Formación de cristales de CdS a temperatura ambiente

La metodología usada para la obtención de películas delgadas sobre sustratos de vidrio se inicia con los reactivos precursores disueltos en agua destilada o desionizada en las concentraciones que permitan obtener cristales con la composición estequiométrica deseada, por ejemplo en el caso del binario Sulfuro de Cadmio se espera que tengan porcentajes atómicos de Cd: 50% y S: 50%, para una relación 1:1. Cuando los reactivos en fase líquida comienzan el proceso de precipitación controlada por medio de la activación térmica, los iones metálicos Cadmio y Azufre deberían liberarse lentamente para que la dinámica de formación del CdS ocurra de manera ordenada. Sin embargo, el proceso de cristalización se descontrola por la precipitación homogénea y masiva hacia cualquier superficie que le parezca como sustrato e inevitablemente otra cantidad se precipite al fondo del Beaker.

Para la formación de una película delgada de CdS se requiere tener una fuente de Cd y S de manera controlada y el proceso debe ser lento para evitar la precipitación brusca de agregados que tiendan a formar grumos, conglomerados o partículas coloidales en la solución de deposición. Como ya lo he mencionado anteriormente, el control de los parámetros de deposición: concentración de la solución precursora más el agente complejante, la temperatura y tiempo de deposición y adicionalmente el buen control del pH (10-12) pueden garantizar la obtención de CdS con alta calidad cristalina y el crecimiento puede ser homogéneo en algunos casos o heterogéneo en otros.

Lo novedoso del procedimiento es realizar la síntesis a temperatura ambiente y largo período de tiempo, con la finalidad que el agente quelante secuestre los iones de Cd y S para que se liberen de manera gradual y lenta en el tiempo hasta el agotamiento de la solución precursora. Mi planificación de ensayos de deposición de películas delgadas del semiconductor CdS a temperatura ambiente estuvo basada en la siguiente metodología: 1. Preparar la solución de Sulfato de Cadmio (CdSO₄) a diferentes concentraciones molares [0,0033], [0,010] y [0,015] como fuente de los iones de Cadmio (Cd²⁺). 2. Agregar Hidróxido de Amonio (NH₄OH) en una concentración de [1 M]. Es importante el detalle que la solución se tornará de color blanco (Hidróxido de Cadmio (Cd(OH)₂), pero a medida que se agrega más NH₄OH volverá a ser transparente. 3. Esta primera reacción produce iones libres de Cd⁺² que son secuestrados para formar el tetramin cadmio que se encargará de liberarlos lentamente a la solución de deposición. 4. Preparar la Tiourea (CH₄N₂S) con molaridad [0,05] como fuente de iones de Azufre (S^2-). Al agregarla a la solución de deposición cambiará el pH, por lo que debemos agregar unas gotas de KOH o NaOH hasta alcanzar valores entre el rango de 10,50 y 12,50 para controlar la cinética de formación de los cristales de CdS. Con 2 procesos de hidrólisis en medio alcalino y posteriormente en medio básico, se liberarán los iones de S^2-. 5. La interacción de los iones Cd²⁺ y S^2- forman los cristales de CdS que se adhieren a las paredes de toda la superficie que contienen a la solución de deposición. La reacción final será: Cd²⁺_(ac) + S^2-_(ac) CdS_(s)

La activación del proceso químico que permite la liberación de los iones metálicos de Cadmio Cd²⁺ y Azufre S^2- cuando actúa el Hidróxido de Amonio ocurre una vez que coloco estos reactivos en los envases que muestro en la fotografía anterior. Las sellé para evitar la incorporación de Oxígeno (O) del aire o la volatilización de cualquier componente de la solución de deposición.

Utilizamos un recipiente cerrado con punta cónica y capacidad de 50 ml. La variable corresponde a la concentración del 3CdSO₄. El pH estuvo cercano a 11,4.

En los 3 ensayos podemos observar la formación de una película homogénea que cubre completamente el sustrato de vidrio, que se corresponden a los 3 sustratos de vidrio a la derecha en la imagen superior. También realicé otros experimentos con Cloruro de Indio (Cl₃In) para tratar de incrementar la conductividad eléctrica del CdS, pero al agregar 0,25 ml de Cl₃In a la solución de deposición se precipita al fondo y se me ocurrió agitarla varias veces para tratar de obtener una mezcla homogénea. El resultado se aprecia en la primera lámina de vidrio (primera a la izquierda) en la foto anterior, que no es una película homogénea.

Por la experiencia que he tenido con la síntesis por baño químico e inmersiones sucesivas, me he dado cuenta que el rendimiento para la formación de películas delgadas sobre vidrio es muy limitada, debido al agotamiento del aporte de iones de Cd²⁺ y S^2-, además de la formación de coloides en el precipitado que hace decantar las partículas de CdS sólido.