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2. Fabricación de Dispositivos Optoelectrónicos a partir de Semiconductores
Orgánicos.
3. Resumen.
Actualmente, el principal componente de los dispositivos optoelectrónicos es el
silicio, que se caracteriza por ser un semiconductor inorgánico en el que la
conductividad eléctrica se incrementa por medio de dos caminos: aumentar la
temperatura o introducirle dopantes. Si bien el silicio es uno de los materiales más
abundantes de la corteza terrestre, ya que se encuentra presente en la arena de
mar (como SiO2), frecuentemente está enlazado químicamente con otros elementos,
haciendo que su extracción y aislamiento sean procesos costosos, que requieren de
alta tecnología. El objetivo del presente Proyecto es reemplazar al silicio como
componente de dispositivos optoelectrónicos, por semiconductores orgánicos del
tipo de las Ftalocianinas Metálicas, que otorguen no solo una eficiencia similar a la
obtenida en dispositivos que emplean al silicio, sino también que provean
propiedades adicionales a la semiconductividad, con el fin de otorgar a los
dispositivos fabricados, no solo una eficiencia adecuada, sino aplicaciones más
variadas que aprovechen propiedades ópticas o fotocrómicas, como las que deben
tener los OFETs (organic field-effect transistor). Se diseñaron y fabricaron dos
diferentes tipos de dispositivos NPN, utilizando Ftalocianina Metálica de Cobalto
(CoFt). Los dispositivos fueron fabricados mediante la técnica de evaporación al alto
vacío sobre diferentes tipos de sustratos, posteriormente se recocieron para arreglar
la estructura interna de los mismos y finalmente, se caracterizaron por medio de las
Espectroscopias FT-IR, UV-vis y Microscopía Electrónica de Barrido (MEB).
Adicionalmente se obtuvieron los GAP (tamaño de la brecha energética) utilizando
el modelo de Tauc y el programa Origin, esto con el fin de determinar si el GAP
obtenido es similar al del silicio. El resultado para el dispositivo de CoFt en términos
del gap indirecto fue 2.43 eV, mientras que para el gap directo fue de 2.50 eV. Al
comparar estos resultados con el del silicio cuyo valor de GAP es en promedio 1.7
eV, se observa que los valores obtenidos son superiores, sin embargo, se
consideran dentro del rango funcional para semiconductores orgánicos (2.0 - 3.6
eV), lo que los hace fuertes candidatos para su uso en dispositivos optoelectrónicos,
debido además a la facilidad de fabricación con respecto a los del silicio.
4. Introducción.
4.1 Marco Teórico
4.1.1. Semiconductores
Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior
a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El
semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la
naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el
selenio. El silicio, es el elemento más abundante en la naturaleza, después del
oxígeno, otros semiconductores son el germanio y el selenio
Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones,
denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la
que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos
vecinos, formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente, algunos electrones
de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente
y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a
estos electrones, que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial
eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo.
El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los siguientes
fenómenos:
● Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el
polo positivo de la pila.
● Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo
negativo de la pila. Los huecos son la ausencia de un electrón en la banda de
valencia y se forman cuando la banda pierde un electrón. Una banda de
valencia completa es característica de los semiconductores y de los aislantes.
● Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado,
siendo constante en todo momento el número de electrones dentro del cristal
de silicio.
● Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el
conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente
eléctrica.
Según Carl R. Nave, (2010), la adición de un pequeño porcentaje de átomos
extraños en la red cristalina regular de silicio o germanio, produce cambios en sus
propiedades eléctricas, dando lugar a los semiconductores de tipo n y tipo p. Un
semiconductor dopado con impurezas pentavalentes se dice que es de tipo N,
mientras que un semiconductor dopado con impurezas trivalentes se dice que es de
tipo P (semiconductor dopado = impurezas añadidas voluntariamente para
incrementar su conductividad eléctrica).
Aunque como se mencionó anteriormente, el semiconductor más utilizado es el
silicio, seguido de otros semiconductores inorgánicos como el germanio, selenio o
arsenuro de galio, existe actualmente el desarrollo tecnológico de los denominados
“semiconductores orgánicos”, que pudieran llegar a competir con los inorgánicos por
sus adecuadas propiedades eléctricas, pero con un costo de fabricación inferior al
de los inorgánicos, además de la reducción considerable de residuos
contaminantes, que se generan actualmente durante la manufactura de los mismos.
