Hola amigos amantes de la ciencia..
En esta ocasión quiero continuar con la misma línea de publicación, ya hemos aprendido un poco sobre los semiconductores, los conceptos básicos y el comportamiento de dichos compuestos (hablando físicamente). Todos sabemos muy bien para que sirven estos materiales, es decir, su aplicación en el área tecnológica, pero pocos saben de dónde provienen o cómo se fabrican estos compuestos. Entonces las preguntas que se nos vienen a la mente son: ¿ de dónde nacen? ¿ de la tabla periódica? ¿cómo? ¿cuándo? ¿porqué?, y por medio de este artículo tratare de responder todas esas preguntas de manera muy sencilla para que puedan comprender dicha información.
Tenemos idea de que son los semiconductores, y si eres nuevo leyendo mis artículos te invito a recorrer mi blog y aprenderás un poco de este tema, haz click en el siguiente enlance.
Pocos saben cómo se fabrican y la palabra clave en este artículo es ¿cómo se sintetizan o cómo es su crecimiento?, de pasar de ser un simple elemento de la tabla periódica a un dispositivo electrónico. Obviamente que para construir un dispositivo basado en los compuestos semiconductores es necesario aprender mucho de ingeniería y electrónica, pero nosotros los físicos estudiamos desde el principio, es decir, su teoría desde que se extraen del medio ambiente y luego desarrollar los estudios físicos necesarios para luego proporcionar las herramientas adecuadas para que el ingeniero pueda aplicar.
¡Hay mucha física involucrada en compuestos de semiconductores, se debe estudiar ciertas propiedades físicas para comprender su comportamiento y luego verificar si tienen o no alguno aplicación en especifico. Conocemos metales que son excelentes conductores de corriente eléctrica como son el oro y plata, pero cómo son muy caros y difíciles de encontrar en la naturaleza, nos hemos visto obligados a usar cobre que es un conductor con menor capacidad de corriente eléctrica, de igual forma es bueno para la fabricación de cables, bobinas, entre otros.
Existen diferentes familias y grupos de semiconductores de la tabla periódica que se pueden sintetizar, es decir crecer, estos elementos que dan como resultado un compuesto, donde luego de obtener el lingote, se realizarán estudios físicos para observar sus propiedades.
Tenemos los compuestos binarios, ternarios y cuaternarios, para que ustedes puedan comprender de manera mas sencilla, un binario esta formado por dos elementos, ternario por tres elementos y cuaternario por 4 elementos.
El silicio y el germanio son los semiconductores que se han estudiado más a fondo y tienen mayor aplicación tecnológica, debido a que son mas fáciles de preparar en forma monocristalina y de alta pureza. libre de vacancias en la red o dislocaciones o algunas otras imperfecciones. Otros elementos de la tabla periódica pertenecen al grupo IV y son mas difíciles de obtener. A lo largo de los años se han realizado diferentes estudios y han traído resultados excelentes en la nueva formación de compuestos semiconductores, todo ello trajo al desarrollo de compuestos intermetalicos o semiconductores binarios, que como mencione anteriormente son llamados así por la combinación de dos elementos de la tabla periódica. Los primeros estudios que se realizaron fueron los compuestos de GaAs, AIP, InSb, entre otros., los cuales resultan de la combinación de los elementos de los grupos III y V de la tabla periódica. Estos compuestos semiconductores presentan una dificultad de prepararlos en forma de monocristales de alta pureza, sin embargo se han usado en gran variedad de aplicaciones tecnológicas, tales como: diodos, transistores y circuitos integrados.
Luego se incorporaron mas avances en esta fascinante área, con el descubrimiento del láser y los diodos emisores de luz, se impulso mas la investigación en este campo con el fin de encontrar nuevos materiales. Más adelante se mostro que los semiconductores ternarios II-IV-V2 y I-III-VI2 eran una extensión natural de los compuestos binarios de la familia II-V y II-VI. Con estos avances se fueron incorporando mas estudios respectos a estos nuevos materiales y sus aplicaciones en el área de las energías renovables en la fabricación de celdas fotovoltaicas y paneles solares. Hoy en día se siguen estudiando mas compuestos, en mi caso estudio actualmente un compuesto ternario que tiene probables aplicaciones en dispositivos optoelectronicos y la fabricación de celdas solares, dicho compuesto es el CuInTe2 (cobre-indio-telurio).
Y continuación les explicaré como se combinaron estos tres elementos para convertirse en uno solo, todo esto por medio de una técnica de síntesis, existen varias pero comenzare con la primera y en las siguientes publicaciones les mostrare más.
Técnica de telurización de Cu y In en estado fundido.
Para el crecimiento de estos elementos se utilizó la técnica llamada HORIZONTAL GRADIENT FREEZE que consiste en la selenización de cobre e indio en proporción estequiométrica en fase líquida y su posterior enfriamiento programado. Dependiendo de la temperatura de evaporación del selenio, se han obtenido lingotes, la mayoría de estos monocristales con estequiometría cercana a 1: 1: 2.
Entonces viene la siguiente pregunta: ¿ que es la estequiometria o cual es la correcta?. De una manera simple, se podría decir que es la proporción o el porcentaje de elementos utilizados para hacer crecer la muestra del compuesto semiconductor, es decir, si tenemos un compuesto con una estequiometría 1: 1: 2, esto significa que tiene dos elementos con una proporción del 25%, y el tercer compuesto con un porcentaje del 50%, en conjunto los tres elementos forman un total del cociente estequiométrico del 100%.
Pasos para la síntesis fueron los siguientes:
- Para realizar la síntesis, se coloca en horno un tubo de ensayo sellado a alto vació (10exp-5), este contiene elementos puros (5N-6N) de telurio 5% de exceso en la estequiometria. En uno de los extremos se agrega cobre e indio en proporción estequiometrica ideal. Por consiguiente el telurio queda ubicado en la zona 1, y el cobre e indio en la zona 3 (figura 3).
Figura 3. Diagrama esquemático del horno eléctrico usado para la síntesis.
En primer lugar aumenta la temperatura de la zona 3 hasta 1100 ºC, para que el cobre e indio se puedan mezclar en el estado líquido.
Luego se debe calentar la zona 1 a una temperatura determinada (Tt) para la posterior evaporación del telurio.
El vapor del telurio reacciona en la zona 3 con el cobre e indio, ambos elementos fundidos, para formar el compuesto de tres elementos en estado líquido.
Una vez completada la reacción, se obtienen varios lingotes con una temperatura entre 480 ºC y 690 ºC. De esta manera se procede a la siguiente etapa que es la caracterización del material.
De esta forma culminamos por hoy, más adelante les explicare otras técnicas de síntesis para crecer compuestos semiconductores, si tiene alguna duda al respecto pueden dejar su comentario y con gusto trataré de aclarar sus inquietudes.
Referencias
Marin, G. Wasin M, S. Sánchez, G. Pérez. Mora, A. (1998). Caracterización estructural y de la composición del CuInTe2 obtenido por la técnica de evaporación del Te.CIENCIA 6 (2), pag 129-137
Rogacheva, I. (1997). Nonstoichiometric en los compuestos I-III-VI2.11th International conference y ternary y multinarycompound, ICTMC-1.Edited R, D Tomlinson. Universidad de Salford.
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Carlos Pagnini
