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Producción y caracterización de películas semiconductoras de ZnO sobre sustratos de vidrio por la técnica de baño químico (CBD)

Henao Granada, Verónica (2010) Producción y caracterización de películas semiconductoras de ZnO sobre sustratos de vidrio por la técnica de baño químico (CBD). Maestría thesis, Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales.

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Resumen

En este trabajo se presenta los resultados experimentales de la caracterización de películas semiconductoras de ZnO crecidas sobre sustratos de vidrio, donde se utilizo la técnica de CBD (Chemical Bath Deposition) a través del método particular denominado SILAR (succesive ionic layer adsorption and reaction). El método involucra la adsorción de una capa del ión complejo, seguido por la reacción de la capa del ión adsorbido. Una de las principales característica de la metodologia SILAR es el crecimiento capa por capa, de manera separada entre dos soluciones. En el desarrollo de este trabajo se utilizaron tres procesos para la obtención de las películas para diferentes condiciones (soluciones, precursores, agentes complejantes, temperatura y número de ciclos) los cuales se denominaron: Proceso I, Proceso II y Proceso III. Se utilizaron dos fuentes diferentes del ión Zn2+, donde los precursores fueron ZnSO4.7H2O y Zn(NO3)2.7H2O y como agentes complejantes NH3 y NH4OH. En el Proceso I los sustratos fueron sumergidos en una solución de ZnSO4.7H2O y NH3 y luego en agua caliente durante un tiempo 15s y 7s respectivamente. En el Proceso II la solución fue ZnSO4.7H2O y NH4OH alternado en agua caliente durante un tiempo de 2s en cada solución. Para el Proceso III se usó una solución de Zn(NO3)2.7H2O y NH4OH donde el sustrato se sumerge alternando en agua caliente y en la solución por un tiempo de 2s como en el Proceso II. Para el desarrollo de este trabajo, se obtuvieron 17 muestras, para cada una de ellas se realizo un estudio sistemático en torno al número de ciclos y temperatura del tratamiento térmico. Los resultados de difracción de rayos – X a temperatura ambiente, mostraron que todas las películas se ajustan muy bien a un patrón de difracción, correspondiente a la fase hexagonal del ZnO, con orientación preferencial a lo largo del lano (002). Al comparar la calidad cristalina de todas las películas los resultados son conducentes a sugerir que las películas obtenidas por los proceso II y III presentan una mejor cristalinidad a comparación con el proceso I; esta afirmacion se sustenta por la presencia de una fase amorfa en la interfase película sustrato ZnO:Zn(OH)2 para el proceso I. Además, se confirma que el mecanismo utilizado para el Proceso II se obtuvo películas con mejores propiedades cristalinas comparadas con el Proceso I; esto se debe a que la cristalinidad y la uniformidad de la película están fuertemente relacionados con el procedimiento empleado. Nosotros lo asociamos a una fuerte dependencia con la adsorción de los iones, de los precursores utilizados, de la disociación de los iones complejos y de la cristalización del ZnO. Uno de los factores que pudo haber influido en el proceso I, puede ser la duración de la reacción, el tiempo en el proceso de secado entre otros, debido a que la reacción en el agua caliente está estrechamente relacionado con la formación de núcleos de ZnO, en el crecimiento de los cristales y en la morfología de la película. El tamaño de cristalito de las peliculas presentan variaciones en los diferentes procesos y oscilan entre 9,5 y 24.1 nm. Los valores más pequeños fueron descartables ya que las películas en todos los casos son amorfas y por tanto sus espectros presentan alta dispersion en el ajuste. A partir del análisis de absorción UV-visible se determinó la energía de brecha prohibida, cuyo valor calculado osciló entre 3.14 y 3.38 eV, para los tres procesos. Los resultados obtenidos para los procesos II y III, la energía de brecha prohibida disminuye con el aumento de la temperatura del tratamiento térmico, esta aseveración se fundamenta en que se presenta un proceso de difusión y a una reorganización de los iones en la estructura. Para el proceso III-etapa I, se observó una disminución de la brecha prohibida con el aumento del número de ciclos debido presumiblemente al incremento del espesor con el número de ciclos. Los resultados de espectroscopia Raman a temperatura ambiente de todas las películas, dan evidencia que los principales modos de vibración para todas las películas están cerca de 332, 380, 410, 437, 580, 1050 y 1100 cm-1. La evolución de estas bandas con respecto a la temperatura del tratamiento térmico es diferente para cada uno de los procesos SILAR aquí utilizados. Para el proceso I, se observan modos asociados con ZnO pero con poca definición, sin embargo para cuando la temperatura del tratamiento térmico es de 150ºC, el modo asignado a E2(High) está bien definido y es característico para las películas de ZnO. La presencia de este modo se atribuye a la eliminación de la fase asociada con Zn(OH)2, que podría haber estado presente en las películas en forma amorfa. Para los procesos II y III se evidencia la presencia de los modos asociados como el modo vibracional local denominado LVM´s del nitrógeno localizado en 580cm-1, el cual está acompañado de otros modos localizados en: 270, 510 y 642 cm-1. Estos