4.1.2 Semiconductores orgánicos
Un semiconductor orgánico es un compuesto orgánico bajo la forma de un cristal o
un polímero, que muestra propiedades similares a las de los semiconductores
inorgánicos. Los semiconductores orgánicos se pueden dividir en dos familias:
polímeros (formados por largas cadenas de monómeros) y oligómeros (formados
por una o pocas moléculas.). Los semiconductores orgánicos son capaces de
ofrecer soluciones a los diferentes problemas con los que nos enfrentamos hoy en
día, a través del uso inteligente de sus propiedades intrínsecas (son económicos,
flexibles, transparentes y ligeros), lo que permite dar lugar a nuevos conceptos y
diseños de dispositivos electrónicos. El mejor ejemplo lo encontramos en los diodos
orgánicos emisores de luz (OLED). Estos, fueron los primeros dispositivos basados
en materiales orgánicos que se produjeron a gran escala y han revolucionado la
industria de las pantallas, al ofrecer un hardware que consume mucha menos
energía y que ofrece una mayor calidad, además de utilizar menos espacio físico.
Hoy en día los podemos encontrar en los teléfonos móviles y en los televisores ultra
planos y de alta resolución, lo que permite soluciones únicas tales como los
televisores curvos y las pantallas transparentes.
El profesor Jason Locklin (2009), del Franklin College of Arts and Science, trabaja
con semiconductores orgánicos para crear una nueva clase de componentes
electrónicos. Locklin menciona en una entrevista que los semiconductores orgánicos
formaran parte en un futuro, como “fuente de alimentación destinada a proveer de
energía eléctrica a los dispositivos electrónicos. Actualmente hay un número
creciente de investigadores a nivel mundial que tratan de desarrollar nuevos
semiconductores orgánicos no solo para aplicaciones en electrónica, sino también
para el aprovechamiento de energías limpias como la solar, en su uso como
componentes de dispositivos fotovoltaicos.
4.1.3 Caracterizaciones de los Semiconductores
La caracterización de los materiales semiconductores dispone de la infraestructura
necesaria para identificar y cuantificar los elementos presentes en una muestra, así
como fases cristalinas, estados de oxidación y estructuras moleculares. La
caracterización es fundamental ya que gracias a ella se puede determinar con sumo
detalle, la composición química del semiconductor, su estructura, morfología y
propiedades, con el fin de establecer posibles aplicaciones y usos de este tipo de
materiales. Cabe mencionar que la caracterización debe realizarse tanto en
semiconductores inorgánicos como en los orgánicos.
Cuando se quita un electrón al átomo, éste se desequilibra, pasando a tener carga
positiva. Esto es lo que se conoce como ionización, ya que lo convertimos en un ion
positivo o catión. Si por el contrario, el átomo no tiene su última capa llena y, por
cualquier circunstancia le llega un electrón nuevo a esta capa, quedará cargado
negativamente (un electrón más que protones tenía). Se convierte en un ion
negativo o anión.
El carbono, el silicio, el germanio y el estaño tienen en su última capa 4 electrones,
se les llama tetravalente, porque pueden ceder 1, 2,3 o 4 electrones. Son materiales
que ocupan una oposición intermedia entre los aislantes y los conductores. Suelen
ser aislantes a cero grados Kelvin, y permiten el paso de corriente a la temperatura
ambiente. Los únicos elementos semiconductores puros son carbono, germanio y
silicio, el resto de los semiconductores son compuestos químicos que deben ser
caracterizados por medio de técnicas diversas como la Espectroscopía Infrarojo
(IR), la Espectroscopía Ultravioleta-Visible (UV-Vis) y la Microscopía Electrónica de
Barrido (MEB) con Espectroscopía de Energía Dispersa (EDS) principalmente.
4.1.4 Espectroscopia IR
Es un tipo de espectrometría de absorción que utiliza la región infrarroja del
espectro electromagnético mostrado en la Figura 1, y es utilizada para identificar un
compuesto o investigar la composición química de una muestra a través de su
enlace químico, siempre y cuando sea del tipo covalente. Se basa en el hecho de
que los enlaces químicos de las sustancias tienen frecuencias de vibración
específicas, que corresponden a los niveles de energía de la molécula. Estas
frecuencias dependen de la forma de la superficie de energía potencial de la
molécula, la geometría molecular, las masas atómicas y, posiblemente, el
acoplamiento vibracional. En la Figura 1 se observa como por ejemplo, los enlaces
C=O, C=N y C=C se encuentran en la región del espectro IR comprendida entre
1800 y 1500 cm-1.
