Nanoestructuras de semiconductores con aplicaciones en electrofotónica

Abstract

Desde hace décadas, se vienen invirtiendo grandes esfuerzos en la búsqueda de nuevos materiales semiconductores que puedan reemplazar a los existentes, llevando a desempeños superiores tanto en eficiencia como en costos de fabricación, seguridad y versatilidad para diversas aplicaciones. En este marco, las nanoestructuras de semiconductores han llegado a cobrar gran importancia debido a sus propiedades novedosas e interesantes que no se observan en materiales de dimensiones micrométricas o mayores, y que son de gran importancia no sólo para el desarrollo y mejoramiento de numerosos dispositivos electrónicos, fotónicos, y optoelectrónicos, sino también para la investigación fundamental de física de la materia. En particular, el ZnO presenta interesantes propiedades que lo llevan a ser candidato en la fabricación de nanoestructuras con muy buenas propiedades para la optoelectrónica. Algunas de esas propiedades son su banda de energía prohibida (gap) directa en el rango ultravioleta, una elevada energía de ligadura excitónica, una alta movilidad de electrones, y una facilidad para su crecimiento en forma de nanoestructura, principalmente en forma de nanohilos, con técnicas de bajo costo y de fácil acceso. En esta Tesis de Doctorado, se presenta un estudio a través de varias técnicas experimentales de propiedades relevantes para aplicaciones optoelectrónicas de nanohilos (NHs) de ZnO crecidos por transporte de vapor, y de interfaces de los mismos con otros nanomateriales (MgO, PEDOT:PSS y complejos sensibilizantes de Ru y Fe) desarrolladas para aplicaciones en dos tipos de dispositivos optoelectrónicos: diodo emisor de luz (LED, light-emitting diode) y celda solar Grätzel (DSSC, dyesensitized solar cell). Las técnicas experimentales de caracterización utilizadas fueron espectroscopía de fotoluminiscencia (FL), microscopía electrónica de barrido y de transmisión, difracción de rayos X, medidas de transmitancia en el UV-vis, medidas de fotocorriente eléctrica en función de la energía del fotón incidente y del tiempo de iluminación y de relajación, y medidas de corriente eléctrica en oscuro en función del voltaje y de la temperatura. Los estudios de FL en NHs de ZnO revelaron efectos de estados electrónicos superficiales, que se atribuyeron a defectos, cuya estabilidad térmica fue estudiada mediante tratamientos térmicos a 800-1000ºC en ambientes controlados de O2. Al notarse la relativa estabilidad de dichos defectos, pasó a estudiarse la pasivación de los mismos mediante el recubrimiento de los NHs de ZnO con una coraza (shell) de MgO. Se varió el espesor de la coraza en el rango w=3-20 nm, y para w=17 nm se logró la eficiente pasivación de los defectos superficiales. El análisis detallado de estos resultados permitió descubrir dos mecanismos de pasivación: el primero está asociado a la formación de la interfaz ZnO/MgO, que incluye la desorción de adsorbatos seguida por el encapsulamiento del NH de ZnO con la coraza de MgO, y la estabilización mecánica superficial del NH. El segundo mecanismo depende del volumen de la coraza e involucra acumulación de esfuerzos en el NH y posiblemente también efectos de tuneleo de portadores a través de la barrera de MgO. En segunda instancia, se estudia la integración de los NHs de ZnO y NHs core/shell ZnO/MgO y el polímero conductor tipo p, PEDOT:PSS para desarrollo de un LED. Las propiedades ópticas y eléctricas del polímero se estudiaron fabricando films depositados sobre sustratos aislantes. Luego se procedió a optimizar el recubrimiento con el polímero de los NHs crecidos sobre obleas de Si dopado tipo n, utilizando la técnica de spin-coating. Se exploraron diversas configuraciones de contactos eléctricos. Finalmente, se obtuvieron dispositivos n-p rectificantes, y se logró extraer electroluminiscencia en el UV característica del ZnO usando capas de PEDOT suficientemente finas y transparentes para la zona superior del dispositivo, contactadas a presión por un vidrio conductor. Esta es la primera concreción de un LED UV basado en NHs de ZnO en Argentina y es resultado importante en el marco del primer proyecto institucional de la UNT con el Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) y Empresas Privadas, titulado Plataforma Tecnológica de Circuitos Integrados y Encapsulados para Iluminación más Eficiente. Finalmente, se desarrolló y estudió la interfaz de NHs de ZnO con complejos sensibilizantes de Ru y Fe, estos últimos desarrollados recientemente por un grupo colaborador de la UNT, para aplicación en DSSCs. Se demostró la sensibilización eficiente de los NHs en el rango visible con los complejos de Ru, y la deficiencia del de Fe. A partir de análisis de medidas ópticas, eléctricas y fotoléctricas de la interfaz NH de ZnO/complejos, se pudo determinar procesos de transferencia de carga fotogenerada a través de las interfaces y mecanismos de recombinación y transporte electrónico.