Obtienen láminas delgadas con potencial uso en dispositivos optoelectrónicos

El óxido de zinc es un material que en años recientes ha sido estudiado ampliamente con el fin de mejorar sus propiedades fisicoquímicas (su fotoluminiscencia, por ejemplo), y así optimizar el funcionamiento de diversos dispositivos, entre ellos el de las celdas solares.

David Meneses Rodríguez, investigador catedrático Conacyt del Cinvestav Unidad Mérida, formó parte de un estudio en el que se propuso una ruta puntual, conformada por dos procesos, para la generación de láminas ultradelgadas de óxido de zinc que contienen iones de cerio y europio.

En la investigación publicada en la revista Nanotechnology, se reportó que estas láminas de tamaño nanométrico mostraron buena actividad fotoluminiscente; es decir, capacidad de absorber energía y emitir una parte de ella en forma de luz.

Lo anterior, dijo Meneses Rodríguez, abre la posibilidad de que estas láminas ultradelgadas y otros materiales de óxido de zinc a los cuales se les han agregado elementos del grupo de las tierras raras (como cerio y europio), puedan ser empleadas en celdas solares o en el desarrollo de nanodispositivos optoelectrónicos, es el caso de sensores y láseres.

Otro resultado relevante del trabajo, en el que participaron investigadores y estudiantes del Departamento de Física Aplicada del Cinvestav Unidad Mérida y de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, es que se identificó la proporción necesaria de cerio y europio para mejorar la fotoluminiscencia del óxido de zinc. 

“Elegimos al cerio y al europio porque en trabajos previos se ha reportado el uso de óxido de zinc dopado con tierras raras para el desarrollo de semiconductores de banda ancha, mismos que son útiles en aplicaciones relacionadas con la emisión de energía en forma de luz”, señaló Meneses Rodríguez.

Las láminas de 50 nanómetros de espesor fueron obtenidas en dos etapas; a través de la técnica conocida como deposición de capa atómica (ALD, por sus siglas en inglés) se produjo un crecimiento secuencial, sobre un sustrato de silicio, de películas de óxido de zinc.

Algunas de las ventajas de esta técnica son que en cada ciclo de este proceso se deposita la misma cantidad de material y por lo tanto el espesor de la lámina es controlado con precisión; además, la elaboración toma de dos a cuatro horas y no requiere de temperaturas extremadamente altas, lo que conlleva un ahorro de energía.

Una vez listas las láminas se sometieron a un proceso hidrotermal manteniéndolas en contacto con distintas soluciones químicas que contenían cerio y europio, durante esta segunda etapa algunos iones de estos elementos quedaron anclados al óxido de zinc, lo cual incrementó sus propiedades fotoluminiscentes.

Un aspecto crucial del estudio consistió en evaluar las características de las láminas que se generaron. Para el análisis de su estructura, morfología y composición, los investigadores emplearon microscopia electrónica de barrido, difracción de rayos X y espectroscopia de fotoelectrones emitidos por rayos X.

La medición del grosor de las láminas se basó en la elipsometría, una técnica para el análisis de películas delgadas y estructuras multicapa a escala nanométrica. Esta permite medir el cambio de estado de polarización de un haz de luz tras ser reflejado por el material en cuestión.

En cuanto a las pruebas de fotoluminiscencia consistieron en incidir luz, en un rango ultravioleta-visible, en las láminas y estudiar su emisión de energía, misma que no es perceptible a la vista pero sí a equipos especiales.

Básicamente se estudian los espectros, una representación gráfica de la energía emitida por las láminas tras su interacción con la luz que se le incide. De esta manera es posible determinar cuál es el pico máximo de fotoluminiscencia del material en relación a la cantidad de cerio y europio que contiene.

Finalmente, Meneses Rodríguez se refirió a la selección de elementos para agregarle al óxido de zinc como crucial si se busca mejorar sus características fisicoquímicas e incluirlo en aplicaciones específicas. Por lo cual, es necesario continuar trabajando en el desarrollo de materiales nanoestructurados y realizar pruebas puntuales con el objetivo de evaluar si inciden positivamente en la eficiencia de las celdas solares u otros dispositivos relacionados con la emisión de energía en forma de luz.