Figura 1. Región IR del Espectro Electromagnético para algunos tipos de enlaces
covalentes
4.1.5 Espectroscopia UV-Vis
De acuerdo con la Universidad de Alicante (2006*) la espectroscopia UV-Vis está
basada en el proceso de absorción de la radiación ultravioleta-visible (radiación con
longitud de onda comprendida entre los 160 y 780 nm del espectro
electromagnético) por una molécula. La absorción de esta radiación causa la
promoción de un electrón a un estado excitado. Los electrones que se excitan al
absorber radiación de esta frecuencia son los electrones de enlace de las
moléculas, por lo que los picos de absorción se pueden correlacionar con los
distintos tipos de enlace presentes en el compuesto. Todas las técnicas de
absorción suponen que cuando una radiación incide sobre una muestra se produce
una absorción parcial de esta radiación, lo que hace que se produzca una transición
entre los niveles energéticos de la sustancia: átomo, molécula o ion pasando al
estado excitado, el resto de radiación es transmitida. Así analizando una u otra
podemos relacionar la cantidad de especie activa presente en la muestra. Debido a
ello, la espectroscopia UV-Vis se utiliza para la identificación de los grupos
funcionales presentes en una molécula. Las bandas que aparecen en un espectro
UV-Vis son anchas debido a la superposición de transiciones vibracionales y
electrónicas.
Figura 2. Espectro electromagnético que comprende la radiación Ultravioleta y la
radiación visible
4.1.6 MEB
La Universidad Politécnica de Valencia (2012) define al microscopio electrónico de
barrido, como un instrumento capaz de ofrecer un variado rango de informaciones
procedentes de la superficie de la muestra. Su funcionamiento se basa en barrer un
haz de electrones sobre un área del tamaño que deseemos (aumentos), mientras en
un monitor se visualiza la información que hayamos seleccionado en función de los
detectores que hayan disponibles (Figura 3). Con este tipo de microscopio se
pueden realizar estudios de los aspectos morfológicos de zonas microscópicas de
los distintos materiales con los que trabajan los investigadores de la comunidad
científica y las empresas privadas, además del procesamiento y análisis de las
imágenes obtenidas. Por medio de la MEB se pueden obtener aumentos superiores
a los 10000x, que permiten analizar a detalle las imágenes obtenidas.
El microscopio electrónico de barrido puede estar equipado con diversos detectores,
entre los que se pueden mencionar: un detector de electrones secundarios para
obtener imágenes de alta resolución SEI (Secundary Electron Image), un detector
de electrones retrodispersados que permite la obtención de imágenes de
composición y topografía de la superficie BEI (Backscattered Electron Image), y un
detector de energía dispersiva EDS (Energy Dispersive Spectrometer) permite
colectar los Rayos X generados por la muestra y realizar diversos análisis e
imágenes de distribución de elementos en superficies pulidas. Por medio del EDS
se puede obtener la composición química, ya que proporciona información sobre los
elementos químicos presentes en una muestra.
En el estudio de materiales la MEB se utiliza para la caracterización microestructural
de materiales. Identificación, análisis de fases cristalinas y transiciones de fases en
diversos materiales tales como metales, cerámicos, materiales compuestos,
semiconductores, polímeros y minerales. Composición de superficies y tamaño de
grano. Valoración del deterioro de materiales, determinación del grado de
cristalinidad y presencia de defectos. Identificación del tipo de degradación: fatiga,
corrosión, fragilización, etc.
Figura 3. Columna del microscopio electrónico de barrido
Además de los métodos de caracterización mencionados, existen otros como son la
Microscopía de Fuerza Atómica (MFA), la Espectrometría de Masas, el Análisis
Elemental y la Resonancia Magnética Nuclear que pueden llegar a utilizarse para
conocer a detalle la composición no solo de semiconductores, sino de una gran
variedad de materiales. En términos de semiconductores tanto inorgánicos como
orgánicos, la caracterización tiene como función conocer a detalle este tipo de
materiales, con el fin de utilizarlos en la fabricación de dispositivos, principalmente
electrónicos.
4.1.6 Dispositivos Electrónicos
Son dispositivos que permiten convertir señales ópticas en señales electrónicas, o
viceversa. Los dispositivos electrónicos pueden ser de varios tipos:
Diodo: según la Universidad de Buenos aires en (2011). Los diodos son dispositivos
semiconductores que permiten hacer fluir la electricidad solo en un sentido. La
flecha del símbolo del diodo muestra la dirección en la cual puede fluir la corriente.
