toma de imaacutegenes

en modo contacto la variable control es la deflexioacuten de la micropalanca (anaacutelogo a la compresioacuten

o estiramiento de un resorte) La variable control es mantenida constante por medio de un circuito

de retroalimentacioacuten (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemica (Fuente Loacutepez y Solares)

El escaacutener sobre el que descansa la muestra se encarga de moverla con respecto a la

micropalanca en direccioacuten ldquoxyrdquo para realizar distintas liacuteneas de escaneo La micropalanca al

interactuar con la muestra sufre una deflexioacuten proporcional a la fuerza de interaccioacuten con la

superficie obedeciendo a la ley de Hooke (ecuacioacuten 49) En este circuito la sentildeal de deflexioacuten es

leiacuteda en el fotodetector y transmitida a la caja electroacutenica donde se compara el valor actual con el

punto de ajuste (setpoint) De acuerdo a esa diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal de salida

al escaacutener para ajustar la posicioacuten en el eje ldquozrdquo de la muestra si fuera necesario para mantener la

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variable control constante Como consecuencia de las exploraciones en ejes ldquoxyrdquo asiacute como los

cambios en ldquozrdquo se genera una imagen topograacutefica de la superficie de la muestra estudiada (Loacutepez

y Solares 2014)

= 119948119963∆119937 120786 120791

Donde

Fuerza arbitraria de magnitud F

∆119937 Compresioacuten del resorte

119948119963 Constante elaacutestica

Modo contacto intermitente

Eacuteste meacutetodo es comuacutenmente conocido como ldquotapping moderdquo en ingleacutes es el meacutetodo maacutes baacutesico

de los meacutetodos dinaacutemicos ademaacutes es el meacutetodo maacutes frecuente utilizado en AFM En este meacutetodo

la micropalanca se hace vibrar con amplitudes en el rango nanomeacutetrico (aproximadamente entre 5

y 200 nm) razoacuten por la que se le conoce como una teacutecnica de amplitudes ldquograndesrdquo El teacutermino

ldquograndesrdquo es relativo cuando se compra a otras teacutecnicas dinaacutemicas en la que la micropalanca puede

vibrar en el rango de los angstroms como en el caso de modulacioacuten de frecuencia en alto vaciacuteo

(Gross et al 2009)

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El AFM de contacto intermitente funciona con un circuito que controla la amplitud y se encarga

de mantenerla a un valor preestablecido (setpoint) En el circuito de modulacioacuten de amplitud ver

figura 417 la amplitud es calculada internamente con los valores de pendiente de la micropalanca

que lee el fotodetector Luego esa amplitud se compara con el valor preestablecido de amplitud y

si existe una diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal al escaacutener este se encarga de hacer la

correccioacuten en el eje ldquozrdquo para poder alcanzar el valor preestablecido y de esta forma mantener la

variable control (amplitud) constante Al igual que el meacutetodo de contacto las exploraciones en

ejes ldquoxyrdquo asiacute como los cambios en el eje ldquozrdquo generan una imagen topograacutefica de la superficie

estudiada (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitente (Fuente Loacutepez y Solares)

Los cambios topograacuteficos generan cambios en la amplitud de oscilacioacuten Por ejemplo si la

micropalanca se encuentra con una protuberancia la amplitud de la punta se veraacute reducida

temporalmente luego para compensar por esa peacuterdida de amplitud el escaacutener recibiraacute a traveacutes del

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circuito la sentildeal para mover la muestra hacia abajo con el objetivo de mantener la amplitud

preestablecida (setpoint) Es importante mencionar que en este modo se escoge una amplitud en el

experimento correspondiente a una fraccioacuten de la amplitud libre ver figura 417) Tanto la

amplitud libre de la punta como la fraccioacuten de la amplitud libre se escogen durante el experimento

la eleccioacuten de estos paraacutemetros antildeade complejidad si lo comparamos con el modo contacto donde

el usuario uacutenicamente se preocupa de una variable que es la deflexioacuten de la micropalanca (Loacutepez

y Solares 2014) Es por ello que en general el aumento del grado de sofisticacioacuten del meacutetodo en

AFM permite la recopilacioacuten de mayor informacioacuten pero al mismo tiempo requiere de mayor

juicio conocimiento y experiencia del usuario

Existen ecuaciones que sirven para determinar los distintos paraacutemetros de rugosidad de las

muestras a analizar de las cuales soacutelo se usaron dos en este trabajo de tesis que son

Desviacioacuten Promedio

119929119938 =120783

119951 sum|119962119946|

119951

120783

120786 120783120782

Desviacioacuten Estaacutendar

119929119954 = radic120783

119951 sum 119962119946

120784

119951

120783

120786 120783120783

Donde

119962119946 Distancia vertical desde la liacutenea principal hasta el i-eacutesimo punto de dato

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119951 Orden de los perfiles de rugosidad

119929119938 Desviacioacuten Promedio (Rugosidad Media)

119929119954 Desviacioacuten Estaacutendar (Rugosidad Cuadraacutetica Media)

Los anaacutelisis de rugosidad de las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

se realizaron con el equipo de Microscopiacutea de fuerza atoacutemica marca Bruker y modelo Dimension

Edge V-T 102

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CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

51 Difraccioacuten de Rayos X

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano

En la figura 51 se observan los picos de difraccioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

sintetizada a 300 y de las recocidas a las temperaturas de 400 450 119910 500 respectivamente

Los picos de difraccioacuten teoacutericos se encuentran en el anexo A Todas las muestras presentan

naturaleza policristalina y estructura hexagonal wurtzita con una clara orientacioacuten preferencial en

el plano (002) no se presentaron picos caracteriacutesticos del cobre debido al bajo porcentaje de

dopaje La intensidad del pico del plano (002) en las peliacuteculas sometidas a temperaturas de

recocido son mayores en comparacioacuten a la de la peliacutecula sin recocido presentando el mayor pico

a 450 mientras que el plano (100) aparece uacutenicamente en la peliacutecula recocida a 400 S

observoacute una disminucioacuten del tamantildeo del cristalito con la primera temperatura de recocido de alliacute

en adelante fue aumentando en cambio el paraacutemetro de red c fue disminuyendo con la temperatura

de recocido Todo esto puede ser quizaacutes a la sustitucioacuten de iones de cobre en los sitios del zinc

ingreso de iones de cobre a los intersticios (ya que el radio ioacutenico del zinc es casi del mismo tamantildeo

que el del cobre) o vacancias de iones de zinc u oxiacutegeno produciendo una deformacioacuten en la red

seguacuten Filali Torchynska Diacuteaz amp Morales (2015) Si iones Cu1 sustituyen a iones Zn2 en la

estructura cristalina existe un incremento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como

se observa en las peliacuteculas recocidas a 450 119910 500 pero si es el ion Cu2 el que sustituye a iones

Zn2 se observa un decrecimiento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como sucede en

las peliacuteculas de 300 400 119910 450

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Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con recocido (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la tabla 1 se muestran los valores calculados para el aacutengulo de Bragg del plano (002) la

distancia interplanar el paraacutemetro c el ancho completo de la mitad del maacuteximo y el tamantildeo del

cristalito

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Tabla 1

Tabla de valores para las propiedades estructurales

Datos obtenidos mediante DRX y caacutelculos (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra

120784120637(deg)

119941119945119948119949(Aring)

119836 (Aring)

FWHM 119811 (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3441 2604 5208 03221 2582

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 3448 2599 5198 04430 1878

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 3463 2588 5176 03161 2633

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 3458 2592 5184 02847 2923

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En la figura 52 se observa la relacioacuten entre el tamantildeo del cristalito y la temperatura de recocido

el recocido a 400 no fue suficiente para lograr aumentar el tamantildeo del cristalito es por eso que

disminuye considerablemente a partir de alliacute aumenta a medida que lo hace la temperatura

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica

521 Morfologiacutea y rugosidad

La figura 53 a-d muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas tomadas en AFM en dos

dimensiones barridas en un aacuterea de 5120583119898 119909 5120583119898 La superficie de las peliacuteculas no son homogeacuteneas

son rugosas con tamantildeo de grano variable Para a) se observa que el crecimiento del grano se dio

en forma de montantildeas en b) el crecimiento del grano cambioacute draacutesticamente y se dio en forma de

espiral esto puede ser debido al reordenamiento de los aacutetomos que se dio al someter la peliacutecula a

la temperatura de recocido para c) mejoroacute la cristalinidad y la forma de crecimiento fue

nuevamente como montantildea esto concuerda con el aumento del valor del tamantildeo del cristalito y

para d) la cristalinidad volvioacute a mejorar en concordancia con el tamantildeo del cristalito que aumento

un poco maacutes Esto es debido a que el incremento del tamantildeo del cristalito causa un aumento en la

rugosidad seguacuten Saidani et al (2006)

Para cada peliacutecula se hicieron tres mediciones en diferentes zonas para determinar los

paraacutemetros de rugosidad siendo sus valores promedio Rugosidad Promedio (119877119886) 000611 120583119898 y

la Rugosidad Cuadraacutetica Media (119877119902) 0007843 120583119898 que son mostrados en la tabla 2

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Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 ordmC c) rec a 450 ordmC

y d) rec a 500 ordmC (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la figura 54 a b c y d se muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas ahora en tres

dimensiones en estas imaacutegenes se observa mucho mejor el cambio de la cristalinidad y la

morfologiacutea para cada peliacutecula la rugosidad (Ra) aumenta en funcioacuten de la temperatura de recocido

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 c) rec a 450 y

d) rec a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

En la tabla 2 se han registrado los valores de la rugosidad media (Ra) y la rugosidad cuadraacutetica

media (Rq) para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

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Tabla 2

Tabla de valores de las rugosidades

Datos obtenidos mediante el software del equipo de afm (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra 119929119954 (120641119950) 119929119938 (120641119950)

ZnOCu 3 vol sin recocido 0007843 0006110

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 0006960 0005336

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 0011033 0008840

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 0011933 00095733

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En la figura 55 se observa la rugosidad media (Ra) en funcioacuten de la temperatura de recocido

con lo cual se puede confirmar que a medida que aumenta la temperatura de recocido aumenta la

rugosidad de la peliacutecula a partir de 400

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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53 Espectrometriacutea UV-Vis

531 Transmitancia

En la figura 56 se observan los espectros de transmitancia oacuteptica de las peliacuteculas delgadas de

ZnOCu 3 vol sintetizadas por el meacutetodo de rociado piroliacutetico a 300 ordmC y las sometidas a

temperaturas de recocido de 400 ordmC 450 ordmC y 500 ordmC obtenidas por espectrofotometriacutea UV-Vis

en el rango de longitudes de onda de 300 a 750 nm

Las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin recocido y con recocido presentan alta

transmitancia (gt80) esto se debe al dopaje con cobre seguacuten Bunyod Allabergenov et al (1946)

La muestra recocida a 500 ordmC presenta la mayor transmitancia (gt80) en el rango de 500 a 600

nm

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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532 Absorbancia y energiacutea del gap

En la figura 57 se puede ver el espectro de absorbancia para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol

sin y con recocido

El pico de absorbancia para todas las peliacuteculas se tiene aproximadamente en 375 nm luego

decae hasta hacerse casi nula para todas las peliacuteculas esto se debe al dopaje con cobre seguacuten

Bunyod Allabergenov (1946)

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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Se utilizoacute el modelo de Tauc para calcular la energiacutea del gap en cada peliacutecula El dopaje con

cobre disminuyoacute la energiacutea del gap a 3256 eV comparaacutendola con el valor teoacuterico (337 eV)

mientras que al someter las peliacuteculas a temperaturas de recocido se observa que el valor de la

energiacutea del gap cambia ligeramente siendo 3256 3263 y 3257 eV para las peliacuteculas recocidas a

400 450 119910 500 respectivamente a diferencia de lo reportado por Mathew (2015) esto se deba

quizaacutes a que la cantidad de cobre no fue la suficiente para lograr la disminucioacuten de la energiacutea del

gap

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para la peliacutecula recocida a

400 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y derecha para la peliacutecula

recocida a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la tabla 3 se han registrado los valores de la energiacutea del gap para las muestras sin y con

recocido de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol

Tabla 3

Tabla de valores de la Energiacutea del Gap

Datos obtenidos usando la relacioacuten de Tauc (Fuente Elaboracioacuten Propia)

Muestra Energiacutea del Gap (eV)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 400 deg119914 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 450 deg119914 3263

ZnOCu 3 vol recocido a 500 deg119914 3257

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CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES

bull Utilizando la teacutecnica de rociado piroliacutetico se obtuvo la peliacutecula delgada de ZnOCu

3 vol siendo la temperatura de siacutentesis de 300ordmC sobre un sustrato de vidrio marca

Pearl

bull Los patrones de difraccioacuten de rayos X nos ayudaron a determinar los picos de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol obtenieacutendose como resultado

un crecimiento preferencial en la direccioacuten del plano (002) siendo la muestra recocida

a 450 ordmC la que presentoacute el pico maacutes elevado Esto es caracteriacutestico de la estructura

hexagonal wurtzita

bull El tamantildeo del cristalito aumenta a medida con la temperatura de recocido a partir de

400 ordmC

bull El paraacutemetro c disminuye a medida que aumenta la temperatura de recocido

bull Las imaacutegenes obtenidas por AFM muestran que la rugosidad media (Ra) de las

peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol aumentaron a medida que aumenta la

temperatura de recocido a partir de 400 ordmC

bull La espectrofotometriacutea UV-Vis revela que todas las muestras de ZnOCu 3 vol

presentan alta transmitancia (gt80) a partir de 400 nm hasta los 750 nm siendo la

muestra recocida a 500ordmC la que presenta mayor transmitancia (gt90) en el rango de

500 a 600 nm

bull La absorbancia a partir de 400 nm es casi nula en todas las muestras

bull La energiacutea del gap se mantiene casi constante con la temperatura de recocido

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CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS

bull Se sugiere incrementar el nuacutemero de capas de la peliacutecula delgada ya que se si bien es

cierto que si se pudieron observar los patrones de difraccioacuten estos presentan ruido en

su graacutefica y se cree que esto puedo mejorar haciendo maacutes gruesa la peliacutecula

bull Se sugiere incrementar el rango de temperaturas de recocidos para poder obtener maacutes

detalles acerca de la influencia de eacutesta temperatura en las propiedades que se quieran

analizar de las peliacuteculas delgadas

bull Se sugiere realizar el dopaje con otros porcentajes de cobre para obtener maacutes

informacioacuten acerca de la influencia de esto en las propiedades a estudiar

bull Se sugiere calcular los esfuerzos por deformacioacuten

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71

REFERENCIAS

Acosta D R y Magantildea C R (2012) Oacutexidos conductores transparentes (119885119899119874 minus 1198781198991198742) Para

Remediacioacuten Ambiental Por Procesos Fotocataliacuteticos Muestra de proyectos ambientales

de tu ciudad Instituto de Fiacutesica de la Universidad Nacional Autoacutenoma de Meacutexico

Meacutexico DF

Alamri S N y Brinkman W A (2000) The effect of the transparent conductive oxide on the

performance of thin film CdSCdTe Solar cells J Phys D Appl Phys 33(1)

Aacutelvaro A D (2014) Estudio de Peliacuteculas Delgadas de 1198821198743 depositadas por la teacutecnica de

