Aplicaciones fotónicas y electrónicas de semiconductores II-VI nanoestructurados

Abstract

En el presente trabajo se exploran las potenciales aplicaciones fotónicas y electrónicas de semiconductores II-VI nanoestructurados en la forma de películas delgadas y puntos cuánticos. Se fabricaron películas delgadas de sulfuro de cadmio (CdS) nanoestructuradas mediante deposito por baño químico (CBD) y se impurificaron con el ion metálico Cu2+ utilizando la técnica de impurificación in-situ. Se evaluó el grosor de las películas obtenidas mediante elipsometría, encontrándose valores aproximados de 100 nm para la matriz CdS y la muestra impurificada con cobre. Se determinó la composición atómica de las películas fabricadas mediante espectroscopía de fluorescencia de rayos-X (XRF), detectándose una composición rica en cadmio para ambas muestras y la impureza de cobre con una fracción molar de aproximadamente 1.74 % en la muestra impurificada con el ion metálico. Asimismo, mediante XPS se identificaron las transiciones foto-electrónicas Cd 3d y S 2p para las películas fabricadas y en particular, las transiciones Cu 2p para la película impurificada. El estudio cristalográfico por difracción de rayos-X (XRD) demostró un crecimiento preferencial en el plano cúbico (111) para las películas de CdS con una tendencia de crecimiento policristalino observable para el caso de las muestras impurificadas con cobre. Cuando se utiliza la técnica de impurificación in-situ, el ion de la impureza participa en el proceso de crecimiento y promueve modificaciones estructurales. Esto se pudo observar en micrografías de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) por la reducción de tamaño de las nanopartículas de CdS, que su vez aumentó los efectos del confinamiento cuántico. El cambio estructural de la muestra impurificada también se observó en espectroscopía Raman, principalmente por el corrimiento de frecuencia del primer modo longitudinal óptico (1LO-CdS). La caracterización de fotoluminiscencia de la película delgada impurificada con cobre muestra emisiones en el rango visible a temperatura ambiente, provenientes de nuevos centros luminiscentes creados por las modificaciones estructurales y el efecto de confinamiento cuántico provocados por el proceso de impurificación in-situ con Cu2+, con potenciales aplicaciones fotónicas. Se exploró otra importante forma nanoestructurada de semiconductores II-VI mediante la síntesis, caracterización y aplicación de puntos cuánticos de CdTe y ZnO. Para el caso de los puntos cuánticos de CdTe se evaluó el impacto en las propiedades ópticas y físicas de estas nanoestructuras después de recubrirlas con una capa de sílice (SiO2) mediante una variación del método de Stöber. El proceso de recubrimiento se verificó primeramente con espectroscopía infrarroja de transformada de Fourier (FT-IR), en donde se detectó el cambio de las señales asociadas a los ligandos que normalmente pasivan la superficie de los puntos cuánticos de CdTe (TGA) por las señales asociadas a SiO2. Se detectó en la caracterización de fotoluminiscencia una mayor sensibilidad a la iluminación ultravioleta entre 300 y 400 nm, permitiendo emisiones intensas separadas por un corrimiento Stokes de más de 300 nm respecto a la longitud de onda de excitación. Adicionalmente, la modificación de la superficie de los puntos cuánticos de CdTe promovió una mejor dispersabilidad en un solvente no polar (cloroformo), lo que permitió la fabricación de compósitos PMMA/CdTe@SiO2 altamente luminiscentes con una distribución uniforme de cúmulos de CdTe@SiO2, observados tanto en microscopía electrónica como en microscopía de epifluorescencia, adecuados para aplicaciones fotónicas. Se sintetizaron y caracterizaron puntos cuánticos de ZnO. Sus características ópticas (espectros de absorción y emisión) resultaron adecuadas para utilizarse como convertidores espectrales en la superficie de celdas solares de silicio cristalino. Se utilizó una matriz polimérica (PMMA) para aplicar los puntos cuánticos de ZnO en la superficie de las celdas fotovoltaicas. Antes de integrar los puntos cuánticos de ZnO en la superficie de las celdas, se evaluó el grosor de las películas de PMMA por elipsometría espectroscópica buscando un óptimo efecto antirreflejante. Finalmente se fabricaron celdas fotovoltaicas de silicio cristalino y se evaluaron sus parámetros de desempeño mediante curvas corriente-voltaje (J-V) y caracterización de eficiencia cuántica externa (EQE) antes y después de aplicar capas de ZnO/PMMA en su superficie, alcanzando una máxima mejora relativa de eficiencia de conversión del 19.2 %.