Semiconductor CuInTe2: Aleación con Aluminio y Dopaje con Níquel.

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Microfotografías del Semiconductor CuInTe2

Agregando Níquel y Aluminio al CIT

Giovanni Marín
24/10/2018

Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol

El semiconductor ternario de Cobre que me parece el más fácil de obtener es el CuInTe2, lo digo cada vez que puedo: agarra en tus manos Cu+In+2.Te, lo lanzas al suelo y vas a obtener el semiconductor CuInTe2, claro que lo digo de manera figurativa para dar a entender que realmente el proceso es simple y muy rápido. La situación se complica cuando agregamos otro elemento químico en su composición estequiométrica, ya sea en forma de dopaje o intersticial. En esta publicación me centraré en presentar varias microfotografías de CuInTe2:Ni y CuIn1-XAlXTe2 y algunos comentarios del estudio realizado.

Mientras realizamos los ensayos de síntesis de materiales para probar el horno vertical de 1 zona de temperatura, obtuvimos un lingote de CIT de 3 gramos y cortamos varias muestras para realizar la caracterización básica. Entre ellas, la más entretenida es la de determinar la composición estequiométrica mediante el uso del microscopio electrónico de barrido, y digo que es entretenida porque aprovechamos el equipo para tomar algunas microfotografías de la superficie del material y es allí donde observamos cosas que muchas veces tienen formas extrañas que ponen a volar nuestra imaginación.

Microfotografías del semiconductor CuInTe2 a diferentes magnificaciones. | @iamphysical

Aquí podemos observar una muestra de CuInTe2 (CIT) que fue cortado del lingote y se procedió a colocarlo dentro del MEB sin ningún tratamiento de pulido, así que lo que se observan son las rugosidades de la superficie tal como fue sintetizado. Las magnificaciones de: 100x, 800x, 3000x, 13000x y 50000x dejan evidencia del alto grado de rugosidad y separación en microcristales del semiconductor CIT. Es importante resaltar que las condiciones de trabajo se mantienen constantes: distancia de trabajo WD = 6.0 mm, alto voltaje HV = 15000 kV, punto de enfoque Spot = 3 y la presión de vacío de 0.9±0.1 mPa.

Semiconductor CuInTe2 dopado con Níquel

En la búsqueda de nuevos materiales semiconductores que tengan las condiciones ideales para ser utilizados en dispositivos optoeléctrónicos con especial aplicación en celdas fotovoltaicas, me he centrado en el semiconductor CIT por lo fácil de sintetizar, pero su brecha de energía es cercana a 0,9 eV que es menor al valor óptimo para aprovechar el máximo de la irradiancia solar que varía entre 1,1 y 1,8 eV para los materiales absorbentes.

    Mientras asesoraba una Tesis de Maestría compartida con el Dr. Augusto IRIBARREN y el Dr. Carlos LARIOT del Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales, Universidad de La Habana, tuvimos una conversación sobre el término utilizado para hacer mención al elemento químico Níquel que agregamos al CuInTe2, ya que ellos consideraban que "dopado" era una mala interpretación del término inglés "doping" o "doped" y lo más correcto sería utilizar la palabra "impurificado" y finalmente el título quedó: "Caracterización estructural y óptica del CuInTe2 impurificado con Ni".

Considerando la premura de presentar estos resultados de investigación y basado en la suposición que hablábamos de lo mismo, pero con palabras diferentes, pues quedó escrito de esa manera. Sin embargo, en el diccionario de la Real Academia Española se corrobora el buen uso del término dopado, por lo que en mi caso particular, lo sigo utilizando con mis tesistas y trabajos de investigación.

Microfotografías del CuInTe2 dopado con Níquel | @iamphysical

En estas microfotografías observamos la superficie sin pulir de una muestra del lingote de CuInTe2 dopado con Níquel y básicamente fue realizada para descartar la presencia de microgrietas y huecos en este semiconductor que puedan afectar la conducción eléctrica.

Aprovecho la oportunidad para mostrarles el patrón de difracción de rayos X donde podemos observar la fase mayoritaria del CuInTe2 y unos 2 picos adicionales correspondientes al NiTe con intensidad relativa menor al 5%. Esto es muy común cuando realizamos un dopaje extrínseco, donde el porcentaje del elemento químico no exceda del 2% en porcentaje atómico.

Patrón de difracción del semiconductor CuInTe2 dopado con Níquel | @iamphysical

Existe un corrimiento de los picos de difracción hacia 2θ mayores que también se observa en compuestos II-VI dopados con elementos de radio atómico menor. Esta dependencia explicaría la reducción de la red del CIT:Ni al sustituir el Cu con radio atómico de 0,128 nm por Ni con radio atómico igual a 0,125 nm, por lo que este dopaje provocaría el defecto físico de sustitución de Níquel en sitios cristalográficos del Cobre, denotado como NiCu. Es importante resaltar que el porcentaje de dopaje en semiconductores debe ser lo más mínimo posible para no cambiar drásticamente sus propiedades intrínsecas, en particular su brecha de energía sufrió una gran alteración debido a la aparición de estos centros de absorción de la fase NiTe.