Sputtering Reactivo (tesis de pregrado) Cimav Chihuahua Meacutexico

American Society For Testing Materials Copper and Copper Alloys Annual Book of ASTM

Standards Vol21 (2) (ASTM International West Conshohocken PA) Revisado

anualmente

Askeland D (1998)Ciencia e Ingenieriacutea de los MaterialesUsa Thomson

Bedia F Z Bedia A N Maloufi N Aillerie M Gent F y Benyoucef B (2014) Effect

of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray

pyrolysis technique Journal of Alloys and Compounds 616 312ndash318

Benharrats F Zitouni K Kadri A y Gil B (2010) Determination of piezoelectric and

spontaneous polarization fields in CdxZn1ndashxOZnO quantum wells grown along the polar

(0001) direction Superlattices and Microstructures 47 592ndash596

Bubert H y Jenett H (2002) Surface and Thin Films Analysis Alemania Wiley

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

72

Bunyod A Oybek T Amir I A Jeong S W y Sungjin K (1946) Study of optical

properties in cu-doped zno thin films fabricated by dc magnetron sputtering Kumoh

National Institute of Technology (KIT) Metallkunde 37 40-4

Caglar Y Aksoy S Ilican S y Caglar M (2009) Crystalline structure and morphological

properties of undoped and Sn doped ZnO thin films Superlattices and Microstructures

46 469-475

Crystallography Open Database (2018) Recuperado de

httpwwwcrystallographynetcod1011258html

Deinert J (2016) Zinc Oxide Surfaces and Interfaces Electronic Structure and Dynamics of

Excited States (tesis postdoctoral) Department of Physics Technische Universitaumlt

Berlin Berlin Alemania

Filali B E Torchynska T V Diacuteaz C A y Morales R M (2015) Structural and raman

scattering studies of ZnO Cu nanocrystals grown by spray pyrolysis Revista Mexicana

de Ingenieriacutea Quiacutemica 14(3) 781-788

Gross L Mohn F Liljeroth P Repp J Giessibl FG y Meyer G (2009) Measuring the

charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy Science 324(5933)

1428-1431

Gurumurugan y Mangalaraj (1995) Structural Characterization of zinc oxide thin films

deposited by sol-gel Journal of Crystal Growth 147 335-360

Hafdallah A Herissi I Chergui N Kebaili Z Aida M y Attaf N (2018) Structural and

optical properties of ZnO thin films deposited by pyrolysis spray method effect of Al

doping Nanotechnology Letters

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S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

73

Hernaacutendez S S (2014) Preparacioacuten y Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de ZnO y

ZnOAl por la teacutecnica de Rociacuteo Piroliacutetico Para su Aplicacioacuten en Celdas Solares (tesis de

maestriacutea) Instituto Politeacutecnico Nacional Altamira Meacutexico

Hirata G A McKittrick J Siqueiros J Loacutepez O A Cheeks T Contreras O y Yi J Y

(1996) High transmittance-low resistivity ZnOGa films by laser ablation Journal of

Vacuum Science amp Technology A Vacuum surfaces and films 14(3) 791-794

Jeong S H Park B N Yoo D G y Boo J H (2007) Al-ZnO thin films as transparent

conductive oxides synthesis characterization and application tests Journal of the

Korean Physical Society 50(3) 622-625

Jijoy P M Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties of

Transition Metal Doped ZnO Thin Films IOP Conf Series Materials Science and

Engineering 731-5 doi 1010881757-899X

Kane J Schweizer H P y Kern W (1976) Chemical Vapor Deposition of Antimony-Doped

Tin Oxide Films Formed from Dibutyl Tin Diacetate Journal of the Electrochemical

Society 126(2) 270-277

Koumllble Ch Greiner D Klaer J Klenk R Meeder A y Ruske F (2009) DC reactive

sputtering of aluminum doped zinc oxide films for solar modules controlled by target

voltage Thin Solid Films 520 1913-1917

Leoacuten L H (2014) Efecto de la temperatura de recocido en la resistividad eleacutectrica de las

peliacuteculas de SnO2 sintetizadas por rociado piroliacutetico (tesis de pregrado) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

74

Liu H Avrutin V Izyumskaya N Oumlzguumlr Uuml y Morkoccedil H (2010) Transparent conducting

oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices Superlattices

and Microstructures 48 458ndash484

Loacutepez W Castro P Molina J y Arbey J (2011) Estabilidad y estructura electroacutenica del

ZnO Revista Colombiana de Fiacutesica 43 (I)

Loacutepez G Morales R Olea O Saacutenchez V Trujillo J Varela V y Vilchis A (2013)

Nanoestructuras metaacutelicas Siacutentesis caracterizacioacuten y aplicaciones Meacutexico DF

Meacutexico Reverteacute

Loacutepez E A y Solares S D (2014) El microscopio de fuerza atoacutemica meacutetodos y aplicaciones

Revista 28 de la Universidad del Valle de Guatemala 14-23

Mathew J P Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties

of Transition Metal Doped ZnO Thin Films Mat Sci and Eng 73 1-5

Minami T (2008) Present status of transparent conducting oxide thin-film development for

Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes Thin Solid Films 516 5822-5828

Mizuhashi M (1980) Electrical properties of vacuum-deposited indium oxide and indium tin

oxide films Thin Solid Films 70(1) 91-100

Mooney J B amp Rading S B (1982) Spray Pyrolysis Processing Annual Reviews of

Materials Science 12 81-101

Noriega D E (2015) Efecto de la temperatura del sustrato en los esfuerzos residuales de las

peliacuteculas de ZnO sintetizadas por Rociado Piroliacutetico (tesis de Maestriacutea) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

Pan C A y Ma T P (1980) High-quality transparent conductive indium oxide films

prepared by thermal evaporation Applied Physics Letter 37(2) 163

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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Peacuterez M L (2005) Fabricacioacuten y Caracterizacioacuten Oacuteptica Estructural y Eleacutectrica de Peliacuteculas

Delgadas Transparentes de Oacutexidos de Estantildeo Circonio y Zinc (tesis de doctorado)

Instituto Politeacutecnico Nacional Meacutexico DF Meacutexico

Rahmani M B Keshmiri S H Shafiei M Latham K Wloarski W Plessis J du y

Kalantar-Zadeh K (2009) Transition from n- to p- Type of Spray Pyrolysis Deposited

Cu Doped ZnO Thin Films for NO2 Sensing ASP 7 1-8

Ramiacuterez C M (2015) Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de 119885119899119874 1198661198863+ Obtenidas Por La

Teacutecnica de Sol-Gel (tesis de pregrado) Universidad Tecnoloacutegica de la Mixteca

OaxacaMeacutexico

Rojas F S (2013) Influencia de la temperatura de recocido de las peliacuteculas de ZnO

compuestas con nanopartiacuteculas de Au sobre el crecimiento de Nanorods (tesis de

pregrado) Universidad Nacional de Trujillo Trujillo La Libertad Peruacute

Rozati S M (2008) Effect of film thickness on the physical properties of ZnOAl thin films

deposited using a spray pyrolysis technique Canadian J Phys 86 379ndash382

Ruumlcker N y Becker K J (1978) Life stability of transparent semiconducting oxide films

deposited onto cold substrates Thin Solids Films 53(2) 163-167

Sahay PP y Nath RK (2008) Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG)

sensors Sensors and ActuatorsB(133) 222ndash227

Saidani T Zaabat M Aida M S Benoboud A Benzitouni S y Boudine A (2014)

Influence of annealing temperature on the structural morphological and optical properties

of Cu doped ZnO thin films deposited by the sol-gel method Superlattices and

Microstructures 75 47-53

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Ghandi S K Field R J y Shealy J R (1980) Highly oriented zinc oxide films grown by the

oxidation of diethylzinc Applied Physics Letters 37(5) 449

Waal H y Simons F (1981) Tin oxide coatings Physical properties and applications Thin

Solid Films 77 253-258

Wang L Zhang X Zhao S Zhou G Zhou Y y Qi J (2005) Synthesis of well-aligned

ZnO nanowires by simple physical vapor deposition on c-oriented ZnO thin films without

catalyst or additives App Phy Lett 86(2)

Wolgamott J C (2017) Analysis of Zinc Oxide Thin Films Synthesized by Sol-Gel via Spin

Coating (tesis de maestriacutea) The University of Wisconsin-Milwaukee USA

Yan Y Al-Jassim M M y Wei S (2006) Doping of ZnO by group-IB element Applied

Physics Letters 89

Zhon L W (2004) Nanostructures of Zinc Oxide Materials today 7 26-33

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ANEXOS

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ANEXO A

Valores Teoacutericos Del Zno

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnO (Fuente En liacutenea)

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ANEXO B

Caacutelculo de la distancia interplanar

La distancia interplanar fue calculada a partir de la Ley de Bragg

119941 =120640

120784 119852119842119847 120637

Doacutende d es la distancia interplanar 120582 es la longitud de onda de rayos X (15405981 A) y 120579 es

el aacutengulo de Bragg

Se tomoacute como plano de referencia el (002)

Para la muestra sin tratamiento de recocido el aacutengulo fue 2120579 = 3441deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120782120787deg

119941 = 120784 120788120782120786 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3448deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120786deg

119941 = 120784 120787120791120791 119808

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Para la muestra recocida a 450deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3463deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120785120783120787deg

119941 = 120784 120787120790120790 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3458deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120791deg

119941 = 120784 120787120791120784 119808

Caacutelculo del paraacutemetro c

El paraacutemetro de red C fue calculado para cada muestra con la foacutermula

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784

Doacutende h=k=0 y l=2 reemplazando estos datos tenemos

119940 = 119949 119941119945119948119949

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Para la muestra sin tratamiento de recocido

119940 = (120784)120784 120788120782120786 119808

119940 = 120787 120784120782120790 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120791 119808

119940 = 120787 120783120791120790 119808

Para la muestra recocida a 450deg119862

119940 = (120784)120784 120787120790120790 119808

119940 = 120787 120783120789120788 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120784 119808

119940 = 120787 120783120790120786 119808

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Caacutelculo del tamantildeo de grano

Para calcular el tamantildeo del cristalito se utilizoacute la ecuacioacuten de Debye-Scherrer

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637

Doacutende K es la constante que es 09 para partiacuteculas esfeacutericas 120582 es la longitud de onda de los

rayos X (15405981 A) 120573 es la mitad del ancho del maacuteximo (FWHM) pico que para nuestro caso

fue el que correspondiacutea al plano (002) y estaacute dado en radianes y 120579 es el aacutengulo de Bragg

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120788120784120783) 119836119848119852 120783120789 120784120782120787deg119808

119915 = 120784120787 120790120784 119951119950

Para la muestra recocida a 400deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120789120789120785120783) 119836119848119852 120783120789 120784120786deg119808

119915 = 120783120790 120789120790 119951119950

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83

Para la muestra recocida a 450deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120787120783120789) 119836119848119852 120783120789 120785120783120787deg119808

119915 = 120784120788 120785120785 119951119950

Para la muestra recocida a 500deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120786120791120788120789) 119836119848119852 120783120789 120784120791deg119808

119915 = 120784120791 120784120785 119951119950

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ANEXO C

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada

Se realizoacute una pequentildea incisioacuten en la peliacutecula con una navaja de tal forma que la peliacutecula pueda

ser desprendida pero que no produzca rayaduras en el sustrato y utilizando el Meacutetodo Section del

Software NanoScope Analysis version 140 se calculoacute la distancia vertical y horizontal en tres

regiones para obtener un promedio con lo cual seriacutea el espesor aproximado de la peliacutecula

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b) Imagen 3D del escaloacuten

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Tabla 4

Tabla de datos de las alturas horizontales y verticales

Datos obtenidos para calcular el espesor de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 (Elaboracioacuten Propia)

Calculando el promedio de las distancias verticales

(189441 + 184037 + 170941)119899119898 = 544419 119899119898

544419119899119898

3= 181473 119899119898

El grosor de la peliacutecula fue 181 473 nm

Este proceso se realizoacute para todas las muestras en la tabla 5 se muestran los valores

correspondientes cada peliacutecula

Tabla 5

Tabla de valores del espesor de cada peliacutecula

Muestra Espesor (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 181473

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 179596

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 181210

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 183498

Datos calculados para el espesor de cada peliacutecula (Fuente Elaboracioacuten propia)

N Distancia Horizontal Distancia Vertical

1 3249 (microm) 189441 (nm)

2 3679 (microm) 184037 (nm)

3 3914 (microm) 170941 (nm)

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ANEXO D

Caacutelculo de los valores de Rugosidad

Se calculoacute el promedio de la rugosidad media y la rugosidad cuadraacutetica media para cada

peliacutecula El aacuterea de anaacutelisis en todas las muestras fue 3um x 1um y los valores fueron obtenidos

por el sensor de altura en el software de AFM Dimension Edge VT-112

Muestra Sin Rec

Figura D 1 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra sin rec

Tabla 6

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rec

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000751 000589

ZONA 2 000849 000646

ZONA 3 000753 000598

PROMEDIO 000784 000611

Datos para el promedio de la rugosidad de ZnOCu 3 vol Sin Rec (Elaboracioacuten Propia)

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Muestra Rec a 120786120782120782

Figura D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 400 ordmC

Tabla 7

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

Muestra Rec a 120786120787120782

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000634 000506

ZONA 2 000769 000590

ZONA 3 000685 000505

PROMEDIO 000696 000534

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Figura D3 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 450 ordmC

Tabla 8

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00112 000903

ZONA 2 00110 000872

ZONA 3 00109 000877

PROMEDIO 00110 000884

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Muestra Rec a 120787120782120782

Figura D4 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 500 ordmC

Tabla 9

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec 500 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00119 000956

ZONA 2 00120 000969

ZONA 3 00119 000947

PROMEDIO 00119 000957

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ANEXO E

Caacutelculo de la energiacutea del gap

Se utilizoacute la foacutermula 46

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material que es igual a la absorbancia dividida por

el espesor de la peliacutecula 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ es la constante de Planck 120584 es

la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

Haciendo los caacutelculos respectivos en Excel obtuvimos los valores de ℎ120584 y (120572ℎ120584)2

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauc

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Luego graficamos esto usando Origin 8 y trazando la recta hasta el intercepto con el eje x

obtuvimos el valor de la energiacutea del gap Esto se hizo para todas las peliacuteculas

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas las peliacuteculas

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Page 13: FÍSICAS INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE RECOCIDO …

xiii

Capiacutetulo 4

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearlhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip28

Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratoshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip29

Figura 43 Sustratos en detergentehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip30

Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenicohelliphellip31

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en hornohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip31

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica33

Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip34

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidadhelliphelliphelliphelliphellip helliphelliphelliphelliphelliphellip35

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula

delgada de ZnOCu 3 vol helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip36

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas

delgadashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip38

Figura 411 Diagrama de flujo del Proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadashelliphelliphellip39

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos xhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip40

Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vishelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip44

Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del

sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip48

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta

con la superficie del sustrato helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip49

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemicahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip50

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitentehelliphelliphelliphelliphelliphellip52

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Capiacutetulo 5

Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con

recocidohelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 56

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip58

Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 ordmC c) rec a 450 ordmC y d) rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip59

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a

400 c) rec a 450 y d) rec a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip61

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperaturahelliphelliphelliphelliphelliphellip63

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y

con recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip64

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con

recocido helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip65

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para

la peliacutecula recocida a 400 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip66

Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y

derecha para la peliacutecula recocida a 500 helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip67

Anexos

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnOhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip78

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b)

Imagen 3D del escaloacutenhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip84

Figura D1 a Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra sin rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

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Figura D2 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 400 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip87

Figura D3 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 450 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip88

Figura D4 D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad

a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3 de la muestra rec a 500 ordmhelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip89

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauchelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip90

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas

las peliacuteculashelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 91

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IacuteNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de valores para las propiedades estructuraleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip57

Tabla 2 Tabla de valores de las rugosidadeshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip62

Tabla 3 Tabla de valores de la Energiacutea del Gaphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip68

Tabla 4 Tabla de datos de las alturas horizontales y verticaleshelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 5 Tabla de valores del espesor de cada peliacuteculahelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip85

Tabla 6 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rechelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip86

Tabla 7 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 87

Tabla 8 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 88

Tabla 9 Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmChelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip 89

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CAPIacuteTULO 1 INTRODUCCIOacuteN

Los materiales desarrollados a base de oacutexidos transparentes y conductores (por sus siglas en

ingleacutes TCOs) han recibido una gran aceptacioacuten en la comunidad cientiacutefica debido a sus muacuteltiples

aplicaciones en la industria optoelectroacutenica ya que sus propiedades de alta transparencia y baja

resistividad los hacen aptos para aplicaciones en celdas solares sensores de gases (Koumllble et al

2009) pantallas planas pantallas de cristal liacutequido ventanas electro-croacutemicas entre otros

Los TCOs son semiconductores que se caracterizan por tener altos valores de transmisioacuten oacuteptica

(~ 80 ) en el intervalo visible y bajas resistividades (lt 10minus3Ω119888119898) seguacuten Minami (2008)

Algunos de los oacutexidos metaacutelicos preparados en forma de peliacutecula delgada que son o pueden ser

utilizados como conductores transparentes son oacutexido de cadmio (119862119889119874) oacutexido de estantildeo (1198781198991198742)

ITO (11986811989921198743 119878119899) FTO (1198781198991198742 119865) y AZO (119885119899119874 119860119897)(Alamri amp Brinkman 2000)

Uno de los oacutexidos conductores transparentes comuacutenmente utilizados debido a su alta

transmitancia en el visible gt 80 y su baja resistividad del orden de 10minus4Ω119888119898 es el oacutexido de

indio dopado con estantildeo (ITO) seguacuten Minami (2008) Pero debido a la rareza del indio en la tierra

su costo es elevado Otro oacutexido conductor transparente que ha llamado fuertemente la atencioacuten es

el CdO que es un semiconductor degenerado porque los estados en el fondo de la banda de

conduccioacuten se encuentran ocupados por lo tanto presenta alta conductividad sin necesidad de ser

dopado (Bhosale Kambale Kokate amp Rajpure 2005)

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Sin embargo ya que el Cd es muy toacutexico la unioacuten europea a traveacutes de la directiva de restriccioacuten

de sustancias peligrosas lo catalogoacute entre los 6 elementos restringidos para su uso en dispositivos

eleacutectricos y optoelectroacutenicos Debido a esta restriccioacuten es necesario buscar otras alternativas una

de ellas es el ZnO ya que presenta alta conductividad eleacutectrica seguacuten Jeon Park Yoo amp Boo

(2007) altos valores de transmitancia en la regioacuten visible del espectro electromagneacutetico (Hirata et

al 1996) bajo costo alta disponibilidad y no toxicidad

El oacutexido de Zinc es reconocido como un semiconductor porque tiene un ancho de banda de 337

eV a temperatura ambiente posee una gran energiacutea libre de unioacuten de excitones alta estabilidad

propiedades fiacutesicas oacutepticas etc (Benharrats Zitouni Kadri y Gil 2010)

Una peliacutecula delgada se encuentra en el rango de 1 119886 100 119899119898 (Loacutepez et al 2013) Para que

una peliacutecula delgada sea considerada como eficaz debe ser quiacutemicamente estable en el entorno a

usar debe adherirse bien a la superficie que cubre (sustrato) debe tener un espesor uniforme y

debe tener una baja densidad de imperfecciones (Leoacuten 2014)

Dentro de los diversos meacutetodos para obtener peliacuteculas delgadas tenemos el de rociado piroliacutetico

que puede ser maacutes barato simple y versaacutetil a comparacioacuten de otros meacutetodos Las propiedades de

las peliacuteculas rociadas pueden faacutecilmente adaptarse para las aplicaciones requeridas

Adicionalmente tambieacuten es un meacutetodo de deposicioacuten adecuado cuando se necesitan peliacuteculas de

grandes aacutereas (Rahmani et al 2009)

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El meacutetodo de rociado piroliacutetico es un proceso en el cual una peliacutecula delgada es depositada

mediante el rociado de una solucioacuten en una superficie caliente donde los constituyentes reaccionan

para formar un compuesto quiacutemico Los reactantes quiacutemicos son seleccionados de tal forma que

los productos distintos al del compuesto deseado sean volaacutetiles a la temperatura de deposicioacuten

(Mooney amp Rading 1982)

Las caracteriacutesticas estructurales eleacutectricas y oacutepticas de las peliacuteculas delgadas de ZnO han sido

ampliamente investigadas mientras que el efecto del dopado sobre estas propiedades auacuten estaacuten

siendo estudiadas (Rozati 2008 Caglar Ilikan y Caglar 2009) Las peliacuteculas de ZnO pueden

doparse con Al3+ (Sahay amp Nath 2008) Sn4+ y Sn5+ (Bedia et al 2014) F1- Cu1+ Ag1+ Ga3+

In3+ (Liu Avrutin Izyumskaya Oumlzguumlr y Morkoccedil 2010)

Elegir el Cu como dopante para las peliacuteculas delgadas de ZnO es una buena opcioacuten ya que

influye en las propiedades oacutepticas estructurales quiacutemicas y eleacutectricas del ZnO y el estudio del

estado electroacutenico del Cu en ZnO ha venido siendo el tema de intereacutes por mucho tiempo ya que

son uno de los componentes principales en celdas fotovoltaicas (Bunyod 1946)

El efecto de la temperatura de recocido sobre las peliacuteculas delgadas de ZnOCu estaacute siendo

estudiada minuciosamente debido a que se han reportado casos en los cuales disminuye la banda

del gap y aumenta el esfuerzo a medida que aumenta dicha temperatura (Jijoy Varguese amp

Mathew 2015)

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En el presente trabajo de investigacioacuten se realizoacute la siacutentesis de peliacuteculas delgadas de ZnOCu

3 por el meacutetodo de rociado piroliacutetico sobre un sustrato de vidrio a una temperatura de 300 ordmC y

luego sometida a temperaturas de recocido entre 400- 500 ordmC La caracterizacioacuten de las peliacuteculas

antes y despueacutes del recocido se realizoacute mediante DR-X UV-Vis y AFM

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CAPIacuteTULO 2 MARCO TEOacuteRICO

21 Oacutexido de Zinc

El oacutexido de zinc es un compuesto inorgaacutenico relativamente abundante quiacutemicamente estable

y no toacutexico es insoluble en agua pero soluble en aacutecidos y bases diluidas su punto de fusioacuten es de

1975 ordmC temperatura a la que tambieacuten se descompone es un semiconductor formado por los

elementos del grupo-II ( 119885119899)30 y el grupo-VI ( 1198748

) El zinc tiene cinco isoacutetopos estables de los

cuales los maacutes comunes son el zinc 64 (4889 ) zinc 66 (2781 ) y el zinc 68 (1857 )

mientras que el oxiacutegeno consiste casi puramente en el isoacutetopo de oxiacutegeno 16 (9976 ) seguacuten

Loacutepez Castro Molina y Arbey (2011)

22 Estructura Cristalina y Superficial del ZnO

Cada aacutetomo de zinc se encuentra rodeado por un tetraedro de 4 aacutetomos de oxiacutegeno y viceversa

tal y como se muestra en la figura 21 formando de esta manera una combinacioacuten alternada de

planos de aacutetomos oxiacutegeno y de planos de aacutetomos de zinc las cuales se encuentran a lo largo del

eje c con un desplazamiento entre ellos de 038c siendo c su paraacutemetro de red en la direccioacuten

vertical Los valores de los paraacutemetros de red para dicho material en condiciones normales de

presioacuten y temperatura son a = 032495 nm y c = 052069 nm (Hernaacutendez 2014)

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Figura 21 Estructura hexagonal wurtzita Los aacutetomos de O son de color blanco y los de Zn de color gris oscuro

(Fuente Hernaacutendez)

Su estructura puede describirse como un nuacutemero de planos alternantes que estaacuten compuestos

por iones de oxiacutegeno 1198742minus e iones de zinc 1198851198992+ que se encuentran alternados en el eje c esta

estructura tetraeacutedrica es la que le confiere su baja simetriacutea y lo que resulta en sus propiedades de

piezoelectricidad (Hernaacutendez 2014)

Otra importante caracteriacutestica del ZnO es su superficie polar siendo la maacutes comuacuten la del plano

basal Los iones de zinc y oxiacutegeno generan superficies cargadas positiva para (119885119899 minus (0001)) y

negativa para (119874 minus (0001)) lo que resulta en un momento dipolar normal y una polarizacioacuten

espontaacutenea La estabilidad de la superficie polar 119885119899119874 plusmn (0001) es materia de estudio tambieacuten es

atoacutemicamente plana y estable sin reconstruccioacuten (Hafdallah et al 2018 Zhon 2004)

El zinc tiene una configuracioacuten electroacutenica (1119904)2(2119904)2(2119901)6(3119904)2(3119901)6(3119889)10(4119904)2 mientras

que la configuracioacuten electroacutenica del oxiacutegeno es (1119904)2(2119904)2(2119901)4 El enlace de ZnO en su red

cristalina involucra una hibridacioacuten 1199041199013 de los estados electroacutenicos lo cual lleva a cuatro orbitales

equivalentes en una geometriacutea tetraeacutedrica En el cristal semiconductor resultante los estados de

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enlace 1199041199013 constituyen la banda de valencia mientras que la banda de conduccioacuten se origina de su

contraparte de anti-enlace seguacuten Deinert (2016)

23 Estructuras de Crecimiento Tiacutepicas del ZnO

Estructuralmente el oacutexido de zinc tiene tres tipos de direcciones raacutepidas de crecimiento las

cuales son lang2110rang ( plusmn[2110] plusmn[1210] plusmn[1120] ) lang0110rang ( plusmn[0110] plusmn[1010]

plusmn[1100] ) y plusmn[0001] El ZnO exhibe un amplio rango de nuevas estructuras que pueden ser

desarrolladas ajustando las tasas de crecimiento a lo largo de esas direcciones Uno de los mayores

factores que determinan la morfologiacutea implican las actividades superficiales relativas de diversas

facetas de crecimiento bajo condiciones dadas Macroscoacutepicamente un cristal tiene diferentes

paraacutemetros cineacuteticos para diferentes planos del cristal los cuales son controlados bajo condiciones

de crecimiento Asiacute despueacutes de un periodo inicial de incubacioacuten y nucleacioacuten un cristalito

comuacutenmente se convertiraacute en un objeto tridimensional bien definido con caras cristalograacuteficas de

bajo iacutendice La figura 2 de a) al c) muestran unas morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento en una

dimensioacuten para el ZnO dichas estructuras tienden a maximizar las aacutereas de las caras (2110) y

(0110) debido a la maacutes baja energiacutea y la morfologiacutea mostrada en la parte d) es dominada por las

superficies polares las cuales pueden ser crecidos mediante la introduccioacuten de defectos planares

paralelos a las superficies polares Los defectos planares y gemelos son observados ocasionalmente

paralelos al plano (0001) pero rara vez se pueden observar dislocaciones (Zhon 2004)

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Figura 22 Morfologiacuteas tiacutepicas de crecimiento de nanoestructuras de ZnO (Fuente Zhon)

24 El Cobre y Sus Propiedades

El cobre con nuacutemero atoacutemico 29 y peso atoacutemico de 6354 exhibe una estructura cristalina cuacutebica

centrada en las caras El cobre es un elemento de transicioacuten y al ser un metal noble tiene

propiedades inherentes similares a las de la plata y el oro Tambieacuten posee excelente conductividad

maleabilidad resistencia a la corrosioacuten y biofuncionalidad El cobre tiene alta solubilidad para

otros elementos tales como el niacutequel el zinc el estantildeo y el aluminio Esta solucioacuten soacutelida de la

fase alfa (120572) es la responsable de la alta ductilidad exhibida para aleaciones de cobre Las adiciones

maacutes allaacute del liacutemite de solubilidad resultan en la fase beta (120573) la cual exhibe una estructura cuacutebica

de cuerpo centrado esta fase beta tiene alta estabilidad de temperatura y las aleaciones que exhiben

una estructura 120572 + 120573 tienen una excelente capacidad de formacioacuten en caliente La densidad del

cobre es 889 1198921198881198983 y su punto de fusioacuten es 1083 Seguacuten American Society For Testing

Materials la cual es revisada anualmente

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25 Dopado al Oacutexido de Zinc

Los elementos del grupo IB como el cobre la plata y el oro no parecen de tanto intereacutes como

sus contrapartes del grupo IA y VA pero actualmente se vienen trabajando con estos elementos

ya que cambian las propiedades del ZnO esto podriacutea significar que una sustitucioacuten con zinc podriacutea

resultar un defecto de aniquilador de electrones Aunque estos pueden ser considerados costosos

la plata y el cobre podriacutea ser una alternativa maacutes econoacutemica en comparacioacuten con otros elementos

que han sido usados como dopantes al fin de cuentas estas poseen una conductividad uacutenica

(Wolgamott 2017)

Las figuras 23 24 y2 5 muestran las energiacuteas de formacioacuten por defecto para el ZnO dopado

con cobre plata y oro estas cifras junto con un caacutelculo hecho por Yan Al-Jassim ampWei (2006)

muestran que bajo condiciones ricas en oxiacutegeno los elementos del grupo IB tienen una baja energiacutea

de formacioacuten para la sustitucioacuten del zinc Esta misma condicioacuten rica en oxiacutegeno tambieacuten suprime

la formacioacuten de defectos nativos en el agujero de perforacioacuten aumentando asiacute la posibilidad de

una peliacutecula delgada de ZnO dopado del tipo p (Wolgamott 2017)

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Figura 23 Energiacutea de formacioacuten de defectos del cobre en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

El cobre y la plata ofrecen una mejor ruta para la reproduccioacuten de peliacuteculas delgadas de ZnO

del tipo p El dopaje con nitroacutegeno solo es favorable en condiciones ricas en zinc esto aumenta la

probabilidad de que se formen defectos por la formacioacuten de agujeros para compensar Para

ajustarse a esto teacutecnicas de procesamiento novedoso y no equilibrado deben ser usadas esta

dificultad aumenta los costos de procesamiento y reduce la reproduccioacuten de tales (Wolgamott

2017)

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Figura 24 Energiacutea de formacioacuten de defectos de la plata en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

Figura 25 Energiacutea de formacioacuten de defectos del oro en ZnO sobre un rango de niveles de fermi para condiciones

ricas en Zn y O (Fuente Wolgamott)

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CAPIacuteTULO 3 TEacuteCNICAS DE DEPOSICIOacuteN DE