Los diodos son la versión eléctrica de la válvula o tubo de vacío y al principio los
diodos fueron llamados válvulas.
Figura 4. (a) Esquema eléctrico de un diodo y (b) Esquema eléctrico de un
fotodiodo
Fotodiodo: según la Universidad de Buenos aires en (2011) Un fotodiodo es un
diodo PN construido de modo tal que la luz pueda alcanzar la juntura PN y generar
portadores debido al efecto fotoeléctrico. De este modo, se producirá́ una corriente
eléctrica proporcional a la intensidad de la luz incidente. El funcionamiento del
fotodiodo radica en la separación de los pares electrón-hueco generados por la
radiación que atraviesa la zona desierta de la juntura PN. El campo eléctrico de
presente en la juntura es el que inhibe una rápida recombinación de los pares
generados que son arrastrados hasta las regiones cuasi-neutrales, generando así́
una corriente eléctrica.
Transistores: Según la Universidad de Buenos aires en (2011). Un transistor es un
componente que tiene, básicamente, dos funciones:
● Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una pequeña señal de
mando.
● Funciona como un elemento amplificador de señales.
● En cantidades pequeñas y discretas, los transistores pueden utilizarse para
crear conmutadores electrónicos simples y circuitos de amplificación de
señales. En cantidades de miles, millones e incluso miles de millones, los
transistores están interconectados e incrustados en pequeños chips para
crear memorias informáticas, microprocesadores y otros circuitos integrados
complejos. Existen dos tipos de transistor básico: la unión bipolar (BJT) y el
efecto de campo de óxido metálico (MOSFET).
Figura 5. (a) Esquema eléctrico de un transistor y (b) Esquema de una celda
fotovoltaica
Celda fotovoltaica o solar: según la Universidad de Buenos Aires (2011) la celda
fotovoltaica se utiliza generalmente como parte constitutiva de un panel solar, o
como un componente central del circuito de recarga de las baterías para equipos
portátiles o que operan en regiones sin acceso a la red eléctrica. Por lo tanto, el
campo de aplicación de las celdas fotovoltaicas es inmenso: desde relojes y
calculadores hasta dispositivos de señalización, comunicación y satélites.
Las celdas fotovoltaicas están hechas de materiales especiales
llamados semiconductores tales como el silicio, que es el material más usado.
Cuando la luz solar choca en la celda una cierta porción de ella es absorbida dentro
del material semiconductor. Esto significa que la energía de la luz absorbida es
transferida al semiconductor. La energía golpea los electrones libres permitiéndoles
fluir libremente.
Todas celdas fotovoltaicas tienen uno o más campos eléctricos que actúan para
forzar a los electrones liberados por la acción de la luz para fluir en una cierta
dirección. Este flujo de electrones es una corriente y poniendo los contactos de
metal en la parte superior e inferior de la celda fotovoltaica podemos dibujar la
corriente para usarla externamente. Esta corriente junto con el voltaje de celda,
define la potencia que puede entregar la celda solar.
4.2. Objetivos.
4.2.1 Objetivo general
Fabricar dispositivos para optoelectrónica NPN (OFETs), utilizando semiconductores
orgánicos como la ftalocianina (Ft) y el tetraciano-quino-dimetano (TCNQ).
4.2.2 Objetivos específicos
● Preparar sustratos de vidrio Corning, Silicio monocristalino y vidrio Corning
con contacto conductor transparente de óxido de indio (ITO).
● Diseñar dispositivos orgánicos para optoelectrónica, por medio del software
3D Builder.
● Depositar semiconductores orgánicos como películas delgadas tomando
como referencia los diseños CAD para los dispositivos orgánicos.
● Cerrar el circuito de cada dispositivo orgánico con el depósito de electrodos
de plata.
● Obtener el GAP del sistema de semiconductores orgánicos para cada
dispositivo fabricado.
4.3. Planteamiento del Problema.
En la actualidad las grandes empresas tecnológicas tienen la tarea de reproducir en
enormes cantidades, los componentes electrónicos usados en diversos dispositivos.