Aleación del sistema semiconductor CuIn1-XAlXTe2

Con la finalidad de cambiar la brecha de energía del CIT hacia valores más altos que 0,98 eV, procedimos a hacer la síntesis de una aleación que incluye al elemento químico de Aluminio, ya que el CuAlTe2 posee una EG de 1,65 eV.

Espectro EDS para el análisis cuantitativo del CuIn1-XAlXTe2 | @iamphysical

Al realizar el análisis cuantitativo se determinó la composición química de esta aleación, como se observa en la figura anterior. El punto que quisiera resaltar es que se debe tener especial cuidado al trabajar con ciertos elementos químicos que pueden provocar la explosión de la cápsula de cuarzo, debido al incremento exponencial de la presión de vapor cuando se trata de Selenio o Azufre, pero también es difícil trabajar con Aluminio, ya que reacciona con los elementos constituyentes del cuarzo, esto puede provocar erosión de las paredes internas y debilitamiento de la cápsula.

Ya sabemos que es difícil trabajar con semiconductores binarios, situación que se complica cuando son tres elementos de la tabla periódica, así que no es de extrañarnos si agregamos otro elemento al sistema la situación se va a complicar dando origen a defectos físicos y químicos, como las microgrietas que se observan en la siguiente composición de microfotografías de la superficie de una muestra de la aleación CIAT.

Microfotografías del CuIn1-XAlXTe2 con enfoque en una microgrieta | @iamphysical

Las precauciones que debemos tener en consideración es trabajar con una cantidad suficiente (8 gramos) de material y cubrir las paredes internas de la cápsula de cuarzo con una capa de carbón obtenida por pirólisis al calentar acetona en vacío dinámico, para evitar la reacción del Aluminio con el cuarzo.

Cápsula de cuarzo con pirólisis de carbón | @iamphysical

Este proceso de pirólisis lo hacemos en vacío dinámico al impregnar las paredes internas de la cápsula con acetona, la conectamos a una bomba mecánica de 10-3 Torr y la introducimos en un horno de resistencia eléctrica de 800 ºC para la descomposición del compuesto orgánico.

Lo importante es obtener una gran parte útil del lingote en la zona central, donde se espera que la composición estequiométrica sea homogénea y la muestra esté libre de huecos y grietas.

En las siguientes imágenes les presento el mapeo de algunas muestras de CuIn1-XAlXTe2 para verificar la distribución homogénea de los elementos y descartar la presencia de zonas con fases secundarias.

https://cdn.steemitimages.com/DQmew8EeGgzm5gpd5NPWHndQFHhdKCrc2RrhxUvK4uRBj5w/image.png https://cdn.steemitimages.com/DQmRCLhCKrjcg4PTNijpDuVadLwdXkmqGFFNKhmzgWuDg5v/image.png
Mapeo de varias zonas del lingote de CuIn1-XAlXTe2 | @iamphysical

Se comprobó la distribución homogénea de los elementos químicos, no se determina la presencia de fases secundarias y mediante la caracterización estructural y óptica (no mostrada aquí) se comprueba que se trata de una aleación sustitucional de sitios cristalográficos de Aluminio en lugares ocupados por el Indio, por tratarse de elementos del mismo grupo en la tabla periódica.

Aportes de esta publicación.

El campo de estudio de los materiales semiconductores es muy amplio y de allí pueden derivar un gran número de proyectos enmarcados en varias líneas de investigación, es decir, existe una amplia gama de posibilidades para desarrollar tesis, pasantías y hasta iniciar el avance tecnológico con el estudio de nuevos materiales que pueden utilizarse en dispositivos optoelectrónicos.

En esta oportunidad mi objetivo fue el de dar a conocer algunas microfotografías de la superficie de algunos semiconductores que fueron sintetizados con diferentes metodologías desde el punto de vista del "crecimiento de cristales", como lo son: i) CuInTe2 estequiométrico, ii) CuInTe2 dopado con Níquel y iii) CuInTe2 en aleación sustitucional con Aluminio o mejor escrito como CuIn1-XAlXTe2, y por lo que he explicado en mis publicaciones anteriores, la introducción de cualquier elemento químico que provoque un cambio en la composición química ideal va a incidir en la modificación de sus propiedades estructurales, ópticas y eléctricas en un orden de magnitud que depende del porcentaje de ese factor de cambio.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

Optical absorption and photoluminescence of CuAlTe2
Pyrolysis
Thermoelectric properties of Ni-doped CuInTe2
Dopaje
○ L. Shay and J. H. Wernick. Ternary chalcopyrite semiconductors: growth, electronic properties and applications. Pergamon Press, New York, (1975).


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