PELIacuteCULAS DELGADAS

Una variedad de teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas han sido empleadas para el

depoacutesito de oacutexidos conductores trasparentes tales como el oacutexido de estantildeo (SnO2) dopado con

antimonio (SnO2 ∶ Sb) o con fluorina (SnO2 ∶ F) el oacutexido de indio(In2O3) dopado con estantildeo

(In2O3 ∶ Sn) el oacutexido de zinc (ZnO) dopado con indio (ZnO ∶ In) Ya que el transporte oacuteptico y

eleacutectrico en estas peliacuteculas depende fuertemente de su estequiometria su microestructura y de la

naturaleza de las impurezas presentes por lo tanto cada teacutecnica de deposicioacuten con los paraacutemetros

asociados produce peliacuteculas con diferentes propiedades Dependiendo de queacute teacutecnica de

deposicioacuten se use el sustrato influiraacute significativamente en las propiedades de las peliacuteculas Los

sustratos de vidrio son los de uso comuacuten para estos procesos Los procesos a baja temperatura tales

como la pulverizacioacuten catoacutedica con magnetroacuten la pulverizacioacuten ioacutenica con haz de iones y el

recubrimiento ioacutenico reactivo permiten la deposicioacuten de las peliacuteculas de oacutexido sobre el sustrato de

poliacutemero como el plaacutestico Mylar y poly (Teraftalato de etileno) Seguacuten Waal amp Simons (1981)

el coeficiente de expansioacuten teacutermica del sustrato afecta las propiedades eleacutectricas de las peliacuteculas

especialmente en procesos como los de rociado piroliacutetico y de inmersioacuten en los cuales las tensiones

intriacutensecas son inducidas dentro de la peliacutecula El coeficiente de expansioacuten teacutermica influye en la

orientacioacuten preferente del cristalito en las peliacuteculas de ZnO (Ghandhi Field amp Shealy 1980)

El proceso que implica deposiciones a altas temperaturas el efecto de la difusioacuten de iones

alcalinos desde el sustrato de vidrio hacia la peliacutecula se vuelve extremadamente importante (Kane

Schweizer amp Kern 1976) Los cationes actuacutean como agentes dopantes de tipo-p y compensan los

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donantes nativos El problema es grave en los sustratos de vidrio Soda-lime los cuales tienen un

alto contenido en sodio alrededor del 10-15 peso 1198731198862119874 En La figura 31 podemos observar

los tipos de procesos para la obtencioacuten de peliacuteculas delgadas

Figura 31 Esquema de las teacutecnicas de deposicioacuten de peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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31 Procesos Fiacutesicos

311 Evaporacioacuten teacutermica

Peliacuteculas delgadas de IO (oacutexido de indio) (Pan amp Ma 1980) ITO (oacutexido de indio dopado con

estantildeo) (Mizuhashi 1980) y ZnO (Wang et al 2005) han sido depositadas por evaporacioacuten

teacutermica o por haz de electrones de fuentes de oacutexido Debido a su alto punto de fusioacuten el TO

(oacutexido de estantildeo) ha sido depositado por haz de electrones (Mizuhashi 1980) Cuando los oacutexidos

puros o mixtos se evaporan se reducen y forman peliacuteculas opacas de oacutexidos inferiores Por lo tanto

los oacutexidos transparentes conductores son obtenidos por post-oxidacioacuten de peliacuteculas inferiores o

por introduccioacuten del oxiacutegeno durante la evaporacioacuten (Ruumlcker amp Becker 1978)

La cineacutetica de oxidacioacuten de sub-oacutexidos la dependencia de la resistividad y la transmisioacuten en el

sustrato y las temperaturas de oxidacioacuten han sido estudiadas para peliacuteculas de ITO (Mizuhashi

1980) La opacidad de las peliacuteculas depositadas ha sido atribuida a la presencia de indio libre en

una matriz de In2O3 que resulta de la reduccioacuten de especies de In2O que estaacuten presentes en la

fase de vapor

La post-oxidacioacuten del indio libre es a traveacutes de un proceso controlado por difusioacuten y las

propiedades eleacutectricas y oacutepticas finales de las peliacuteculas estaacuten determinadas por las tasas relativas

de oxidacioacuten y difusioacuten del indio (Mizuhashi 1980)

En el caso de la oxidacioacuten durante la deposicioacuten la temperatura del sustrato y la presioacuten parcial

de oxiacutegeno son los principales paraacutemetros de control para el proceso que han sido estudiados por

Mizuhashi (1980) que obtuvo peliacuteculas de ITO de buena calidad con una presioacuten parcial de

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oxiacutegeno de 10minus4 Torr y una temperatura de sustrato de 400 con una tasa de deposicioacuten de

aproximadamente 50 Å 119898119894119899minus1 para el O2 puro

De lo anterior se puede concluir que para obtener peliacuteculas altamente transparentes y

conductoras por evaporacioacuten es necesario que la presioacuten parcial del oxiacutegeno sea alta (suficiente

para oxidar casi todo el indio) que la temperatura del sustrato sea la adecuada y que la tasa de

evaporacioacuten sea raacutepida (para suprimir la disociacioacuten de In2O3)

312 Sputtering

El Sputtering o pulverizacioacuten catoacutedica es una de las teacutecnicas maacutes usadas para la deposicioacuten de

peliacuteculas conductoras transparentes Esta teacutecnica se basa esencialmente en un bombardeo intenso

de un material con iones producidos en una descarga eleacutectrica en forma de plasma cuando la

energiacutea de los iones incidentes es suficientemente elevada entonces la interaccioacuten con la superficie

del material a traveacutes de intercambio de momento cineacutetico hace que los aacutetomos de la superficie

sean arrancados para pasar a la fase de vapor La figura 32 muestra un esquema de las etapas del

proceso El caacutetodo el cual estaacute conectado a la terminal negativa de la fuente de alimentacioacuten estaacute

formado por el material a evaporar que tambieacuten es llamado blanco o sputtering target estaacute

sometido al bombardeo intenso de los iones positivos de la descarga una vez que son acelerados

desde el plasma como consecuencia de la caiacuteda de potencial asociada El bombardeo de los iones

produce no solo el efecto de sputtering o pulverizacioacuten del blanco sino tambieacuten la emisioacuten de

electrones secundarios que son acelerados hacia el plasma Una vez en el plasma estos electrones

tienen la energiacutea suficiente para producir nuevos iones mediante procesos de ionizacioacuten en cascada

por impacto con los aacutetomos del gas compensando asiacute la perdida de carga producida por colisiones

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de las especies cargadas en las paredes de la caacutemara de vaciacuteo Se dice que la descarga es auto

mantenida (Aacutelvaro 2014)

Figura 32 Proceso de sputtering Izquierda etapas y derecha esquema del equipo (Fuente Aacutelvaro)

El gas de la descarga suele ser un gas inerte de masa elevada con el objeto de aumentar la

transferencia del momento cineacutetico a los aacutetomos del blanco por razones de precio en la mayoriacutea

de las aplicaciones el gas utilizado es argoacuten con una masa atoacutemica de 40 los sustratos a recubrir

estaacuten colocados sobre el aacutenodo aunque se pueden situar sobre un soporte auxiliar frente al caacutetodo

El electrodo que actuacutea de aacutenodo suele estar conectado al potencial de tierra junto con la caacutemara

de vaciacuteo por razones de seguridad A diferencia de la teacutecnica de evaporacioacuten teacutermica la trayectoria

de las partiacuteculas pulverizadas no es rectiliacutenea ya que a presiones de trabajo alrededor de

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10minus3 mbar el recorrido libre medio es del orden de unos pocos mm Los aacutetomos evaporados

pueden alcanzar al sustrato desde cualquier direccioacuten despueacutes de sufrir una serie de colisiones en

la atmosfera de sputtering en las cuales sufren una peacuterdida de su energiacutea inicial Por lo tanto los

problemas de direccionalidad y los de homogeneidad del espesor de la capa depositada son

menores que en la evaporacioacuten teacutermica Al mismo tiempo los aacutetomos del gas inerte y la radiacioacuten

procedente del plasma tambieacuten interaccionan con la superficie de los sustratos produciendo

efectos laterales De hecho existe la posibilidad de que aacutetomos del gas inerte puedan contaminar

la capa depositada en el sustrato al quedar atrapados en su interior durante el crecimiento (Aacutelvaro

2014)

32 Procesos Quiacutemicos

321 CVD

La deposicioacuten quiacutemica por vapor (Chemical Vapor Deposition) es un proceso antiguo que data

del 1800 En este tiempo esta teacutecnica fue usada principalmente para producir materiales

refractores de alta pureza tales como el zirconio y el titanio Despueacutes de la segunda guerra mundial

los investigadores comenzaron a darse cuenta de las ventajas potenciales que ofreciacutea el CVD

Esta teacutecnica consiste en la deposicioacuten por vapor sobre una superficie caliente Esto pertenece a

las teacutecnicas de transferencia de vapor Con esta teacutecnica la liacutenea de visioacuten con la superficie de

recubrimiento no es necesaria por lo tanto permite la deposicioacuten en superficies complejas tambieacuten

posee una alta tasa de deposicioacuten y puede ser usado para recubrimientos gruesos esto permite la

co-deposicioacuten de los elementos y no requiere de un proceso de alto vaciacuteo

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La figura 33 muestra un CVD tiacutepico El primer paso es la activacioacuten teacutermica de los precursores

quiacutemicos para formar el vapor este a su vez es transportado a traveacutes de una caacutemara caliente en

donde el sustrato estaacute colocado en esta caacutemara la reaccioacuten gaseosa ocurre y los reactantes son

depositados en la superficie del sustrato con lo cual resulta la formacioacuten de la peliacutecula Los

subproductos volaacutetiles son desorbidos desde la peliacutecula y removidos de la caacutemara por medio de la

conveccioacuten

Figura 33 Configuracioacuten tiacutepica para un proceso de cvd (Fuente En liacutenea)

Un proceso tiacutepico de CVD requiere de temperaturas altas que la reaccioacuten de fase gaseosa ocurra

esto no soacutelo aumenta los costos de proceso sino que tambieacuten limita los tipos de sustratos donde la

peliacutecula delgada puede ser depositada Los precursores quiacutemicos con alta presioacuten de vapor que se

necesitan para el CVD son en su mayoriacutea toacutexicos y peligrosos para trabajar con ellos Finalmente

los subproductos de la reaccioacuten gaseosa que no permanecen en el sustrato pueden ser toacutexicos e

incluso corrosivos La neutralizacioacuten de estos subproductos implicariacutea un aumento del costo de

produccioacuten

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322 Sol-Gel

Esta teacutecnica de crecimiento es un proceso quiacutemico huacutemedo realizado a bajas temperaturas que

permite fabricar materiales amorfos y poli cristalinos estos uacuteltimos se obtienen despueacutes de un

tratamiento teacutermico En el meacutetodo Sol-Gel se puede controlar la composicioacuten quiacutemica estructura

cristalina y morfologiacutea superficial de las peliacuteculas ajustando los paraacutemetros de procesamiento tales

como relacioacuten molar entre los reactivos cantidad y naturaleza de los precursores disolventes

catalizadores aditivos e impurificantes Este proceso sigue la ruta quiacutemica que muestra en la figura

34 este parte de una solucioacuten inicial compuesta por un alcoacutexido metaacutelico por agua y por un

disolvente al que se le agrega un catalizador que puede ser tanto aacutecido como baacutesico Las reacciones

de hidroacutelisis y condensacioacuten se desencadenan a fin de sintetizar una suspensioacuten coloidal de

partiacuteculas soacutelidas o cuacutemulos en un liacutequido llamado Sol A medida que la reaccioacuten continua aumenta

la viscosidad de la solucioacuten hasta la forma del Gel el cual estaacute constituido de dos partes una soacutelida

que corresponde a las partiacuteculas de oacutexido y una liacutequida que es el disolvente inicial del Sol Luego

de esto se inicia un periodo de secado en condiciones normales de presioacuten y temperatura en el cual

se lleva a cabo la eliminacioacuten del disolvente y del agua residual de tal modo que el Gel se encogeraacute

obtenieacutendose un xerogel Al teacutermino del tiempo de secado generalmente se tienen disolventes y

agua para solucionar esto se somete a un tratamiento teacutermico (Ramiacuterez 2015)

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Figura 34 Ruta quiacutemica para el proceso de sol-gel (Fuente Ramiacuterez)

323 Rociado Piroliacutetico

Esta teacutecnica consiste en la pulverizacioacuten de una solucioacuten que contiene los iones metaacutelicos del

oacutexido que se quiere producir sobre un sustrato que se encuentra a una temperatura elevada El

precursor del material a ser fabricado se disuelve en metanol o etanol esta solucioacuten denominada

solucioacuten precursora es transformada en partiacuteculas muy finas mediante un nebulizador formando

una especie de vapor la solucioacuten nebulizada se transporta hacia el sustrato caliente con ayuda de

un gas portador (aire comprimido) de tal manera que llega al sustrato en forma de gota pequentildea

La pirolisis se produce en la superficie caliente del sustrato dando lugar a la peliacutecula delgada como

producto de la descomposicioacuten del compuesto quiacutemico por accioacuten del calor los componentes

reactivos de la solucioacuten precursora se seleccionan de tal modo que los productos de la reaccioacuten

quiacutemica que no intervienen en la formacioacuten de la peliacutecula sean volaacutetiles a la temperatura de trabajo

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Esto requiere del anaacutelisis del precursor quiacutemico tanto de la fase liacutequida como de la fase gaseosa

y una exploracioacuten de las reacciones superficiales que llevan a la formacioacuten de la peliacutecula delgada

En este proceso de fabricacioacuten de peliacuteculas delgadas un factor muy importante es la uniformidad

del tamantildeo de las gotas generadas

Cuando el vapor de la solucioacuten se aproxima al sustrato en condiciones ideales se espera que el

solvente se vaporice totalmente provocando la descomposicioacuten de los componentes no volaacutetiles

(Leoacuten 2014) En la figura 35 se muestra un esquema del equipo detallando cada parte

componente del mismo

Figura 35 Esquema del equipo de rociado piroliacutetico (Fuente Acosta amp Magantildea)

Piroacutelisis La reaccioacuten piroliacutetica la cual determina la cineacutetica del depoacutesito se efectuacutea cuando el

rociacuteo entra en contacto con el sustrato caliente y seguacuten el tamantildeo de las gotas se produciraacute

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diferentes procesos dependientes del comportamiento teacutermico de las gotas A continuacioacuten se

detallan 4 procesos diferentes seguacuten el tamantildeo de la gota

Gotas de tamantildeo muy pequentildeo

La reaccioacuten se completa durante el transporte antes de llegar al sustrato y se produce un polvo

del material sobre el sustrato la facilidad de este proceso es que puede ser faacutecilmente removido

