Micro y nanoestructuras de In₂O₃ e IZOsíntesis y propiedades ópticas, mecánicas y de superficie

Résumé

El óxido de indio es un óxido conductor transparente que se caracteriza por poseer una elevada conductividad eléctrica y una buena transparencia óptica dentro del espectro visible. Su uso está ampliamente extendido en la industria optoelectrónica, donde se emplea dopado con Sn para la fabricación de electrodos transparentes. Sin embargo, en los últimos años ha surgido un creciente interés por sus propiedades como material semiconductor, y por su empleo en forma micro y nanoestructurada en aplicaciones tan variadas como los sensores de gases o los transistores de efecto campo. Por otra parte, la escasez y elevado precio del In en el mercado ha impulsado la búsqueda de nuevos materiales capaces de reemplazar al Sn:In2O3 como electrodo transparente. Uno de los candidatos más prometedores es el sistema In2O3¿ZnO (IZO), cuyas propiedades se acercan a las del Sn:In2O3, manteniendo una concentración de In mucho menor.En esta tesis se estudia la síntesis de estructuras de baja dimensión de In2O3 e IZO mediante un proceso de evaporación térmica, y la caracterización de sus propiedades ópticas, mecánicas y de superficie, con vistas a posibles aplicaciones. Las estructuras de In2O3 se han sintetizado a partir de polvos de In2S3 sometidos a tratamientos térmicos a 950 ó 1000 ºC, en presencia de un flujo de Ar. La variación de los parámetros de los tratamientos permite controlar la morfología de las estructuras obtenidas, entre las que se cuentan microcristales, microbarras, y nanohilos. El estudio sistemático de la morfología y la orientación cristalina de las estructuras, determinadas mediante medidas de microscopía electrónica de barrido (SEM) y difracción de electrones retrodispersados, respectivamente, se ha empleado para la elaboración de un modelo de crecimiento. Los espectros de catodoluminiscencia (CL) indican una reducida concentración de vacantes de oxígeno salvo en las estructuras obtenidas a mayor temperatura, y las imágenes pancromáticas sugieren la presencia de dislocaciones en su interior, que podrían estar relacionadas con su proceso de crecimiento. Se ha comprobado que las microbarras pueden actuar como guías de onda, y sustentar modos ópticos resonantes en su interior, confinados en su sección transversal. El cambio de grosor de las barras a lo largo de su eje longitudinal modifica la condición de resonancia en función del punto explorado, permitiendo modular de forma predecible el espectro de resonancia, que unido a su factor de calidad de Q=350, hace posible su uso en aplicaciones prácticas como resonadores ópticos. El estudio de las propiedades mecánicas de las microbarras indica que éstas presentan modos resonantes trasversales con frecuencias de resonancia del orden de los kHz, y factores de calidad de entre 103 y 105 en función del tipo de anclaje empleado, lo que demuestra el potencial del In2O3 para su uso en resonadores micromecánicos. A partir de la frecuencia de resonancia y los parámetros geométricos de las microbarras se ha determinado un valor promedio de su módulo de Young de 145 GPa. Estos resultados se han comparado con los obtenidos mediante test de doblado en un AFM, obteniéndose una diferencia de tan sólo un 4%.Para la síntesis de micro y nanoestructuras de IZO se han empleado dos precursores distintos, consistentes en una mezcla de ZnO con InN (muestras N) o In2S3 (muestras S). El empleo de InN promociona el crecimiento 1D de microflechas, mientras que el uso de In2S3 favorece el crecimiento 2D de placas hexagonales. La incorporación del Zn en ambos casos es inhomogénea, e influencia la morfología de las estructuras obtenidas. Las medidas de espectroscopia de electrones fotoemitidos (XPS) y de CL apuntan a la formación de compuestos ternarios de IZO, y revelan que las estructuras de las muestras N presentan un comportamiento tipo n degenerado, con concentraciones de portadores libres de ~1020 cm-3, y una zona de vaciamiento en la superficie debido a la presencia de estados superficiales aceptores.