Esta tarea se ha vuelto un gran problema ya que la producción de dichos
dispositivos es muy cara ya que la tecnología para obtener la materia prima, en este
caso el silicio, está disponible sólo en algunos países de primer mundo. El proceso
en el cual se separa el silicio de los demás componentes de la arena (SiO2) es muy
complejo y este proceso se tiene que realizar en un cuarto limpio en el cual no hay
impurezas, por lo que hay pocos lugares en donde existe este tipo de ambiente. En
el caso de México, las empresas de tecnología llegan a nuestro país para conseguir
mano de obra a bajo costo, pero no traen la tecnología necesaria para realizar todo
el proceso. Al desarrollar nuevas tecnologías como la que se propone en este
proyecto, sin la necesidad de usar el silicio como componente principal, impulsa el
crecimiento del país y crea la posibilidad de que empresas extranjeras inviertan en
el mismo.
Es importante señalar, por un lado, que el mayor número de empresas de corte
electrónico en México se encuentra en los estados de Puebla y Guadalajara. Este
sector está integrado por la industria de manufactura eléctrica, constituida por
empresas maquileras dedicadas a la fabricación de equipos y accesorios para la
transmisión, distribución y control de energía, y la industria electrónica, que abarca
la producción de aparatos electrónicos para consumo final, como electrodomésticos,
equipo médico, computadoras, equipo de telecomunicación móvil y
semiconductores. En donde cada vez más empresas de esta última ciudad, están
dedicadas a la electrónica, incorporando áreas de desarrollo de productos
electrónicos con valor agregado para poder competir con empresas asentadas en
países asiáticos. Esto implica la demanda de recursos humanos expertos en diseño
electrónico para poder satisfacer las necesidades de la industria regional en el corto
y mediano plazo. La estructuración de programas de formación de expertos en
diseño de componentes y equipo electrónico y de telecomunicaciones por
universidades ubicadas en esta región del país, se convierte en una necesidad que
al ser atendida, puede provocar la llegada de más empresas de semiconductores,
ya no de maquila sino de diseño, con un efecto positivo que se vería reflejado en el
fortalecimiento del distrito electrónico y la generación de empleos en el país en el
largo plazo. El que las empresas se instalen en México sería un gran avance en lo
que corresponde a la tecnología y economía del país.
4.4. Hipótesis.
● Se puede reemplazar el silicio con un semiconductor orgánico creado en el
laboratorio, con características similares a este semiconductor inorgánico, de
forma económica y viable.
● La evaporación al alto vacío es una técnica de depósito de películas delgadas
que puede ser utilizada para la fabricación de dispositivos orgánicos.
● El GAP de los semiconductores que fabricamos es muy parecido al GAP del
silicio.
5. Desarrollo.
El proyecto está dividido en tres grandes partes: (1) el Diseño de los Dispositivos
optoelectrónicos a fabricar, (2) Fabricación y Caracterización de los Dispositivos y
(3) Evaluación del GAP en los Dispositivos. A continuación, se detallarán cada una
de ellas.
5.1 Diseño CAD de Dispositivos orgánicos
El diseño de los dispositivos orgánicos se realizó con ayuda del software 3D Builder.
En este programa se insertan varios objetos y se les da las medidas deseadas.
Durante este proyecto se utilizaron cuatro modelos diferentes con base a modelos
encontrados en internet y que se muestran a continuación.
Figuras 6. Modelos 3D de los dispositivos realizados (a) Rojo → p+, Naranja → p-,
Morado → n. (b) Morado → n, Amarillo → p. (c) Verde (abajo) → n+, Rojo → p+,
Naranja → p, Verde (medio) → n-
1. Para llevar a cabo el diseño, se comenzó con un rectángulo de 150 mm de
ancho por 150 mm de profundidad y por 40 mm de altura. Estas medidas
fueron establecidas con base en los sustratos para depósito de dispositivos,
con que cuenta el laboratorio de materiales avanzados de la Universidad
Anáhuac México, donde se realizó el presente proyecto.
2. A continuación, se inserta un nuevo objeto con las mismas medidas, pero
con un color que representa una parte diferente del dispositivo.
3. Finalmente se completa el modelo con otra capa de igual tamaño y color que
la primera. Esto si se quiere construir un dispositivo tipo transistor PNP o si lo
que se requiere es uno NPN.
Debido al grado de complejidad que implica fabricar los diferentes tipos de
dispositivos en el laboratorio, se eligieron como definitivos los que se muestran en la
figura 6.
5.2 Fabricación y Caracterización de los Dispositivos
Esta sección completamente experimental, se llevó a cabo en diferentes etapas que
se detallan a continuación y para las cuales se da la lista de compuestos químicos,
materiales y equipos utilizados.
