Fabricación y caracterización de películas delgadas de óxidos transparentes con aplicaciones ópticas.

Los óxidos transparentes conductores (TCO′ s) son materiales compuestos conformados por oxígeno y un metal, que presentan una combinación única de alta estabilidad química, alta concentración electrónica y alta transparencia óptica. Por esta razón, el procesamiento de TCO′ s en película delgada va orientado hacia aplicaciones específicas tales como ventanas ópticas en celdas solares, sensores de gases, electrodos en dispositivos de pantallas planas, ventanas inteligentes. En este proyecto se trabajó en la síntesis experimental de dos TCO′ s relevantes tanto en investigación fundamental como en aplicaciones tecnológicas: el óxido de indio (In2O3) y el óxido de estaño (SnO2). Ambos TCO′ s se depositaron por la técnica de erosión iónica reactiva por corriente directa (DC). Para el análisis de las películas se utilizaron varias técnicas de caracterización: difracción de rayos X, espectroscopia UV-Visible, resistividad eléctrica, efecto Hall, así como microscopías electrónica de barrido y de fuerza atómica. Se fabricó también una bicapa de In2O3/SnO2, la cual se caracterizó además con espectroscopia de fotoemisión de rayos X (XPS).En esta tesis se reporta por primera vez la síntesis y caracterización de esta bicapa, la cual abre una línea de investigación en el área de interfaces. Asimismo, se desarrolló e implementó un procedimiento, basado en los modelos ópticos, tal que permite obtener parámetros que se utilizan para evaluar a cualquier película delgada TCO como potencial metamaterial. Las propiedades de las muestras se analizaron en función de la temperatura aplicada post-depósito: temperatura ambiente (TA), 100oC, 200oC, 300oC, bajo una atmósfera de argón o argón-oxígeno. Los resultados confirman que las películas presentan un crecimiento de tipo poli cristalino. Además, la calidad cristalina tiende a incrementarse como función del incremento de la temperatura. El In2O3 creció con estructura cúbica bcc (a=10.11 ˚A, ICDD #71-2195). A partir de 200C, se detectaron trazas de la fase romboédrica (a=5.490 ˚A, c=14.520 ˚A, ICDD #73-1809). Asimismo, el SnO2 creció con estructura tetragonal (a = 4.737 ˚A, c = 3.186 ˚A, ICDD #88-0287). Las películas de In2O3 poseen una transparencia promedio del 90 % en una ventana de 500 nm a 1100 nm. El borde de absorción se recorre al azul como función de la temperatura, de Eg=3.3 eV a Eg=3.7 eV por el efecto Burstein-Moss. Por otra parte, la bicapa presentó una interfaz claramente definida, sin difusión de especies metálicas. Al incrementarse la temperatura, de TA a 400oC, se detectaron dos fases de óxido de estaño: SnO2 y SnO, en un porcentaje atómico de ≈70 %:30 %, respectivamente. Se concluye que los parámetros y valores obtenidos de las películas como son el texturizado y espesor homogéneo, alta transparencia, crecimiento preferencial, ancho prohibido y resistividad eléctrica, son comparables a los que se requieren del In2O3 y SnO2 en película delgada para aplicaciones optoelectrónicas.

Síntesis, caracterización, propiedades eléctricas y electroquímicas de Na₃V₂-xAlx(PO₄)2F₃ (x=0,0.02, 0.05, 0.1) como cátodos para su aplicación en baterías de ion-litio