últimos modos son controversiales en la literatura, debido a que algunos autores los atribuyen como propios de las películas, mientras que otros autores los asignan con la presencia de nitrógeno en las mismas / Abstract: The experimental results of the characterization of ZnO semiconductor films grown are glass substrate, using the CBD technique through a particular method called SILAR is shown in this work. The method involves the adsorption of a layer of the complex ion followed by the reaction of the layer of the adsorbed ion. The main characteristic of SILAR is the layer by layer growth in a separate way between two solutions. To obtain the films in different conditions (solutions, precursors, complexing agents and number of cycles), three processes were used, which were called: Process I, Process II and Process III. Two different sources of Zn2+ ion were used, where the precursors were ZnSO4.7H2O and Zn(NO3)2.7H2O and as complexing agents NH3 and NH4OH. In Process I the substrates were submerged in a ZnSO4.7H2O and NH3 solution and then in hot water during 15s and 7s respectively. In Process II the solution was ZnSO4.7H2O and NH4OH alternating in hot water during 2s in each solution. In Process III a Zn(NO3)2.7H2O and NH4OH solution was used, where the substrate is immersed alternating in hot water and in the solution for a 2s time as in Process II. For the development of this work 17 samples were obtained, a systematic study about the cycles number and temperature of the termic treatment was performed for each one. The X–ray diffraction results showed that all the films fit well to diffraction pattern correspondent to the hexagonal phase of ZnO, with preferential orientation in the plane (002). When comparing the crystalline quality of all the films obtained by process II and III, they show a better crystallinity in comparison with process I; this is supported by the presence of a amorphous face in the interface substrate films ZnO:Zn(OH)2 for process I. Besides it is confirmed that with the mechanism used for Process II, films with better crystalline properties were obtained this in Process I; this is due to crystallinity and uniformity of the film are intensely related with the used procedure. We associate the process with a strong dependence with the adsorption of the ions, the used precursors, and the dissociation of the complex ions and the crystallization of ZnO. One of the factors that could influence in process I could be the duration of the reaction, the dried time, because the reaction in hot water is closely related with the formation of ZnO nuclei, in the morphology of the film. The crystallite size of the films show variations in the different process and oscillate from 9,5 to 24.1 nm. The lowest values weren’t tallen in to account because the films in all the cases are amorphous and consequently their spectrum show high dispersion in the adjustment. From the adsorption UV-visible analysis it was possible to determine the energy of the band gap, whose calculated value oscillated from 3.14 to 3.38 eV, for the former processes. The obtained results for processes I and III, the energy of the band gap decreases with the increasement of the temperature of the termic treatment; this statement is supported because there is a diffusion process and organization of the structure ions. For Process III, step I, it was possible to see a decrease in the band gap when increasing the number of cycles, possibly, because of increasement of the thickness with the number of cycles. Raman spectra results at room temperature of all the films show that the main vibration modes for all the films are nearly 332, 380, 410, 437, 580,1050 and 1100 cm-1. The evolution of these bands concerning the annealing is different for every SILAR process used in this work. For process I, associated modes with ZnO are observed, but with low definition; however, when the temperature of the termic treatment is 150ºC, the assigned mode to E2(high) is well defined and is characteristic for ZnO films. The presence of this mode is due, possibly, to the elimination of the associate phase with Zn(OH)2 that could have been in the films of this amorphous form. For processes II and III is evident the presence of the associated modes as the LVM´s called nitrogen’s LVM located in 580cm-1, which is accompanied with other modes located in: 270, 510 y 642 cm-1. These latest modes are controversial in literature, due to some author’s think that it is proper of the films, while other say that is due to the presence of nitrogen in themselves.

Tipo de documento:Tesis/trabajos de grado - Thesis (Maestría)
Colaborador / Asesor:Jurado, Jesús Fabián
Palabras clave:Películas semiconductoras; Películas delgadas de óxido de zinc; Espectroscopía de Raman; Método SILAR; Absorción óptica; baño químico
Temática:5 Ciencias naturales y matemáticas / Science > 53 Física / Physics
6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology > 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering
Unidad administrativa:Sede Manizales > Facultad de Ciencias Exactas y Naturales > Departamento de Física y Química
Código ID:1826
Enviado por : Biblioteca Digital Universidad Nacional de Colombia - Sede Manizales
Enviado el día :10 Agosto 2010 22:38
Ultima modificación:09 Febrero 2011 21:41
Ultima modificación:09 Febrero 2011 21:41
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