Compuestos Químicos utilizados.
Acetona, metanol, cloroformo, isopropanol, ftalocianina de cobalto y de fierro, silicio
monocristalino, vidrio Corning con película conductora de óxido de indio,
tetraciano-quino-dimetano.
Materiales utilizados.
Crisoles de tungsteno y de tantalio, pinzas de acero inoxidable, cúter de punta de
diamante, vasos de precipitado, cajas de Petri, mortero de ágata, plumones, regla,
gomas, guantes de hule látex, algodón, soporte universal con anillo de hierro,
espátula, papel de relojero, baño limpia-vidrios, separador de películas de plástico,
cinta de aislar, picetas, llaves Allen, pinceles, tijeras y cinta de carbón de doble cara.
Equipos utilizados.
Baño ultrasónico Branson 2800, Pistola de aire caliente Milwaukee 8975,
Evaporador Intercovamex TE12 con platinas de acero y latón, Recirculador de agua,
Campana de extracción de humos, Recirculador de agua PolyScience, Equipo para
medir corriente Keithley 4200-SCS-PK1 pico-ammeter, sensor de cuatro puntas next
robotics con cambio de iluminación, sensor de cuatro puntas next robotics con
cambio de temperatura, multímetro clamp digital multitest Steren, termómetro
infrarojo, microscopio electrónico de barrido Zeiss MA10, espectrofotómetro Nicolet
IS5-FT espectofotografo de rayos UV-VIS unicam modelo UV300.
Software empleado
Origin Pro 9.4, Omnic, 3D builder
5.3 Corte y limpieza de sustratos
En esta primera parte, se procedió a preparar los sustratos sobre los que se
depositarían las películas delgadas de semiconductores orgánicos, que
posteriormente formarían los dispositivos. Se prepararon sustratos de silicio
monocristalino, vidrio Corning, Cuarzo y vidrio Corning con película conductora de
óxido de indio. Adicionalmente también se tuvieron que limpiar crisoles de tantalio.
1) El corte de una oblea de silicio de 10 cm de diámetro se realizó con un
cúter de punta de diamante. Se trazaban los cortes con un plumón y se procedía a
realizar el corte para obtener rectángulos de silicio. Durante este proceso se
encontraron diversas dificultades debido a la fragilidad de este elemento. Este
procedimiento se realiza de manera similar para el resto de los sustratos.
2) Para la limpieza de los crisoles de tantalio, sustratos de cuarzo y silicio, se
utilizó la técnica de baño ultrasónico. En este proceso se sumergen los
componentes en cloroformo durante 5 minutos dentro del baño ultrasónico. A
continuación, se cambian de vaso de precipitado los componentes a uno que
contiene metanol y se realiza el mismo proceso que con el vaso de precipitado que
contiene cloroformo. Los pasos anteriores se repiten dos veces más para un total de
tres veces. Una vez acabado este proceso se cambian una vez más los
componentes a un vaso de precipitado con acetona y se sumerge 5 minutos en el
baño ultrasónico. Para finalizar el proceso se secan los componentes con una
pistola de aire caliente.
5.4 Depósito de películas delgadas
1) En este proceso se colocan diversos compuestos para su evaporación en
el Evaporador al alto vacío para el depósito de películas delgadas. El proceso inicia
preparando la materia prima para la evaporación, esta se prepara moliendo en un
mortero de ágata el compuesto principal y colocándolo en un crisol de tantalio. En la
primera evaporación la materia prima fue tetraciano quino dimetano (TCNQ).
Después se colocan en el Evaporador los sustratos de vidrio Corning y vidrio
Corning con contacto conductor de óxido de indio. A continuación, se coloca la
campana de cristal que permite la creación de vacío.