Propósito y Método del Estudio: La demanda de baterías recargables ha aumentado de manera significativa cada año durante la última década impulsada por las necesidades vinculadas con el desarrollo tecnológico (portabilidad, alto desempeño de dispositivos electrónicos, vehículos eléctricos). La batería ión-litio es el dispositivo de mayor consumo, está diseñado para el almacenamiento y conversión de energía eléctrica basado en electrodos de intercalación. En la actualidad los esfuerzos están dirigidos a la mejora y/o remplazo de los componentes actuales de las baterías: ánodo, cátodo (LiCoO2) y electrolito, por materiales que tengan más altos rendimientos en términos de energía, potencia, costo, confiabilidad, tiempo de vida y seguridad. En este trabajo de investigación se prepararon y caracterizaron cuatro compuestos Na3V2-xAlx(PO4)2F3 (x= 0, 0.02, 0.05, 0.1) como materiales catódicos para baterías ión-litio. Estos materiales se obtuvieron mediante el método Pechini. La caracterización morfológica y microestructural se llevó a cabo por Microscopia Electrónica de Barrido de Emisión de Campo (FESEM), el análisis textural por Fisisorción de N2 por la técnica BET; la composición química y cristalográfica se determinó por Espectroscopia de Emisión de Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP-OES), Espectroscopia de Energía Dispersiva de Rayos X (EDXS) y Difracción de Rayos X (XRD), mientras que por Espectroscopia de Impedancia Electroquímica (EIS) se realizó la caracterización eléctrica; por último la aplicación de los materiales como cátodos en baterías ión-litio se evaluó mediante pruebas Galvanostáticas de carga/descarga. Contribuciones y Conclusiones: Se establecieron las condiciones de síntesis para los materiales Na3V2-xAlx(PO4)2F3 x= 0, 0.02, 0.05 y 0.1 vía método Pechini. El dopaje de la fase Na3V2-xAlx(PO4)2F3 se llevó a cabo con éxito hasta x=0.1 moles de aluminio, dado que se conservó la estructura cristalina tetragonal del Na3V2(PO4)2F3 (JCPDS 01-089-8485). Los materiales obtenidos tienen una microestructura formada por partículas de forma granular de tamaño nanométrico (40-100nm), esto se atribuye al efecto del carbono residual en la muestra (en promedio 8% en peso) ya que inhibe el crecimiento de partícula, además que permite mejorar el contacto entre las partículas lo que beneficia a la conductividad electrónica del material. Los materiales obtenidos tienen en promedio un tamaño de poro de 20 nm, con un área superficial del orden 30 m2/g. La fase con 0.05 moles de aluminio presentó el mejor resultado bajo las condiciones de estudio. Conjuga dos de las características básicas de una batería, presenta una alta capacidad de carga/descarga (123/101 mAh/g a un voltaje de celda de 4.4 V vs Li) y una buena capacidad de retención (82%), en comparación al material sin dopar (128/63 mAh/g y 49% de retención). Por lo anterior, el dopaje de la fase Na3V2(PO4)2F3 con Al, logró la estabilización de la estructura frente a los procesos de ciclado. Por lo cual es un material prometedor para su aplicación como cátodos en baterías ión-litio o ión-sodio.

Síntesis y caracterización de películas delgadas del sistema CuₓSnᵧSz

Recientemente, debido al alto consumo energético, la investigación de nuevos materiales semiconductores de bajo costo y no tóxicos para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos ha sido de gran interés. En el presente proyecto se sintetizaron y caracterizaron películas delgadas de Cu2SnS3 y Cu4SnS4, obtenidas mediante la combinación de las técnicas de depósito por baño químico y evaporación térmica. Se obtuvieron películas delgadas de SnS de estructura ortorrómbica de 350 nm de espesor mediante baño químico como películas precursoras. Se depositaron capas de Cu (30, 50, 75 y 150nm) mediante evaporación térmica. Calentando las muestras de SnS con capas de Cu evaporado en presencia de azufre elemental (sulfurización) a 400 oC (10 oC/min) se promovió la formación de las fases ternarias Cu2SnS3 y Cu4SnS4. Los resultados de difracción de rayos-X indicaron que para el caso de las muestras con poca cantidad de Cu (30 nm), la fase binaria secundaria (SnS2) se forma junto con la fase ternaria Cu2SnS3-cúbica. Con 75nm de Cu (400 oC) solamente la fase ternaria Cu2SnS3-tetragonal está presente, y con 150 nm de Cu (400 ̊C) la fase secundaria se forma (Cu7S5). Al incrementar la temperatura de sulfurización a 450 ̊C para la condición de 150 nm de Cu, se obtiene la formación de la fase ternaria Cu4SnS4-ortorrómbica. Las propiedades ópticas para la fase Cu2SnS3-tetragonal con un espesor de 480 nm indicaron que esta presenta una transición óptica directa con brecha de energía en el rango 0.96 eV. La fase Cu4SnS4-ortorrómbica con un espesor de 760 nm, presentó una transición óptica indirecta con una brecha de energía alrededor de 0.5 eV. Además, ambas fases presentaron coeficientes de absorción óptica superiores a 104 cm-1 en el rango visible (1.6 - 3.3 eV). Las muestras no presentaron fotorrespuesta. La fase Cu2SnS3-tetragonal, mostró una conductividad eléctrica a temperatura ambiente de 17 Ω-1 cm-1 (tipo-p), con una movilidad de huecos de 3.62 cm2/V s y una concentración de huecos de 1019 cm-3, mientras que para la fase Cu4SnS4-ortorrómbico, la conductividad fue de 11 Ω-1 cm-1 (tipo-p), con una movilidad y concentración de huecos de 3.75 cm2/V s y 1019 cm-3, respectivamente.