Gotas de tamantildeo ideal

El solvente pasa a la fase gaseosa completamente antes de alcanzar el sustrato las partiacuteculas

precipitadas se fusionan vaporizan y se difunden sobre la superficie del sustrato En este proceso

las partiacuteculas producidas sufren procesos de adsorcioacuten difusioacuten superficial reaccioacuten de

nucleacioacuten por lo tanto determinan el crecimiento del recubrimiento El resto de los productos de

la reaccioacuten se volatilizan y se difunden fuera del sustrato

Gotas de tamantildeo mediano

El solvente de las gotas se vaporiza al llegar al sustrato dejando partiacuteculas precipitadas de los

reactantes los cuales se fusionan en la superficie del sustrato y causan enfriamiento localizado

obtenieacutendose recubrimientos de baja calidad

Gotas de tamantildeo grande

La energiacutea teacutermica absorbida por la gota durante el transporte al sustrato no es suficiente para

que el solvente se pueda evaporar por completo El solvente residual se evaporaraacute en el sustrato

formando estructuras no homogeacuteneas

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Para lograr la selectividad de las gotas que llegaraacuten al sustrato se graduacutea la longitud entre lo

boquilla y el sustrato Considerando que la fuerza gravitacional es proporcional a 1199033 siendo r el

radio de la gota Las gotas de radios mayores al valor criacutetico no pueden ser transportadas por el

gas portador y por lo tanto regresan al nebulizador En las cercaniacuteas del sustrato se forma una

niebla de la solucioacuten con una distribucioacuten uniforme de gotas de tamantildeo pequentildeo requisito

importante para la obtencioacuten de recubrimientos delgados de buena calidad

Las fuerzas que determinan el recorrido de las gotas por la tobera son la gravitacional y la fuerza

de Stokes debido a la friccioacuten entre la gota y las moleacuteculas de aire seguacuten Silva (2013)

119917119956 = 120788120645120636119955(119959119941 + 119959119938) [120783 +120785

120790119929119942] 120784 120783

119917 = 119950119944 120784 120784

En donde 120578 es la viscosidad de la gota 119903 es el radio de la gota 119907119889 es la velocidad de la gota 119907119886

es la velocidad del aire y 119877119890 es el nuacutemero de Reynolds

El nuacutemero de Reynolds para partiacuteculas esfeacutericas en un flujo gaseoso es

119929119942 = 120784119955(119959119941 + 119959119938)

120636120633119938 120784 120785

En donde 120575119886 es la densidad del aire

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Cuando estas dos fuerzas alcanzan el equilibrio (119865 = 119865119904) las gotas viajan con velocidad

constante denominada velocidad liacutemite (119907119889119897) Al resolver la ecuacioacuten cuadraacutetica que nos da el

igualar las ecuaciones 21 y 22 tenemos

119959119941119949 = minus (119939

120784) + (

119939120784

120786minus 119940)

120783120784

120784 120786

En donde

119939 =120786120636

120785119955120633119938minus 120784119959119938 119962 119940 = 119959119938

120784 minus120786120636

120785119955120633119938119959119938 + (120633(119931) +

119924119956119924

120783120782120785)

120790119955

120784120789120633119938

Siendo 120575(119879) la densidad del solvente a temperatura T 119872119904 el peso molar del soluto y M la

molaridad de la solucioacuten (Leoacuten 2014)

33 Cineacutetica de Crecimiento de las Peliacuteculas Delgadas

Los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas en sus etapas iniciales se

pueden ver en la figura 36 una vez que la partiacutecula se ha condensado de la fase gaseosa puede

inmediatamente re-evaporarse o difundirse sobre la superficie este proceso de difusioacuten puede

conducir a la adsorcioacuten especialmente en sitios como orillas y otros defectos (M Peacuterez 2005)

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Figura 36 Esquema de los procesos atoacutemicos que determinan el crecimiento de las peliacuteculas delgadas (Fuente M

Peacuterez)

Las energiacuteas de activacioacuten para la adsorcioacuten y difusioacuten dependen de los detalles atoacutemicos del

proceso en particular y la nucleacioacuten de maacutes de una partiacutecula adsorbida puede ocurrir En equilibrio

termodinaacutemico todos los procesos ocurren o proceden en dos direcciones opuestas a la misma

rapidez Por lo tanto en el equilibrio no hay un crecimiento neto de una partiacutecula y por lo tanto el

crecimiento del cristal debe ser un proceso cineacutetico de no equilibrio Desde un enfoque

fenomenoloacutegico existen tres modos diferentes del crecimiento de peliacuteculas como se observa en la

figura 37 (M Peacuterez 2005)

Figura 37 Modos de crecimiento de las peliacuteculas delgadas (a) capa por capa (b) capa maacutes isla y (c) por islas

(Fuente M Peacuterez)

El crecimiento de peliacuteculas delgadas es descrito por minimizacioacuten de la energiacutea libre superficial

de la capa superior (120574119904119906119901) del sustrato (120574119904) y de la energiacutea libre de la interfase (120574119894119899119905) el cual

estaacute descrito por Δ120574 = 120574119904 minus 120574119904119906119901 minus 120574119894119899119905 (Leoacuten 2014 Aacutelvaro 2014)

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331 Modo de crecimiento capa por capa (120491120632 gt 120782)

Donde la interaccioacuten entre el sustrato y los aacutetomos de las capas es maacutes fuerte que entre los

mismos aacutetomos de las capas (Leoacuten 2014)

332 Modo de crecimiento capa maacutes islas

Corresponde a un caso intermedio despueacutes de la formacioacuten de una o de muchas mono-capas

completas ocurre la formacioacuten de islas El crecimiento de islas 3D crece sobre la primera o la

uacuteltima mono capa (Leoacuten 2014 Ramiacuterez 2015)

333 Modo de crecimiento por islas (120491120632 lt 120782)

Es el caso en el que la interaccioacuten entre los aacutetomos que conforman las peliacuteculas es maacutes fuerte

(Leoacuten 2014)

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CAPIacuteTULO 4 MATERIALES Y MEacuteTODO

Realizar la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas sobre el sustrato requiere una cuidadosa

optimizacioacuten La siacutentesis de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se realizoacute por el meacutetodo de rociado

piroliacutetico con paraacutemetros optimizados como son la molaridad del precursor la temperatura del

sustrato la presioacuten de aire del compresor el flujo de aire y la distancia de la boquilla al sustrato

El objetivo de este trabajo de tesis fue analizar el efecto de la temperatura de recocido en un

rango de 400 minus 500 sobre las propiedades oacutepticas estructurales y morfoloacutegicas de la

peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

En este capiacutetulo se detalla el procedimiento que se utilizoacute para la siacutentesis de las peliacuteculas

delgadas La limpieza del sustrato tambieacuten es una parte importante en la fabricacioacuten de las peliacuteculas

delgadas ya que es en donde se realizaraacute el depoacutesito y por lo tanto debe encontrarse libre de

impurezas y grasa

41 Materiales Equipos e Instrumentos

Como sustrato en donde se depositoacute la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se usoacute un vidrio

(Figura 41) con un aacuterea de 762 times 254 1198981198982

Para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol se utilizaron como precursores el Acetato de Zinc

Dihidratado [119885119899(1198621198673119862119874119874)2 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995) el Cloruro de Cobre

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dihidratado [1198621199061198621198972 lowast 21198672119874] del laboratorio Merck (9995 ) y como solvente etanol absoluto

[C2H5OH] del laboratorio Merck (998)

Para la limpieza de los sustratos se utilizoacute un agitador ultrasoacutenico (figura 42) y un horno

eleacutectrico marca Oster (119879119898aacute119909 = 400 )

Para lograr la uniformidad al momento de mezclar los materiales precursores se utilizoacute un

agitador magneacutetico (Hot Plate Stirring VWR)

Figura 41 Sustratos de vidrio marca Pearl (Fuente Elaboracioacuten Propia)

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Figura 42 Agitador ultrasoacutenico usado en la limpieza de sustratos (Fuente Elaboracioacuten propia)

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42 Meacutetodo

421 Preparacioacuten y limpieza de sustratos

Para una buena deposicioacuten de la peliacutecula el sustrato a utilizar debe estar libre de impurezas

asegurando una oacuteptima adherencia

El proceso de limpieza de los sustratos empezoacute por la colocacioacuten de eacutestos en un depoacutesito que

conteniacutea agua potable y detergente marca Ariel por un tiempo de 5 minutos (Figura 43) luego se

trasladoacute a otro depoacutesito que conteniacutea aacutecido niacutetrico [1198671198731198743] al 65 durante 15 minutos en seguida

se procedioacute a enjuagarlos con agua ultrapura despueacutes se colocoacute en recipiente que conteniacutea agua

ultrapura y fueron puestos en el agitador ultrasoacutenico por 15 minutos (Figura 44) Pasado este

tiempo se retiraron los sustratos y se colocaron dentro del horno marca Oster por 10 min a 205

(Figura 45)

Figura 43 Sustratos en detergente (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 44 Sustratos sumergidos en agua ultrapura dentro del agitador ultrasoacutenico (Fuente Elaboracioacuten propia)

Figura 45 Proceso de secado de los sustratos en horno (Fuente Elaboracioacuten propia)

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422 Siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

Preparacioacuten de la solucioacuten precursora

Para la preparacioacuten de la solucioacuten se calculoacute la cantidad en gramos que debemos tener del

precursor en nuestro caso el acetato de zinc di-hidratado Para ello se utilizoacute la siguiente foacutermula

119950(119944) = 119924 times 119917119934 times 119933119952119949(119930119952119949 ) times 119927119958119955119942119963119938 120786 120783

Doacutende

m (g) Masa en gramos del precursor

M Molaridad (molLitro)

FW masa molar (gmol)

Vol (Sol) Volumen de la solucioacuten (Litros)

Pureza Porcentaje de pureza del precursor

La masa molar del acetato de zinc di-hidratado es de 21949 gmol el volumen de etanol que

se preparoacute fue 0020 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120784120783120791 120786120791

119944

119950119952119949) (120782 120782120784120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120786120785120790120789120788

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33

La masa del precursor fue medida con una balanza analiacutetica marca Mettler Toledo (plusmn01 119898119892)

ver figura 46

Figura 46 Medicioacuten de la masa del acetato de zinc dihidratado en la balanza analiacutetica (Fuente Elaboracioacuten propia)

En un recipiente se mezclaron la masa medida del acetato de zinc di-hidratado y los 20 ml de

etanol que llamaremos mezcla 1

Para lograr uniformidad en la solucioacuten esta fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a una

temperatura de 60 durante 2 h (Figura 47) resultando transparente y homogeacutenea

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Figura 47 Agitacioacuten de la mezcla 1 en el stirrer para lograr uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

La masa molar del cloruro de cobre di-hidratado es de 17048 gmol el volumen que se preparoacute

fue 0010 L la pureza del precursor fue 9995 y la molaridad de 01 M

reemplazando estos datos en la ecuacioacuten 41 tenemos

119950(119944) = (120782 120783119950119952119949

119923) (120783120789120782 120786120790

119944

119950119952119949) (120782 120782120783120782 119923) (

120791120791 120791120787

120783120782120782)

119950(119944) = 120782 120783120789120782120785120791

La masa de los precursores fue medida nuevamente con la balanza analiacutetica marca Mettler

Toledo (plusmn01 119898119892)

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En otro recipiente se combinaron la masa medida del cloruro de cobre dihidratado y los 10 ml

de etanol que llamaremos mezcla 2 luego fue colocado en el agitador magneacutetico a temperatura

ambiente durante 15 min

Despueacutes de haber agitado magneacuteticamente cada precursor en otro recipiente se colocoacute 194 ml

de la mezcla 1 y se le agregoacute 06 ml de la mezcla 2 de tal forma que se pueda tenerse una

proporcioacuten 119881119900119897119862119906

119881119900119897119885119899= 3 A esta nueva solucioacuten llamaremos mezcla 3

Para lograr uniformidad la nueva solucioacuten fue agitada magneacuteticamente en el stirrer a

temperatura ambiente durante 15 min (Figura 48) para lograr su homogeneidad

Figura 48 Mezcla 3 en el stirrer para lograr su uniformidad (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Proceso de siacutentesis

Para la obtencioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol se utilizoacute el equipo de rociado

piroliacutetico que se encuentra en la seccioacuten de Nanociencia y Nanomateriales del Laboratorio de

Fiacutesica de Materiales ldquoDr Lennart Haselgrenrdquo de la Universidad Nacional de Trujillo ver figura

49

Figura 49 Equipo experimental de rociado piroliacutetico utilizado para la siacutentesis de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3

vol (Fuente Elaboracioacuten propia)

Este equipo de rociado piroliacutetico utilizado en la siacutentesis de las peliacuteculas delgadas consiste de

los siguientes componentes Compresor de aire (1) Controlador de presioacuten en el rango de 0 ndash 80

psi (2) Controlador de flujo de aire en el rango de 1 ndash 15 Lmin (3) Caacutemara de vidrio (4)

Termoacutemetro (5) Nebulizador (6) Boquilla o Tobera (7) Platea caliente (8) Soporte universal (9)

Dispositivo moacutevil con una rapidez de 2311990910minus3 119888119898 119904frasl (10) Fuente de alimentacioacuten DC de 0 ndash 12

V (11) Fuente de alimentacioacuten AC de 0- 40 V (12) y Termocupla y controlador de temperatura en

el rango de 0 minus 500 (13)

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Sobre el nebulizador se colocoacute una tobera de vidrio piacuterex por la que ascienden las gotas maacutes

pequentildeas hasta llegar al sustrato caliente sobre el cual se produjo el proceso de piroacutelisis El

conjunto nebulizador y tobera estaacute acoplado a un dispositivo moacutevil el cual se va desplazando en

la direccioacuten del sustrato con el fin de obtener un recubrimiento uniforme

Las siacutentesis de la peliacutecula se hizo a la temperatura de 300 plusmn 10 La presioacuten del compresor

y el flujo de aire se mantuvieron a 30 119901119904119894(~207 119896119875119886) 119910 5 119871119898119894119899 respectivamente La distancia

boquilla sustrato se mantuvo a 30 cm con el fin de que el flujo nebulizado dirigido hacia la

superficie del sustrato se mantenga laminar El desplazamiento de la tobera-boquilla a lo largo del

sustrato se hizo con una rapidez aproximada de 04 mms con intervalos de 40 plusmn 05 119898119894119899 entre

cada ida y vuelta tiempo necesario para mantener la temperatura estable y mejor cristalizacioacuten del

soacutelido El nuacutemero de capas que consideramos oacuteptimas en este trabajo fue de 6 seguacuten E Noriega

(2015)

Al teacutermino del proceso el sistema compuesto peliacuteculasustrato se dejoacute enfriar lentamente dentro

de la caacutemara hasta la temperatura ambiente por 15 horas con el fin de lograr una buena

cristalizacioacuten

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43 Tratamiento de Recocido de las Peliacuteculas Delgadas de ZnOCu 3 vol

Para el tratamiento teacutermico se dividioacute el sustrato que conteniacutea la peliacutecula en 4 partes usando

una como muestra testigo (300 ) y las tres restantes sometieacutendolas por dos horas de

mantenimiento a las temperaturas de recocido de 400 450 119910 500 El horno donde se hizo el

recocido fue un Horno eleacutectrico Marca Brasimet ver figura 410 con una incertidumbre de plusmn5

Figura 410 Horno eleacutectrico utilizado para el tratamiento de recocido a las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la figura 411 se puede ver un diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas

delgadas de ZnO Cu 3 vol

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Figura 411 Diagrama de flujo del proceso de obtencioacuten de las peliacuteculas delgadas (Fuente Elaboracioacuten propia)

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40

44 Teacutecnicas de Caracterizacioacuten

Para caracterizar las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol se emplearon las teacutecnicas de

difraccioacuten de rayos X (DRX) para determinar el tamantildeo del cristalito y la estructura la

espectrofotometriacutea ultravioleta visible (UV-Vis) para determinar la transmitancia absorbancia y

energiacutea del gap y por el uacuteltimo se utilizoacute el Microscopio de Fuerza Atoacutemica (AFM) para

determinar la morfologiacutea y rugosidad A continuacioacuten se describiraacuten brevemente estas teacutecnicas