2) El siguiente paso es prender el recirculador de agua y esperar a que
alcance una temperatura de 18°C. Después se sigue el Manual de operación del
evaporador Intercorvamex TT para prender el equipo. A continuación se espera a
que la presión dentro de la campana llegue a torr (esto lo indica el sensor de x105 −3
vacío Pirani) para encender la bomba turbo. Una vez alcanzadas las 90,000
revoluciones por minuto (rpm) en la bomba turbo del Evaporador, se espera 2 horas
y media para que se cree un vacío de torr (esto lo indica el sensor de 0x101 −1
cátodo frio). A continuación, se pone la bomba turbo en standby para que las
revoluciones bajen a 60,000 y se pueda comenzar la evaporación. Una vez
alcanzadas las 60,000 rpm se cierra la válvula aislante completamente para
después abrir la misma válvula dos vueltas. Se apaga el sensor de cátodo frio para
evitar impurezas y se procede a encender la fuente de evaporador. Se elige el
puerto de evaporación en el cual se colocó el crisol de tantalio para comenzar a
incrementar la corriente y llegar a 150 amperes para después ir subiendo
gradualmente la corriente para realizar la evaporación. La evaporación se da gracias
a que el crisol de tantalio actúa como resistencia y convierte la corriente eléctrica en
calor. Para finalizar el proceso se apaga la fuente de evaporador y se abre la válvula
de aislamiento. Después se apaga la bomba turbo y una vez que esta llegue a 0 rpm
se apaga la bomba mecánica. Una vez apagada la bomba mecánica se procede a
abrir la válvula de venteo. Finalmente se retira la campana y las muestras.
3) La limpieza del equipo se realiza una vez retirado los sustratos y la
campana de cristal. Se realiza limpiando la superficie de la campana con toallas
multiusos y acetona. Después de esto se realiza otra limpieza con alcohol
isopropilico. La base del equipo se limpia de la misma manera que la campana de
cristal. Además de limpiarla con tallas multiusos, se utilizan pinceles con los que se
limpia el residuo de la evaporación.
5.5 Cierre de circuitos eléctricos en dispositivos orgánicos
A cada uno de los dispositivos se le colaron 12 puntos de pintura de plata
conductiva y 12 de pintura de carbón conductivo, después de esto se metieron los
dispositivos a un horno novatech para que la pintura se disolviera de manera más
efectiva y así se pudieran obtener los electrodos de plata y carbón que se
esperaban para ver su efectividad y calidad de conductor de energía.
5.6 Cálculo del GAP
El cálculo del GAP en los dispositivos fabricados, se llevó a cabo utilizando el
modelo de Tauc que se utiliza para semiconductores orgánicos. Los pasos para
llevar a cabo este modelo es: (1) realizar la espectroscopía UV-Vis a los dispositivos
fabricados, obteniendo tanto el % de Transmitancia (radiación que deja pasar el
dispositivo), como la Absorbancia (radiación que absorbe el dispositivo), (2) graficar
por medio del software Origin, las gráficas de Transmitancia y Absorbancia en
función de la longitud de onda, (3) por medio de una plantilla de Excel con las
ecuaciones respectivas, calcular el coeficiente de absorción directo (αhν 2 ) y el
coeficiente de absorción indirecto (αhν 1/2 ) , así como la energía del fotón (hν) , (4)
graficar los anterior y obtener la tangente a cada curva y (5) obtener el valor en el
eje “x” del gap para cada dispositivo.
6. Resultados.
Estos resultados de tipo cualitativo se obtuvieron mediante la primera evaporación
del compuesto N TCNQ, pudimos observar que la capa era amarilla, después en la
segunda evaporación se depositaron dos compuestos los cuales eran los cuales
actuaron como capa P: ftalocianina de fierro el cual se destacó por ser de color azul
intenso y el otro de ftalocianina de cobalto el cual tenía un color azul de menor
intensidad a comparación del otro. Se realizó la otra capa N la cual también era de
TCNQ la cual fue de color amarillo y así se completó la elaboración de dos
dispositivos NPN en forma de pirámide con los compuestos anteriormente
mencionados (ftalocianina de fierro y ftalocianina de cobalto). Por último, se
completó el circuito con pintura de plata conductiva y de carbón conductivo para
después meterla al horno novatech para secar el disolvente de la pintura y así
obtener electrodos de plata y carbón.
Figura 7. Dispositivos de (a) ftalocianina de cobalto y (b) ftalocianina de fierro
Valor del GAP en Cobalto
GAP Directo 2.50
GAP Indirecto 2.43
Tabla I. Cálculo y valores del GAP
7. Análisis e Interpretación de Resultados.
En la gráfica obtenida del fierro no encontramos GAP, esto es una propiedad que
nos dice que este dispositivo es un conductor y no un semiconductor.
Figura 8. Gráficas dispositivos NPN de flalocianina de fierro (a) Absorbancia (b)
Porciento de Transmitancia (c) GAP directo (d) GAP indirecto
Figura 9. Gráficas dispositivos NPN de ftalocianina de cobalto (a) Absorbancia (b)
Porciento de Transmitancia (c) GAP directo (d) GAP indirecto. Información obtenida
a partir del software Origin.
