Películas nanoestructuradas de oxido de zinc (ZnO)

Scientia et Technica Año XIV, No 39, Septiembre de 2008. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701 416

Fecha de Recepción: 4 de Junio de 2008.

Fecha de Aceptación: 1º de Septiembre de 2008

PELÍCULAS NANOESTRUCTURADAS DE OXIDO DE ZINC (ZnO)

Zinc oxide nanostructured thin films

RESUMEN

En el presente artículo realizamos una detallada aunque breve revisión de

trabajos de investigación con lo que ponemos de manifiesto las propiedades más

relevantes de las estructuras de oxido de zinc, sus potenciales aplicaciones y

algunas de las técnicas usadas para la caracterización de sus propiedades y

métodos de crecimiento de las películas.

PALABRAS CLAVES: Oxido de Zinc (ZnO), Ablación Láser, DRX,

Espectroscopia Raman, Fotoluminiscencia, Transmitancia

ABSTRACT

In this article we has done a review of research articles about the zinc oxide

(ZnO) thin films properties, their potential applications, characterization

technique and growth method.

KEYWORDS: Zinc Oxide (ZnO), Laser Ablation, DRX, Raman,

photoluminescence, transmittance

JAIME ANDRÉS PÉREZ TABORDA

Estudiante Ingeniería Física

jaimeandres.perez@gmail.com

JORGE LUIS GALLEGO

Estudiante Ingeniería Física

jorluga@hotmail.com

WILSON STIVEN ROMAN

Estudiante Ingeniería Física

jorluga@hotmail.com

HENRY RIASCOS LANDÁZURI

Profesor Física

Universidad Tecnológica de Pereira

hriascos@utp.edu.co

1. INTRODUCCIÓN

El ZnO es un material semiconductor de la familia II-VI,

con amplia banda de energía 3.37 eV y una gran banda de

enlace de excitones de 60 meV a temperatura ambiente.

La diferencia de electronegatividades entre el zinc y el

oxígeno produce un alto grado de ionicidad en su enlace,

convirtiéndolo en uno de los compuestos más iónicos de

dicha familia [1]. Esto provoca una repulsión

considerable entre sus nubes de carga, haciendo que su

estructura cristalina más estable sea hexagonal, la figura

1 muestra la estructura tipo wurzita del ZnO. En esta

estructura los átomos se encuentran suficientemente

alejados, esto con el fin de compensar dichas repulsiones.

Así, cada átomo de zinc se encuentra rodeado por un

tetraedro de 4 átomos de oxígeno y viceversa, formando

de esta manera una combinación alternada de planos de

átomos oxígeno y de planos de átomos de zinc, las cuales

se encuentran a lo largo del eje c, con un desplazamiento

entre ellos de 0.38c, siendo c su parámetro de red en la

dirección vertical.

Los valores de los parámetros de red para dicho material,

en condiciones normales de presión y temperatura, son a

= 3.253 Å y c = 5.213 Å [2]. Una de las propiedades

físicas más importantes del ZnO es la de poseer un gap

directo de 3.35 eV, a temperatura ambiente. [2,3]

Algunas de estas propiedades (en especial su alto gap a

temperatura ambiente) convierten a este óxido metálico

en un excelente candidato para aplicaciones como

dispositivos optoelectrónicos, transductores acústicos

[4,5], varistores [6], sensores de gas [7,8], electrodos

transparentes [9,10], ventanas ópticas en paneles solares

[11,12], dispositivos emisores de campo [13],

conductores transparentes [14–16]. De estas aplicaciones

es de especial atención su posible aplicación en

dispositivos optoelectrónicos con emisión en el rango de

longitudes de onda cortas.

En este trabajo se presenta algunas de las técnicas

utilizadas en el crecimiento de películas delgadas de ZnO

y su caracterización por diferentes métodos. Prestamos

mayor interés en las grandes ventajas que tiene aplicar la

técnica de ablación láser en el crecimiento de estas

películas.

Figura1.Estructura Cristalina típica ZnO en donde las

más oscuras describen el zinc y las más claras el oxigeno.

Scientia et Technica Año XIV, No 39, Septiembre de 2008. Universidad Tecnológica de Pereira.

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Figura2.Esquema experimental de deposición por láser

pulsado para películas delgadas.