441 Difraccioacuten de rayos x (DRX)

La difraccioacuten de rayos X es una teacutecnica de caracterizacioacuten que sirve para analizar espectros

relacionados con la estructura de los materiales que son la constante de red estructura cristalina

identificacioacuten de materiales orientacioacuten de monocristales y orientaciones preferenciales de

policristales Los rayos X se caracterizan porque su longitud de onda variacutea de 01 minus 100 Å (Rayos

X fluorescencia online) En la figura 412 se puede ver un esquema de difraccioacuten de rayos X

basado en la ley de Bragg

Figura 412 Esquema del proceso de difraccioacuten de rayos x (Fuente Rojas)

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41

Cuando un haz de rayos X de una longitud de onda especiacutefica del mismo orden de magnitud de

las distancias interatoacutemicas del material llega a este los rayos X se dispersan en todas las

direcciones La mayor parte de la radiacioacuten dispersada por un aacutetomo anula la radiacioacuten dispersada

en otros aacutetomos Los rayos X que llegan a ciertos planos cristalograacuteficos formando aacutengulos

especiacuteficos con ellos se refuerzan en lugar de aniquilarse a este fenoacutemeno se llama difraccioacuten

Los rayos X se difractan o el haz se refuerza cuando las condiciones satisfacen la Ley de Bragg

119852119842119847 120637 =119951120640

120784119941119945119948119949 120786 120783

Donde 120579 es la mitad del aacutengulo que forman el haz difractado y el haz original n es el orden de

difraccioacuten 120582 es la longitud de onda de los rayos X 119889ℎ119896119897 es la distancia interplanar que produce

refuerzo del haz ℎ119896119897 son los iacutendices de Miller (Askeland 1998) La difraccioacuten ocurre siempre y

cuando se satisfaga la ley de Bragg por lo que no necesariamente cualquier direccioacuten arbitraria

produciraacute difraccioacuten

La informacioacuten obtenida se presenta en un graacutefico de intensidad en funcioacuten de 2120579 llamado

patroacuten de difraccioacuten Cada sustancia produce siempre un patroacuten de difraccioacuten caracteriacutestico

independientemente de que si se encuentra en un estado puro o formando parte de una mezcla de

sustancias (Askeland 1998)

Los patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

fueron obtenidos con el difractoacutemetro RIGAKU Miniflex-600 que opera en la geometriacutea Bragg-

Brentano donde la radiacioacuten 119862119906 119896120572 (120582 = 15406 Aring) fue utilizada como fuente de rayos X El

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equipo operoacute a 30 KV de voltaje y 10 mA de corriente el barrido se realizoacute en un aacutengulo de 2120579

con rango desde 20deg a 70deg con velocidad de escaneo de 5 deg119898119894119899

La identificacioacuten de los picos de difraccioacuten se comparoacute con la base de datos Card info 00-900-

8877 de la Crystallography Open Database mostrado en el anexo A

La distancia interplanar se calculoacute con la ley de Bragg para el primer orden (n=1) de difraccioacuten

de acuerdo a la ecuacioacuten 41 tendriacuteamos

119837 =120640

120784 119852119842119847 120637 120786 120784

En donde 120579 es el aacutengulo de incidencia y 120582 = 15405981 Aring

Paraacutemetros de red

Para identificar la constante de red c de la estructura de la peliacutecula de ZnOCu 3 vol se tomoacute

en cuenta la estructura hexagonal wurtzita cuya distancia interplanar estaacute relacionada con los

iacutendices de Miller de los planos (hkl) y las constantes de red a y c a traveacutes de la ecuacioacuten 43

(Askeland 1998) y con el tamantildeo de cristalito (119863)

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784 120786 120785

A partir de la ecuacioacuten 43 es posible determinar los paraacutemetros de la red cristalina Cuando se

incide sobre un cristal muy pequentildeo del orden de nanoacutemetros se produce un ensanchamiento del

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pico de difraccioacuten esto permite determinar el tamantildeo promedio del cristal (119863) por medio de la

ecuacioacuten de Scherrer (Gurumurugan amp Mangalaraj 1995)

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637 120786 120786

Donde D es el tamantildeo del cristalito K es el factor de forma (K=09 para esferas) 120582 es la longitud

de onda de los rayos X (120582 = 15405981 Aring ) 120573 es el ancho completo de la mitad del maacuteximo y se

encuentra en radianes por lo tanto hay que convertir los valores de (FWHM) que se encuentran en

grados multiplicaacutendolos por 120587 180degfrasl y 120579 es el aacutengulo de Bragg

442 Espectrofotometriacutea ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectrometriacutea UV-Vis se basa en la absorcioacuten de radiacioacuten UV o visible por parte de las

moleacuteculas y se emplea para analizar muestras en fase liacutequida o soacutelida La espectrometriacutea de

absorcioacuten implica la medida de la fraccioacuten de la luz de una longitud de onda que pasa a traveacutes de

una muestra la figura 413 muestra la geometriacutea del equipo la muestra no emite luz por siacute misma

por lo que se debe incluir una fuente de radiacioacuten El paso de la luz a traveacutes de un monocromador

o un filtro selecciona la longitud de onda para el anaacutelisis (Hernaacutendez 2014)

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Figura 413 Geometriacutea del equipo de uv-vis (Fuente Hernaacutendez)

Durante el anaacutelisis de la muestra se hacen dos mediciones en la primera se mide la cantidad de

luz en funcioacuten de la longitud de onda que llega al transductor cuando se ha colocado un blanco

(vidrio) Se denomina 1198680 del blanco cuando la concentracioacuten del material analizado es cero

La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras (vidrio + peliacutecula) con la

medida del blanco (vidrio) Llamamos 119868 a la intensidad que se mide con las muestras o con el

estaacutendar La comparacioacuten que se hace implica la relacioacuten 1198681198680 con ambas intensidades medidas

en las mismas condiciones del instrumento (longitud de onda geometriacutea) Se utilizan tres teacuterminos

diferentes para expresar esta relacioacuten

El primero es simplemente la relacioacuten 1198681198680 y se denomina Transmitancia que es denotada por

la letra T

119931 =119920

119920120782 120786 120785

El segundo es el porcentaje de transmitancia

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119931 = 119931 lowast 120783120782120782 120786 120786

El tercero es el logaritmo negativo de T que se denomina Absorbancia y se denota con la letra

A

119912 = minus 119845119848119840119920

119920120782= minus 119845119848119840 119931 120786 120787

Para la determinacioacuten del ancho de banda de energiacutea prohibida la energiacutea del gap (119864119892) es

determinada del espectro experimental del coeficiente de absorcioacuten (120572) como una funcioacuten de la

energiacutea del fotoacuten (ℎ120592)

En los materiales de gap directo como el ZnO se utiliza la siguiente ecuacioacuten

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ

es la constante de Planck 120584 es la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

En una graacutefica (120572ℎ120584)2 119907119904 ℎ120584 el ajuste a una recta de la parte proacutexima a 120572 = 0 el intercepto

para la ordenada nula es el valor de la energiacutea prohibida Esta recta tiene una expresioacuten de la forma

119910 = 119898119909 + 119887 lo que se tiene que buscar es el valor de 119909 para 119910 = 0 esto es 119909 = minus119887119898

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La conversioacuten de la energiacutea del fotoacuten en funcioacuten de la longitud de onda se realiza mediante la

constante de Planck(ℎ) y la de la velocidad de la luz (119888) La frecuencia del fotoacuten se relaciona con

la longitud de onda a traveacutes de la siguiente ecuacioacuten

119940 = 120642120640 120786 120789

Entonces la energiacutea del fotoacuten se puede escribir en funcioacuten de la longitud de onda como

119916 =119945119940

120640 120786 120790

Por lo tanto la energiacutea del fotoacuten puede calcularse como 12398

120582(119899119898) Aplicando al caso del ZnO se

adquieren los valores de la longitud de onda y la transmitancia del vidrio y la medida se divide la

transmitancia medida entre la del vidrio para obtener la transmitancia de la peliacutecula Se transforma

la transmitancia en coeficiente de absorcioacuten y la longitud de onda en energiacutea (H Bubert amp Jenett

2002)

Los anaacutelisis de absorbancia y transmitancia para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con

tratamiento de recocido se realizaron con el espectroacutemetro UV-Vis marca Analytik Jena Modelo

Specord Plus 250 y con un barrido de longitud de onda de 300 nm a 800 nm

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443 Microscopiacutea de fuerza atoacutemica (AFM)

Este meacutetodo inventado en 1985 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer pertenece al grupo de

teacutecnicas de microscopiacutea de fuerza de barrido un grupo de teacutecnicas que estaacuten basadas en la

medicioacuten de diferentes fuerzas como son la fuerza atractiva la gravitatoria la repulsiva la

magneacutetica la de Van Der Walls y la electrostaacutetica esta medicioacuten es hecha entre la punta fina y la

superficie de la muestra

La formacioacuten de la imagen se lleva a cabo mediante la medicioacuten de la fuerza de interaccioacuten a

traveacutes de la deflexioacuten de un cantileacutever Aunque diversos tipos de fuerzas se encuentran cuando una

punta se aproxima a la superficie de la muestra la generacioacuten de la sentildeal en el AFM se basa

esencialmente en fuerzas repulsivas interatoacutemicas que son de naturaleza de corto alcance

En el caso ideal se puede asumir ver figura 414 lo que significa que el contacto directo de la

punta con la superficie se la muestra se limita a un aacuterea muy pequentildea Como resultado de esto

siempre hay una fuerza repulsiva interatoacutemica en esta pequentildea aacuterea de contacto debido a la

penetracioacuten de las capas electroacutenicas de los aacutetomos de la punta y los de la superficie de la muestra

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Figura 414 Fuerzas de repulsioacuten y atraccioacuten entre la punta del detector y los aacutetomos del sustrato (Fuente Rojas)

La fuerza repulsiva interatoacutemica estaacute influenciada por la densidad total de electrones alrededor

de un aacutetomo y no soacutelo por los estados particulares de la energiacutea La interaccioacuten entre la punta y la

muestra puede ser descrita por una graacutefica fuerza vs distancia esta graacutefica mostrada en la figura

415 permite ver los cambios de fuerza cuando la punta se acerca a la muestra si hay una gran

separacioacuten no hay interaccioacuten por lo tanto la fuerza seriacutea cero (en la liacutenea entre 1 y 2 no habriacutea

fuerzas electrostaacuteticas) En la posicioacuten 2 la punta pasa a estar en contacto debido a la fuerza

atractiva de Van Der Walls como la punta se mueve hacia la muestra entonces la fuerza total que

actuacutea sobre el cantileacutever es repulsiva Cuando la punta es arrastrada sobre la muestra las fuerzas

se reducen a lo largo de la liacutenea pasando de la posicioacuten 3 a la posicioacuten 4

Por debajo de la liacutenea de fuerza del diagrama dicha fuerza que actuacutea sobre el cantileacutever se

vuelve atractiva debido a la adhesioacuten En el punto 4 la fuerza es de adhesioacuten y la carga del

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cantileacutever apenas estaacute equilibrada la punta es tirada hacia afuera de la superficie debido a las

fuerzas de repulsioacuten

Figura 415 Relacioacuten entre la fuerza y la distancia que representa la interaccioacuten de la punta con la superficie del

sustrato (Fuente Rojas)

Modos de trabajo de un microscopio de fuerza atoacutemica

El AFM puede funcionar en distintos arreglos o modos experimentales estos modos se dividen

baacutesicamente en dos grupos modos de contacto continuo y modos dinaacutemicos Los modos de

contacto continuo fueron los primeros utilizados en los antildeos tempranos del AFM y su uso apenas

insinuaba la resolucioacuten nanomeacutetrica de la que el instrumento era capaz El meacutetodo dinaacutemico de

maacutes uso es el meacutetodo de contacto intermitente o tapping mode (Loacutepez y Solares 2014)

Modo contacto

El modo contacto es el disentildeo experimental maacutes simple en este modo la punta de la sonda se

encuentra en contacto perpetuo con la muestra por lo que tambieacuten es llamado modo estaacutetico La

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figura 416 muestra el funcionamiento del AFM en modo contacto Durante la toma de imaacutegenes

en modo contacto la variable control es la deflexioacuten de la micropalanca (anaacutelogo a la compresioacuten

o estiramiento de un resorte) La variable control es mantenida constante por medio de un circuito

de retroalimentacioacuten (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 416 Componentes de un microscopio de fuerza atoacutemica (Fuente Loacutepez y Solares)

El escaacutener sobre el que descansa la muestra se encarga de moverla con respecto a la

micropalanca en direccioacuten ldquoxyrdquo para realizar distintas liacuteneas de escaneo La micropalanca al

interactuar con la muestra sufre una deflexioacuten proporcional a la fuerza de interaccioacuten con la

superficie obedeciendo a la ley de Hooke (ecuacioacuten 49) En este circuito la sentildeal de deflexioacuten es

leiacuteda en el fotodetector y transmitida a la caja electroacutenica donde se compara el valor actual con el

punto de ajuste (setpoint) De acuerdo a esa diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal de salida

al escaacutener para ajustar la posicioacuten en el eje ldquozrdquo de la muestra si fuera necesario para mantener la

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variable control constante Como consecuencia de las exploraciones en ejes ldquoxyrdquo asiacute como los

cambios en ldquozrdquo se genera una imagen topograacutefica de la superficie de la muestra estudiada (Loacutepez

y Solares 2014)

= 119948119963∆119937 120786 120791

Donde

Fuerza arbitraria de magnitud F

∆119937 Compresioacuten del resorte

119948119963 Constante elaacutestica

Modo contacto intermitente

Eacuteste meacutetodo es comuacutenmente conocido como ldquotapping moderdquo en ingleacutes es el meacutetodo maacutes baacutesico

de los meacutetodos dinaacutemicos ademaacutes es el meacutetodo maacutes frecuente utilizado en AFM En este meacutetodo

la micropalanca se hace vibrar con amplitudes en el rango nanomeacutetrico (aproximadamente entre 5

y 200 nm) razoacuten por la que se le conoce como una teacutecnica de amplitudes ldquograndesrdquo El teacutermino

ldquograndesrdquo es relativo cuando se compra a otras teacutecnicas dinaacutemicas en la que la micropalanca puede

vibrar en el rango de los angstroms como en el caso de modulacioacuten de frecuencia en alto vaciacuteo

(Gross et al 2009)

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El AFM de contacto intermitente funciona con un circuito que controla la amplitud y se encarga

de mantenerla a un valor preestablecido (setpoint) En el circuito de modulacioacuten de amplitud ver

figura 417 la amplitud es calculada internamente con los valores de pendiente de la micropalanca

que lee el fotodetector Luego esa amplitud se compara con el valor preestablecido de amplitud y

si existe una diferencia la caja electroacutenica enviacutea una sentildeal al escaacutener este se encarga de hacer la

correccioacuten en el eje ldquozrdquo para poder alcanzar el valor preestablecido y de esta forma mantener la

variable control (amplitud) constante Al igual que el meacutetodo de contacto las exploraciones en

ejes ldquoxyrdquo asiacute como los cambios en el eje ldquozrdquo generan una imagen topograacutefica de la superficie

estudiada (Loacutepez y Solares 2014)