Figura 10. Fotos en el microscopio de la primera capa de cobalto a 2500X y 15000X
Figura 11. Fotos en el microscopio de la segunda capa de cobalto a 5000X y
15000X
Figura 12. Fotos en el microscopio de la tercera capa de cobalto a 500X, 10000X y
15000X
En las figuras 10, 11 y 12 se pueden observar fotos tomadas en el MEB en
diferentes aumentos de las 3 capas de la película de cobalto. Se pueden observar
en las figuras como los círculos son las partículas de cobalto. La tercera capa es en
donde mejor se ve porque es la que está hasta arriba de las tres capas. Uno de los
descubrimientos más grandes que se pueden observar en estas imágenes es en la
figura 12 en donde la imagen a 15000X tiene partículas cristalinas, esto se
determina porque las partículas tienen blanco alrededor de ellas. Esto significa que
son muy buenos conductores. En las capas de 500X, 2500X y 5000X se puede
observar como no hay espacios blancos grandes, lo que quiere decir que el material
se impregnó bien en la película, y las bolitas grandes que podemos ver en estas tres
imágenes es material que no se evaporó de manera correcta, pero que no afecta
con la película.
Figura 13. Fotos en el microscopio de la primera capa de fierro a 5000X y 15000X
Figura 14. Fotos en el microscopio de la segunda capa de fierro a 5000X y 15000X
Figura 15. Fotos en el microscopio de la tercera capa de fierro a 2500X y 15000X
Se puede observar en las siguientes figuras como el fierro se impregnó de manera
correcta en las películas, porque no se observan espacios grandes y se ven muy
claramente las moléculas de fierro. Esto significa que las películas, de cobalto y
fierro, se crearon de manera correcta.
8. Conclusiones.
Lo que se puede concluir con los resultados que se obtuvieron es que si se puede
sustituir el silicio en los paneles solares. El material que se aproximó más a las
características del silicio fue el cobalto, esto se comprobó al calcular el gap, el cual
fue de 2.5, en comparación del gap del silicio que es 1.7. esto significa que es un
poco más grande que el del silicio, pero que puede ser efectivo en los paneles.
También se puede comprobar que el cobalto funciona en los paneles porque sus
particulas estan cristalinas, lo cual demuestra que es un buen conductor de energía.
En las pruebas de la película de Fierro se puede observar como no tiene un gap, lo
cual significa que no es un semiconductor sino un conductor, por lo cual no tiene las
características que se requieren para trabajar en el panel solar y es por eso que el
cobalto es el material ideal que se podría usar para reemplazar al silicio, ya que es
mucho más barato y no pierde energía a altas temperaturas.
Mediante la investigación se puede destacar que se pueden bajar costos en la
producción de paneles solares, debido a que la mayoría de las personas no pueden
comprar un panel solar por el precio, tengan una alternativa más económica.
Los resultados de tipo cualitativo se obtuvieron mediante la primera evaporación del
compuesto N TCNQ. En el MEB (microscopio electrónico de barrido) se observaron
en una de las tres capas de cobalto que se hicieron, se observo como las partículas
estaban cristalinas, lo cual significa que el producto que hicimos es un gran
conductor, y al medir el GAP se observo un GAP de 2.5, el cual significa que es un
buen semiconductor y es apro como dispositivo optoeléctrico. En las capas de fierro
se pudo observar como las partículas no están cristalinas y al probar el GAP se
observo que no tuvo GAP, por lo que no fue un semiconductor sino un conductor y
no serviría muy bien como dispositivo optoeléctrico.
Si se puede sustituir el silicio en los paneles solares y el cobalto fue el material que
más se aproximó al silicio, lo sabemos por el cálculo del GAP, el GAP del cobalto
fue de 2.5, el del silicio es de 1.7, significa que el cobalto no es igual de eficiente
que el silicio pero si funciona y se puede sustituir, sus partículas son cristalinas, por
lo tanto es un conductor de electricidad.
En las pruebas hechas al fierro se vieron características de un conductor, no un
semiconductor, por lo tanto no sirve para reemplazar al silicio.
Con la investigación se sacó la conclusión de que un medio más económico para la
producción de paneles solares podría ser el cobalto.
9. Fuentes de Información.
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http://www.oei.es/historico/divulgacioncientifica/?Los-semiconductores-
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