Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol
A mi parecer, la línea de investigación relacionada con las propiedades ópticas de los materiales semiconductores es la más amplia de todas las caracterizaciones de materiales, debido a que se involucra una gran variedad de técnicas y equipos para tal fin.
En esta publicación les presentaré los resultados de investigación sobre una muestra del semiconductor CuInTe2 utilizando la técnica de fotoluminiscencia.
En el montaje experimental para el estudio de fotoluminiscencia, la muestra semiconductora es excitada con una fuente láser y la respuesta espectral de la muestra pasa por un monocromador y es analizada en un espectrofotómetro, en este caso SPEX envía al computador la señal de energía y la intensidad fotoluminiscente.
A pesar de su importancia en aplicaciones tecnológicas, existen pocos trabajos sobre las propiedades ópticas en función de la temperatura en estos compuestos ternarios. Por esta razón, se realizó el estudio de la dependencia del espectro de fotoluminiscencia con la temperatura, entre 10 y 120 K en el compuesto CIT.
Estos son los detalles experimentales...
Para las medidas se utilizó un crióstato de ciclo cerrado con He (Cryodine 22 CP)
La muestra fue excitada con la luz (hνexc = 1.5890 eV) del láser de zafiro-Ti bombeado con un láser de Ar.
La señal fue registrada por un fotodetector de Ge enfriado con Ni líquido (North Coast: EO-817 L) y analizado con un espectrómetro Spex.
El haz del láser es localizado sobre la muestra en un punto de aproximadamente 400 μm y con una densidad de potencia de 160 W/cm2, que corresponde a una potencia del láser de 0.2 W.
Del análisis de los datos de fotoluminiscencia se identificarán las emisiones debidas a los excitones libres y ligados. La variación con la temperatura de la línea de energía del excitón libre es comparada con el modelo de Manoogian-Woolley [a].
El espectro de fotoluminiscencia de la muestra CIT 690 a diferentes temperaturas entre 10 y 120 K se presenta en la figura 1. Para efectos de comparación, esta muestra fue cortada de la misma parte del lingote que se utilizó en las medidas de absorción óptica que presenté en el artículo anterior.
Figura 1. El espectro de fotoluminiscencia de la muestra CIT 690 entre 10 y 120 K.
Se observan dos picos a bajas temperaturas y están asociados al excitón libre (EX) y a la recombinación de excitones ligados debido a impurezas y/o defectos en la red cristalina.
A 10 K el pico de mayor energía aparece en 1.053 eV y se desplaza a menor energía a medida que la temperatura se incrementa y a 120 K se observa en 1.037 eV. La intensidad del segundo pico alrededor de 1.047 eV a 10 K, disminuye rápidamente al incrementarse la temperatura y tiende a desaparecer alrededor de 40 K.
Por ahora, vamos a poner atención en los máximos del pico de fotouminiscencia para cada temperatura y hacemos una gráfica que muestre tal dependencia.
Figura 2. Variación de la energía del excitón libre (EX) con la temperatura (T).
En la figura 2 se incluye una línea continua que corresponde al ajuste de los datos experimentales con la ecuación del modelo de Manoogian-Woolley [a] que incluye separadamente el efecto de i) la dilatación térmica de la red y ii) la interacción electron-fonón. En esta aproximación, la variación de EG con T está dada por la ecuación 2:
donde U, S y V son parámetros independientes de la temperatura y θ es la frecuencia media de excitación del fonón y está vinculada con la temperatura de Debye por la relación θ ∼ ¾θD.
En la tabla 1 se presentan los valores de los parámetros EX(0), U, V y θD obtenidos del ajuste con la ecuación de Manoogian-Woolley a las curvas EX vs T por fotoluminiscencia en CuInTe2.
Como lo mencioné anteriormente, el pico de mayor energía está asociado a emisiones del excitón libre (EX). Para identificar el origen del pico de menor energía (1.047 eV a 10 K), el cual disminuye rápidamente al incrementarse la temperatura y tiende a desaparecer alrededor de 40 K debido a la ionización térmica, debemos considerar varios mecanismos de recombinación: del excitón libre al ligado, del nivel aceptor al donador y emisiones del excitón ligado.
Existen consideraciones teóricas y experimentales para determinar el origen de estos niveles, pero no haré más extenso este artículo y lo tendré a la mano por si alguno de mis lectores esté interesado!
Por ahora, combinando los resultados de composición química y medidas eléctricas, es razonable concluir que este pico se debe al proceso de recombinación de excitones ligados a aceptores ionizados, debido a que la muestra tiene conductividad tipo p se espera que los pares de defectos mayoritarios donador-aceptor posibles en esta muestra sean: (InCu, CuIn), (VTe, CuIn) y (VTe, VIn), se concluye que el origen de la recombinación del excitón ligado al aceptor ionizado se debe a la VIn o CuIn.
En las publicaciones anteriores hemos hablado del estudio de la estructura de bandas de los semiconductores por medio de la caracterización óptica y en particular la transmisión óptica. Ahora, con el estudio de la espectroscopía por fotoluminiscencia tenemos información adicional de los estados energéticos en estas bandas de energías y se ofrece información adicional sobre el origen de tales estados. Estoy pensando en escribir un artículo relacionado con la espectroscopia Raman para complementar el estudio de las propiedades ópticas en semiconductores, qué les parece estimados steemians de la comunidad científica #stem-espanol?
Referencia y lectura recomendada:
[a] A. Manoogian and J. C. Woolley, Can. J. Phys. 62, 285 (1984).