Figura 417 Arreglo experimental del afm en modo contacto intermitente (Fuente Loacutepez y Solares)

Los cambios topograacuteficos generan cambios en la amplitud de oscilacioacuten Por ejemplo si la

micropalanca se encuentra con una protuberancia la amplitud de la punta se veraacute reducida

temporalmente luego para compensar por esa peacuterdida de amplitud el escaacutener recibiraacute a traveacutes del

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circuito la sentildeal para mover la muestra hacia abajo con el objetivo de mantener la amplitud

preestablecida (setpoint) Es importante mencionar que en este modo se escoge una amplitud en el

experimento correspondiente a una fraccioacuten de la amplitud libre ver figura 417) Tanto la

amplitud libre de la punta como la fraccioacuten de la amplitud libre se escogen durante el experimento

la eleccioacuten de estos paraacutemetros antildeade complejidad si lo comparamos con el modo contacto donde

el usuario uacutenicamente se preocupa de una variable que es la deflexioacuten de la micropalanca (Loacutepez

y Solares 2014) Es por ello que en general el aumento del grado de sofisticacioacuten del meacutetodo en

AFM permite la recopilacioacuten de mayor informacioacuten pero al mismo tiempo requiere de mayor

juicio conocimiento y experiencia del usuario

Existen ecuaciones que sirven para determinar los distintos paraacutemetros de rugosidad de las

muestras a analizar de las cuales soacutelo se usaron dos en este trabajo de tesis que son

Desviacioacuten Promedio

119929119938 =120783

119951 sum|119962119946|

119951

120783

120786 120783120782

Desviacioacuten Estaacutendar

119929119954 = radic120783

119951 sum 119962119946

120784

119951

120783

120786 120783120783

Donde

119962119946 Distancia vertical desde la liacutenea principal hasta el i-eacutesimo punto de dato

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119951 Orden de los perfiles de rugosidad

119929119938 Desviacioacuten Promedio (Rugosidad Media)

119929119954 Desviacioacuten Estaacutendar (Rugosidad Cuadraacutetica Media)

Los anaacutelisis de rugosidad de las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

se realizaron con el equipo de Microscopiacutea de fuerza atoacutemica marca Bruker y modelo Dimension

Edge V-T 102

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CAPIacuteTULO 5 RESULTADOS Y DISCUSIOacuteN

51 Difraccioacuten de Rayos X

511 Estructura paraacutemetro de red y tamantildeo de grano

En la figura 51 se observan los picos de difraccioacuten de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 vol

sintetizada a 300 y de las recocidas a las temperaturas de 400 450 119910 500 respectivamente

Los picos de difraccioacuten teoacutericos se encuentran en el anexo A Todas las muestras presentan

naturaleza policristalina y estructura hexagonal wurtzita con una clara orientacioacuten preferencial en

el plano (002) no se presentaron picos caracteriacutesticos del cobre debido al bajo porcentaje de

dopaje La intensidad del pico del plano (002) en las peliacuteculas sometidas a temperaturas de

recocido son mayores en comparacioacuten a la de la peliacutecula sin recocido presentando el mayor pico

a 450 mientras que el plano (100) aparece uacutenicamente en la peliacutecula recocida a 400 S

observoacute una disminucioacuten del tamantildeo del cristalito con la primera temperatura de recocido de alliacute

en adelante fue aumentando en cambio el paraacutemetro de red c fue disminuyendo con la temperatura

de recocido Todo esto puede ser quizaacutes a la sustitucioacuten de iones de cobre en los sitios del zinc

ingreso de iones de cobre a los intersticios (ya que el radio ioacutenico del zinc es casi del mismo tamantildeo

que el del cobre) o vacancias de iones de zinc u oxiacutegeno produciendo una deformacioacuten en la red

seguacuten Filali Torchynska Diacuteaz amp Morales (2015) Si iones Cu1 sustituyen a iones Zn2 en la

estructura cristalina existe un incremento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como

se observa en las peliacuteculas recocidas a 450 119910 500 pero si es el ion Cu2 el que sustituye a iones

Zn2 se observa un decrecimiento del paraacutemetro de red c y la distancia interplanar como sucede en

las peliacuteculas de 300 400 119910 450

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Figura 51 Patrones de difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 sin y con recocido (Fuente Elaboracioacuten

propia)

En la tabla 1 se muestran los valores calculados para el aacutengulo de Bragg del plano (002) la

distancia interplanar el paraacutemetro c el ancho completo de la mitad del maacuteximo y el tamantildeo del

cristalito

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Tabla 1

Tabla de valores para las propiedades estructurales

Datos obtenidos mediante DRX y caacutelculos (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra

120784120637(deg)

119941119945119948119949(Aring)

119836 (Aring)

FWHM 119811 (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3441 2604 5208 03221 2582

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 3448 2599 5198 04430 1878

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 3463 2588 5176 03161 2633

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 3458 2592 5184 02847 2923

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En la figura 52 se observa la relacioacuten entre el tamantildeo del cristalito y la temperatura de recocido

el recocido a 400 no fue suficiente para lograr aumentar el tamantildeo del cristalito es por eso que

disminuye considerablemente a partir de alliacute aumenta a medida que lo hace la temperatura

Figura 52 Relacioacuten del tamantildeo del cristalito en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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52 Microscopiacutea de Fuerza Atoacutemica

521 Morfologiacutea y rugosidad

La figura 53 a-d muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas tomadas en AFM en dos

dimensiones barridas en un aacuterea de 5120583119898 119909 5120583119898 La superficie de las peliacuteculas no son homogeacuteneas

son rugosas con tamantildeo de grano variable Para a) se observa que el crecimiento del grano se dio

en forma de montantildeas en b) el crecimiento del grano cambioacute draacutesticamente y se dio en forma de

espiral esto puede ser debido al reordenamiento de los aacutetomos que se dio al someter la peliacutecula a

la temperatura de recocido para c) mejoroacute la cristalinidad y la forma de crecimiento fue

nuevamente como montantildea esto concuerda con el aumento del valor del tamantildeo del cristalito y

para d) la cristalinidad volvioacute a mejorar en concordancia con el tamantildeo del cristalito que aumento

un poco maacutes Esto es debido a que el incremento del tamantildeo del cristalito causa un aumento en la

rugosidad seguacuten Saidani et al (2006)

Para cada peliacutecula se hicieron tres mediciones en diferentes zonas para determinar los

paraacutemetros de rugosidad siendo sus valores promedio Rugosidad Promedio (119877119886) 000611 120583119898 y

la Rugosidad Cuadraacutetica Media (119877119902) 0007843 120583119898 que son mostrados en la tabla 2

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Figura 53 Micrografiacutea 2D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 ordmC c) rec a 450 ordmC

y d) rec a 500 ordmC (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la figura 54 a b c y d se muestra la topografiacutea de las peliacuteculas crecidas ahora en tres

dimensiones en estas imaacutegenes se observa mucho mejor el cambio de la cristalinidad y la

morfologiacutea para cada peliacutecula la rugosidad (Ra) aumenta en funcioacuten de la temperatura de recocido

Figura 54 Micrografiacutea 3D de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol a) sin rec b) rec a 400 c) rec a 450 y

d) rec a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

En la tabla 2 se han registrado los valores de la rugosidad media (Ra) y la rugosidad cuadraacutetica

media (Rq) para las muestras de ZnOCu 3 vol sin y con tratamiento de recocido

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Tabla 2

Tabla de valores de las rugosidades

Datos obtenidos mediante el software del equipo de afm (Fuente Elaboracioacuten propia)

Muestra 119929119954 (120641119950) 119929119938 (120641119950)

ZnOCu 3 vol sin recocido 0007843 0006110

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 0006960 0005336

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 0011033 0008840

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 0011933 00095733

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En la figura 55 se observa la rugosidad media (Ra) en funcioacuten de la temperatura de recocido

con lo cual se puede confirmar que a medida que aumenta la temperatura de recocido aumenta la

rugosidad de la peliacutecula a partir de 400

Figura 55 Relacioacuten de la rugosidad media en funcioacuten de la temperatura (Fuente Elaboracioacuten propia)

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53 Espectrometriacutea UV-Vis

531 Transmitancia

En la figura 56 se observan los espectros de transmitancia oacuteptica de las peliacuteculas delgadas de

ZnOCu 3 vol sintetizadas por el meacutetodo de rociado piroliacutetico a 300 ordmC y las sometidas a

temperaturas de recocido de 400 ordmC 450 ordmC y 500 ordmC obtenidas por espectrofotometriacutea UV-Vis

en el rango de longitudes de onda de 300 a 750 nm

Las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin recocido y con recocido presentan alta

transmitancia (gt80) esto se debe al dopaje con cobre seguacuten Bunyod Allabergenov et al (1946)

La muestra recocida a 500 ordmC presenta la mayor transmitancia (gt80) en el rango de 500 a 600

nm

Figura 56 Espectros de transmitancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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532 Absorbancia y energiacutea del gap

En la figura 57 se puede ver el espectro de absorbancia para las peliacuteculas de ZnOCu 3 vol

sin y con recocido

El pico de absorbancia para todas las peliacuteculas se tiene aproximadamente en 375 nm luego

decae hasta hacerse casi nula para todas las peliacuteculas esto se debe al dopaje con cobre seguacuten

Bunyod Allabergenov (1946)

Figura 57 Espectros de absorbancia de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol sin y con recocido (Fuente

Elaboracioacuten propia)

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Se utilizoacute el modelo de Tauc para calcular la energiacutea del gap en cada peliacutecula El dopaje con

cobre disminuyoacute la energiacutea del gap a 3256 eV comparaacutendola con el valor teoacuterico (337 eV)

mientras que al someter las peliacuteculas a temperaturas de recocido se observa que el valor de la

energiacutea del gap cambia ligeramente siendo 3256 3263 y 3257 eV para las peliacuteculas recocidas a

400 450 119910 500 respectivamente a diferencia de lo reportado por Mathew (2015) esto se deba

quizaacutes a que la cantidad de cobre no fue la suficiente para lograr la disminucioacuten de la energiacutea del

gap

Figura 58 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula sin recocido y derecha para la peliacutecula recocida a

400 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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Figura 59 Graacutefica de (αhν)^2 vs (hν) Izquierda para la peliacutecula recocida a 450 y derecha para la peliacutecula

recocida a 500 (Fuente Elaboracioacuten propia)

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En la tabla 3 se han registrado los valores de la energiacutea del gap para las muestras sin y con

recocido de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol

Tabla 3

Tabla de valores de la Energiacutea del Gap

Datos obtenidos usando la relacioacuten de Tauc (Fuente Elaboracioacuten Propia)

Muestra Energiacutea del Gap (eV)

ZnOCu 3 vol sin recocido 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 400 deg119914 3256

ZnOCu 3 vol recocido a 450 deg119914 3263

ZnOCu 3 vol recocido a 500 deg119914 3257

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CAPIacuteTULO 6 CONCLUSIONES

bull Utilizando la teacutecnica de rociado piroliacutetico se obtuvo la peliacutecula delgada de ZnOCu

3 vol siendo la temperatura de siacutentesis de 300ordmC sobre un sustrato de vidrio marca

Pearl

bull Los patrones de difraccioacuten de rayos X nos ayudaron a determinar los picos de

difraccioacuten de las peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol obtenieacutendose como resultado

un crecimiento preferencial en la direccioacuten del plano (002) siendo la muestra recocida

a 450 ordmC la que presentoacute el pico maacutes elevado Esto es caracteriacutestico de la estructura

hexagonal wurtzita

bull El tamantildeo del cristalito aumenta a medida con la temperatura de recocido a partir de

400 ordmC

bull El paraacutemetro c disminuye a medida que aumenta la temperatura de recocido

bull Las imaacutegenes obtenidas por AFM muestran que la rugosidad media (Ra) de las

peliacuteculas delgadas de ZnOCu 3 vol aumentaron a medida que aumenta la

temperatura de recocido a partir de 400 ordmC

bull La espectrofotometriacutea UV-Vis revela que todas las muestras de ZnOCu 3 vol

presentan alta transmitancia (gt80) a partir de 400 nm hasta los 750 nm siendo la

muestra recocida a 500ordmC la que presenta mayor transmitancia (gt90) en el rango de

500 a 600 nm

bull La absorbancia a partir de 400 nm es casi nula en todas las muestras

bull La energiacutea del gap se mantiene casi constante con la temperatura de recocido

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CAPIacuteTULO 7 SUGERENCIAS

bull Se sugiere incrementar el nuacutemero de capas de la peliacutecula delgada ya que se si bien es

cierto que si se pudieron observar los patrones de difraccioacuten estos presentan ruido en

su graacutefica y se cree que esto puedo mejorar haciendo maacutes gruesa la peliacutecula

bull Se sugiere incrementar el rango de temperaturas de recocidos para poder obtener maacutes

detalles acerca de la influencia de eacutesta temperatura en las propiedades que se quieran

analizar de las peliacuteculas delgadas

bull Se sugiere realizar el dopaje con otros porcentajes de cobre para obtener maacutes

informacioacuten acerca de la influencia de esto en las propiedades a estudiar

bull Se sugiere calcular los esfuerzos por deformacioacuten

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BIBLI

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IENCIA

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

71

REFERENCIAS

Acosta D R y Magantildea C R (2012) Oacutexidos conductores transparentes (119885119899119874 minus 1198781198991198742) Para

Remediacioacuten Ambiental Por Procesos Fotocataliacuteticos Muestra de proyectos ambientales

de tu ciudad Instituto de Fiacutesica de la Universidad Nacional Autoacutenoma de Meacutexico

Meacutexico DF

Alamri S N y Brinkman W A (2000) The effect of the transparent conductive oxide on the

performance of thin film CdSCdTe Solar cells J Phys D Appl Phys 33(1)

Aacutelvaro A D (2014) Estudio de Peliacuteculas Delgadas de 1198821198743 depositadas por la teacutecnica de

Sputtering Reactivo (tesis de pregrado) Cimav Chihuahua Meacutexico

American Society For Testing Materials Copper and Copper Alloys Annual Book of ASTM

Standards Vol21 (2) (ASTM International West Conshohocken PA) Revisado

anualmente

Askeland D (1998)Ciencia e Ingenieriacutea de los MaterialesUsa Thomson

Bedia F Z Bedia A N Maloufi N Aillerie M Gent F y Benyoucef B (2014) Effect

of tin doping on optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray

pyrolysis technique Journal of Alloys and Compounds 616 312ndash318

Benharrats F Zitouni K Kadri A y Gil B (2010) Determination of piezoelectric and

spontaneous polarization fields in CdxZn1ndashxOZnO quantum wells grown along the polar

(0001) direction Superlattices and Microstructures 47 592ndash596

Bubert H y Jenett H (2002) Surface and Thin Films Analysis Alemania Wiley

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

72

Bunyod A Oybek T Amir I A Jeong S W y Sungjin K (1946) Study of optical

properties in cu-doped zno thin films fabricated by dc magnetron sputtering Kumoh

National Institute of Technology (KIT) Metallkunde 37 40-4

Caglar Y Aksoy S Ilican S y Caglar M (2009) Crystalline structure and morphological

properties of undoped and Sn doped ZnO thin films Superlattices and Microstructures

46 469-475

Crystallography Open Database (2018) Recuperado de

httpwwwcrystallographynetcod1011258html

Deinert J (2016) Zinc Oxide Surfaces and Interfaces Electronic Structure and Dynamics of