2. TÉCNICAS DE CRECIMIENTO

Las nanoestructuras de ZnO se han sintetizado por varios

métodos de crecimiento , tales como disolución [17-19],

los métodos en fase gaseosa [20,21], método hidrotermal

[22,23], deposición por vapor químico [24,25],

vaporación térmica [26], magnetrón sputtering RF [27] ,

pero siendo los más importantes haz molecular epitaxial

y deposición por laser pulsado (PLD) [28,29]. Esto

debido a que el ZnO tiene una alta temperatura de

fusión (Tf > 2250 K) [30], lo que hace necesario la

utilización de una técnica alternativa a la fundición y a

los procesos químicos, perfilandose la técnica de ablación

láser en la mas acertada en el crecimiento de peliculas de

ZnO.

2.1 CRECIMIENTO POR ABLACIÓN LASER

La técnica de deposición por láser pulsado (PLD) es una

de las herramientas más exitosas para crear películas

delgadas y partículas a escala nanométrica. Esta técnica

se ha empleado para el depósito de películas delgadas de

alta calidad que incluye materiales superconductores,

ferroeléctricos, fotonicos y orgánicos [31]. Una

descripción detallada de esta técnica se encuentra en la

referencia [32], en la figura 2 se muestra un esquema de

PLD. Algunos grupos recientemente han usando esta

técnica en la producción de materiales nanoestructurados.

Revisamos los aspectos importantes de estos trabajos.

Todos los autores que usan sistemas convencionales de

PLD utilizan láseres excimer con poca fluencia (En el

laboratorio de Plasma Láser y

Aplicaciones usamos un láser Nd;YAG en el infrarrojo).

Kawakami et al. sintetizó nanotubos de ZnO orientados

en el eje c, obtenidos a una temperatura del substrato de

700 ºC en una presión de Oxigeno de 650 Pa sin

catalizador. La dispersión Rayleigh muestra que el

crecimiento de los nanotubos procede vía condensación

de nanoclusters formados en la pluma de la ablación [33].

Una variedad de nanoestructuras de ZnO se pueden

obtener dependiendo de la distancia blanco-substrato y a

presiones altas de Ar [34]. Ozerov et al. [35] han

mostrado que películas delgadas nanocristalinas de ZnO

se pueden obtener por PLD reactivo, en una atmósfera de

helio que permite la creación de nanocloster en el plasma.

Ye Sun et al. [36] han crecido nanoagujas de ZnO sobre

substratos de Si (100) libre de catalizadores a una

temperatura de 600°C, una baja presión de oxígeno de

1.3 Pa. Yan et al. [37] crecieron nanohilos de ZnO

dopado con 1% de Ga sobre substratos de GaN/zafiro a

1.3 Pa de presión de oxigeno y mostró que los niveles de

dopaje del Ga determinan la estructura del material. Estos

autores sugieren que los nanohilos crecen vía la

nucleación Stranski–Krastanov apoyado en un proceso de

crecimiento asistido de un campo eléctrico. Lorenz et al.

[38] crecieron estructuras de MgxZn1−xO (0 ≤ x ≤ 0.2) y

otro tipo de nanoestructuras sobre sustratos de zafiro

recubierto de oro a un presión de Argón de 104 Pa. Ellos

mostraron que la presión de Ar y la distancia blancosubstrato

son parámetros críticos para influir en la

morfología y tamaño de las nanoestructuras. Choopun et

al. [39] produjeron nanotubos de ZnO orientados en el eje

C sobre zafiro a presiones de 10 Pa en una atmósfera de

Ar, pero no pudo crecer estas mismas estructuras en una

atmósfera de oxígeno. Es evidente desde esta revisión

que pequeños cambios en los valores de los parámetros

experimentales claves, tales como presión del gas de

trabajo, distancia blanco-substrato o niveles de dopaje,

son críticos y pueden resultar en materiales de ZnO con

estructuras y nanoestructuras muy diferentes. Esto

conduce a que los autores propongan mecanismos de

crecimiento muy diversos y contrastantes entre sí para

explicar estas diferencias.

3. TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN

Las propiedades estructurales de las películas de ZnO se

determinan mediante la difracción de Rayos X (DRX) y

espectroscopia Raman. Para el estudio de las

propiedades Ópticas se utiliza la técnica de

fotoluminiscencia mientras que para sus propiedades

eléctricas, magnitudes como resistividad y efecto Hall.

3.1. CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL

3.1.1. Difracción de rayos X.

En esta técnica la energía de radiación de los rayos X se

transfiere a un electrón que se encuentre en las capas más

internas del átomo. El fotoelectrón removido transporta

cierta energía cinética . Esta energía corresponde a la

energía inicial del fotón de rayos X ( menos la

barrera de potencial que el electrón debe vencer para

poder salir de la muestra, comúnmente conocido como

energía de enlace ( ) y la función de trabajo ( ). [32]

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