Excited States (tesis postdoctoral) Department of Physics Technische Universitaumlt

Berlin Berlin Alemania

Filali B E Torchynska T V Diacuteaz C A y Morales R M (2015) Structural and raman

scattering studies of ZnO Cu nanocrystals grown by spray pyrolysis Revista Mexicana

de Ingenieriacutea Quiacutemica 14(3) 781-788

Gross L Mohn F Liljeroth P Repp J Giessibl FG y Meyer G (2009) Measuring the

charge state of an adatom with noncontact atomic force microscopy Science 324(5933)

1428-1431

Gurumurugan y Mangalaraj (1995) Structural Characterization of zinc oxide thin films

deposited by sol-gel Journal of Crystal Growth 147 335-360

Hafdallah A Herissi I Chergui N Kebaili Z Aida M y Attaf N (2018) Structural and

optical properties of ZnO thin films deposited by pyrolysis spray method effect of Al

doping Nanotechnology Letters

Biblioteca Digital - Direccioacuten de Sistemas de Informaacutetica y Comunicacioacuten - UNT

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BIBLI

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IENCIA

S FIacuteS

ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

73

Hernaacutendez S S (2014) Preparacioacuten y Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de ZnO y

ZnOAl por la teacutecnica de Rociacuteo Piroliacutetico Para su Aplicacioacuten en Celdas Solares (tesis de

maestriacutea) Instituto Politeacutecnico Nacional Altamira Meacutexico

Hirata G A McKittrick J Siqueiros J Loacutepez O A Cheeks T Contreras O y Yi J Y

(1996) High transmittance-low resistivity ZnOGa films by laser ablation Journal of

Vacuum Science amp Technology A Vacuum surfaces and films 14(3) 791-794

Jeong S H Park B N Yoo D G y Boo J H (2007) Al-ZnO thin films as transparent

conductive oxides synthesis characterization and application tests Journal of the

Korean Physical Society 50(3) 622-625

Jijoy P M Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties of

Transition Metal Doped ZnO Thin Films IOP Conf Series Materials Science and

Engineering 731-5 doi 1010881757-899X

Kane J Schweizer H P y Kern W (1976) Chemical Vapor Deposition of Antimony-Doped

Tin Oxide Films Formed from Dibutyl Tin Diacetate Journal of the Electrochemical

Society 126(2) 270-277

Koumllble Ch Greiner D Klaer J Klenk R Meeder A y Ruske F (2009) DC reactive

sputtering of aluminum doped zinc oxide films for solar modules controlled by target

voltage Thin Solid Films 520 1913-1917

Leoacuten L H (2014) Efecto de la temperatura de recocido en la resistividad eleacutectrica de las

peliacuteculas de SnO2 sintetizadas por rociado piroliacutetico (tesis de pregrado) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

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ICAS

Y MATEMAacuteTIC

AS

74

Liu H Avrutin V Izyumskaya N Oumlzguumlr Uuml y Morkoccedil H (2010) Transparent conducting

oxides for electrode applications in light emitting and absorbing devices Superlattices

and Microstructures 48 458ndash484

Loacutepez W Castro P Molina J y Arbey J (2011) Estabilidad y estructura electroacutenica del

ZnO Revista Colombiana de Fiacutesica 43 (I)

Loacutepez G Morales R Olea O Saacutenchez V Trujillo J Varela V y Vilchis A (2013)

Nanoestructuras metaacutelicas Siacutentesis caracterizacioacuten y aplicaciones Meacutexico DF

Meacutexico Reverteacute

Loacutepez E A y Solares S D (2014) El microscopio de fuerza atoacutemica meacutetodos y aplicaciones

Revista 28 de la Universidad del Valle de Guatemala 14-23

Mathew J P Varghese G y Mathew J (2015) Effect of Annealing on the Optical Properties

of Transition Metal Doped ZnO Thin Films Mat Sci and Eng 73 1-5

Minami T (2008) Present status of transparent conducting oxide thin-film development for

Indium-Tin-Oxide (ITO) substitutes Thin Solid Films 516 5822-5828

Mizuhashi M (1980) Electrical properties of vacuum-deposited indium oxide and indium tin

oxide films Thin Solid Films 70(1) 91-100

Mooney J B amp Rading S B (1982) Spray Pyrolysis Processing Annual Reviews of

Materials Science 12 81-101

Noriega D E (2015) Efecto de la temperatura del sustrato en los esfuerzos residuales de las

peliacuteculas de ZnO sintetizadas por Rociado Piroliacutetico (tesis de Maestriacutea) Universidad

Nacional de Trujillo Trujillo La libertad Peruacute

Pan C A y Ma T P (1980) High-quality transparent conductive indium oxide films

prepared by thermal evaporation Applied Physics Letter 37(2) 163

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BIBLI

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ICAS

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AS

75

Peacuterez M L (2005) Fabricacioacuten y Caracterizacioacuten Oacuteptica Estructural y Eleacutectrica de Peliacuteculas

Delgadas Transparentes de Oacutexidos de Estantildeo Circonio y Zinc (tesis de doctorado)

Instituto Politeacutecnico Nacional Meacutexico DF Meacutexico

Rahmani M B Keshmiri S H Shafiei M Latham K Wloarski W Plessis J du y

Kalantar-Zadeh K (2009) Transition from n- to p- Type of Spray Pyrolysis Deposited

Cu Doped ZnO Thin Films for NO2 Sensing ASP 7 1-8

Ramiacuterez C M (2015) Caracterizacioacuten de Peliacuteculas Delgadas de 119885119899119874 1198661198863+ Obtenidas Por La

Teacutecnica de Sol-Gel (tesis de pregrado) Universidad Tecnoloacutegica de la Mixteca

OaxacaMeacutexico

Rojas F S (2013) Influencia de la temperatura de recocido de las peliacuteculas de ZnO

compuestas con nanopartiacuteculas de Au sobre el crecimiento de Nanorods (tesis de

pregrado) Universidad Nacional de Trujillo Trujillo La Libertad Peruacute

Rozati S M (2008) Effect of film thickness on the physical properties of ZnOAl thin films

deposited using a spray pyrolysis technique Canadian J Phys 86 379ndash382

Ruumlcker N y Becker K J (1978) Life stability of transparent semiconducting oxide films

deposited onto cold substrates Thin Solids Films 53(2) 163-167

Sahay PP y Nath RK (2008) Al-doped zinc oxide thin films for liquid petroleum gas (LPG)

sensors Sensors and ActuatorsB(133) 222ndash227

Saidani T Zaabat M Aida M S Benoboud A Benzitouni S y Boudine A (2014)

Influence of annealing temperature on the structural morphological and optical properties

of Cu doped ZnO thin films deposited by the sol-gel method Superlattices and

Microstructures 75 47-53

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AS

76

Ghandi S K Field R J y Shealy J R (1980) Highly oriented zinc oxide films grown by the

oxidation of diethylzinc Applied Physics Letters 37(5) 449

Waal H y Simons F (1981) Tin oxide coatings Physical properties and applications Thin

Solid Films 77 253-258

Wang L Zhang X Zhao S Zhou G Zhou Y y Qi J (2005) Synthesis of well-aligned

ZnO nanowires by simple physical vapor deposition on c-oriented ZnO thin films without

catalyst or additives App Phy Lett 86(2)

Wolgamott J C (2017) Analysis of Zinc Oxide Thin Films Synthesized by Sol-Gel via Spin

Coating (tesis de maestriacutea) The University of Wisconsin-Milwaukee USA

Yan Y Al-Jassim M M y Wei S (2006) Doping of ZnO by group-IB element Applied

Physics Letters 89

Zhon L W (2004) Nanostructures of Zinc Oxide Materials today 7 26-33

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ANEXOS

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ANEXO A

Valores Teoacutericos Del Zno

Figura A Valores teoacutericos de los distintos planos para el ZnO (Fuente En liacutenea)

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ANEXO B

Caacutelculo de la distancia interplanar

La distancia interplanar fue calculada a partir de la Ley de Bragg

119941 =120640

120784 119852119842119847 120637

Doacutende d es la distancia interplanar 120582 es la longitud de onda de rayos X (15405981 A) y 120579 es

el aacutengulo de Bragg

Se tomoacute como plano de referencia el (002)

Para la muestra sin tratamiento de recocido el aacutengulo fue 2120579 = 3441deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120782120787deg

119941 = 120784 120788120782120786 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3448deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120786deg

119941 = 120784 120787120791120791 119808

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80

Para la muestra recocida a 450deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3463deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120785120783120787deg

119941 = 120784 120787120790120790 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862 el aacutengulo fue 2120579 = 3458deg

119941 =120783 120787120786120782120787120791120790120783

120784 119852119842119847 120783120789 120784120791deg

119941 = 120784 120787120791120784 119808

Caacutelculo del paraacutemetro c

El paraacutemetro de red C fue calculado para cada muestra con la foacutermula

120783

119941119945119948119949120784 =

120786

120785(

119945120784 + 119945 119948 + 119948120784

119938120784) +

119949120784

119940120784

Doacutende h=k=0 y l=2 reemplazando estos datos tenemos

119940 = 119949 119941119945119948119949

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Para la muestra sin tratamiento de recocido

119940 = (120784)120784 120788120782120786 119808

119940 = 120787 120784120782120790 119808

Para la muestra recocida a 400deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120791 119808

119940 = 120787 120783120791120790 119808

Para la muestra recocida a 450deg119862

119940 = (120784)120784 120787120790120790 119808

119940 = 120787 120783120789120788 119808

Para la muestra recocida a 500deg119862

119940 = (120784)120784 120787120791120784 119808

119940 = 120787 120783120790120786 119808

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Caacutelculo del tamantildeo de grano

Para calcular el tamantildeo del cristalito se utilizoacute la ecuacioacuten de Debye-Scherrer

119811 =119922 120640

120631 119836119848119852 120637

Doacutende K es la constante que es 09 para partiacuteculas esfeacutericas 120582 es la longitud de onda de los

rayos X (15405981 A) 120573 es la mitad del ancho del maacuteximo (FWHM) pico que para nuestro caso

fue el que correspondiacutea al plano (002) y estaacute dado en radianes y 120579 es el aacutengulo de Bragg

Para la muestra sin tratamiento de recocido

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120788120784120783) 119836119848119852 120783120789 120784120782120787deg119808

119915 = 120784120787 120790120784 119951119950

Para la muestra recocida a 400deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120789120789120785120783) 119836119848119852 120783120789 120784120786deg119808

119915 = 120783120790 120789120790 119951119950

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Para la muestra recocida a 450deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120787120787120783120789) 119836119848119852 120783120789 120785120783120787deg119808

119915 = 120784120788 120785120785 119951119950

Para la muestra recocida a 500deg119862

119811 =(120782 120791)(120783 120787120786120782120787120791120790120783)

(120782 120782120782120786120791120788120789) 119836119848119852 120783120789 120784120791deg119808

119915 = 120784120791 120784120785 119951119950

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ANEXO C

Caacutelculo del grosor de la peliacutecula delgada

Se realizoacute una pequentildea incisioacuten en la peliacutecula con una navaja de tal forma que la peliacutecula pueda

ser desprendida pero que no produzca rayaduras en el sustrato y utilizando el Meacutetodo Section del

Software NanoScope Analysis version 140 se calculoacute la distancia vertical y horizontal en tres

regiones para obtener un promedio con lo cual seriacutea el espesor aproximado de la peliacutecula

Figura C a) Medicioacuten en 3 zonas para determinar la distancia vertical y horizontal y b) Imagen 3D del escaloacuten

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Tabla 4

Tabla de datos de las alturas horizontales y verticales

Datos obtenidos para calcular el espesor de la peliacutecula delgada de ZnOCu 3 (Elaboracioacuten Propia)

Calculando el promedio de las distancias verticales

(189441 + 184037 + 170941)119899119898 = 544419 119899119898

544419119899119898

3= 181473 119899119898

El grosor de la peliacutecula fue 181 473 nm

Este proceso se realizoacute para todas las muestras en la tabla 5 se muestran los valores

correspondientes cada peliacutecula

Tabla 5

Tabla de valores del espesor de cada peliacutecula

Muestra Espesor (nm)

ZnOCu 3 vol sin recocido 181473

ZnOCu 3 vol recocido a 400deg119914 179596

ZnOCu 3 vol recocido a 450deg119914 181210

ZnOCu 3 vol recocido a 500deg119914 183498

Datos calculados para el espesor de cada peliacutecula (Fuente Elaboracioacuten propia)

N Distancia Horizontal Distancia Vertical

1 3249 (microm) 189441 (nm)

2 3679 (microm) 184037 (nm)

3 3914 (microm) 170941 (nm)

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ANEXO D

Caacutelculo de los valores de Rugosidad

Se calculoacute el promedio de la rugosidad media y la rugosidad cuadraacutetica media para cada

peliacutecula El aacuterea de anaacutelisis en todas las muestras fue 3um x 1um y los valores fueron obtenidos

por el sensor de altura en el software de AFM Dimension Edge VT-112

Muestra Sin Rec

Figura D 1 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra sin rec

Tabla 6

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Sin Rec

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000751 000589

ZONA 2 000849 000646

ZONA 3 000753 000598

PROMEDIO 000784 000611

Datos para el promedio de la rugosidad de ZnOCu 3 vol Sin Rec (Elaboracioacuten Propia)

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Muestra Rec a 120786120782120782

Figura D2 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 400 ordmC

Tabla 7

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 400 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

Muestra Rec a 120786120787120782

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 000634 000506

ZONA 2 000769 000590

ZONA 3 000685 000505

PROMEDIO 000696 000534

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Figura D3 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 450 ordmC

Tabla 8

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 450 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00112 000903

ZONA 2 00110 000872

ZONA 3 00109 000877

PROMEDIO 00110 000884

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Muestra Rec a 120787120782120782

Figura D4 Medicioacuten en distintas zonas para determinar los valores de la rugosidad a) zona 1 b) zona2 y c) zona 3

de la muestra rec a 500 ordmC

Tabla 9

Valores de rugosidades para ZnOCu 3 vol Rec 500 ordmC

Datos para el promedio de rugosidad de ZnOCu 3 vol Rec a 500 ordmC (Elaboracioacuten Propia)

N Rq (microm) Ra (microm)

ZONA 1 00119 000956

ZONA 2 00120 000969

ZONA 3 00119 000947

PROMEDIO 00119 000957

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ANEXO E

Caacutelculo de la energiacutea del gap

Se utilizoacute la foacutermula 46

120630 = 119912(119945120642 minus 119916119944)120783120784

120786 120788

Donde 120572 es el coeficiente de absorcioacuten del material que es igual a la absorbancia dividida por

el espesor de la peliacutecula 119860 es la constante de proporcionalidad ℎ es la constante de Planck 120584 es

la frecuencia del fotoacuten incidente y 119864119892 es la energiacutea del gap

Haciendo los caacutelculos respectivos en Excel obtuvimos los valores de ℎ120584 y (120572ℎ120584)2

Figura E1 Caacutelculo de los valores para hacer la graacutefica de Tauc

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Luego graficamos esto usando Origin 8 y trazando la recta hasta el intercepto con el eje x

obtuvimos el valor de la energiacutea del gap Esto se hizo para todas las peliacuteculas

Figura E2 Valores hν y (αhν)^2 calculados para determinar la energiacutea del gap para todas las peliacuteculas

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