Películas nanoestructuradas de oxido de zinc (ZnO)
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Scientia et Technica Año XIV, No 39, Septiembre de 2008. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701 416
Fecha de Recepción: 4 de Junio de 2008.
Fecha de Aceptación: 1º de Septiembre de 2008
PELÍCULAS NANOESTRUCTURADAS DE OXIDO DE ZINC (ZnO)
Zinc oxide nanostructured thin films
RESUMEN
En el presente artículo realizamos una detallada aunque breve revisión de
trabajos de investigación con lo que ponemos de manifiesto las propiedades más
relevantes de las estructuras de oxido de zinc, sus potenciales aplicaciones y
algunas de las técnicas usadas para la caracterización de sus propiedades y
métodos de crecimiento de las películas.
PALABRAS CLAVES: Oxido de Zinc (ZnO), Ablación Láser, DRX,
Espectroscopia Raman, Fotoluminiscencia, Transmitancia
ABSTRACT
In this article we has done a review of research articles about the zinc oxide
(ZnO) thin films properties, their potential applications, characterization
technique and growth method.
KEYWORDS: Zinc Oxide (ZnO), Laser Ablation, DRX, Raman,
photoluminescence, transmittance
JAIME ANDRÉS PÉREZ TABORDA
Estudiante Ingeniería Física
jaimeandres.perez@gmail.com
JORGE LUIS GALLEGO
Estudiante Ingeniería Física
jorluga@hotmail.com
WILSON STIVEN ROMAN
Estudiante Ingeniería Física
jorluga@hotmail.com
HENRY RIASCOS LANDÁZURI
Profesor Física
Universidad Tecnológica de Pereira
hriascos@utp.edu.co
1. INTRODUCCIÓN
El ZnO es un material semiconductor de la familia II-VI,
con amplia banda de energía 3.37 eV y una gran banda de
enlace de excitones de 60 meV a temperatura ambiente.
La diferencia de electronegatividades entre el zinc y el
oxígeno produce un alto grado de ionicidad en su enlace,
convirtiéndolo en uno de los compuestos más iónicos de
dicha familia [1]. Esto provoca una repulsión
considerable entre sus nubes de carga, haciendo que su
estructura cristalina más estable sea hexagonal, la figura
1 muestra la estructura tipo wurzita del ZnO. En esta
estructura los átomos se encuentran suficientemente
alejados, esto con el fin de compensar dichas repulsiones.
Así, cada átomo de zinc se encuentra rodeado por un
tetraedro de 4 átomos de oxígeno y viceversa, formando
de esta manera una combinación alternada de planos de
átomos oxígeno y de planos de átomos de zinc, las cuales
se encuentran a lo largo del eje c, con un desplazamiento
entre ellos de 0.38c, siendo c su parámetro de red en la
dirección vertical.
Los valores de los parámetros de red para dicho material,
en condiciones normales de presión y temperatura, son a
= 3.253 Å y c = 5.213 Å [2]. Una de las propiedades
físicas más importantes del ZnO es la de poseer un gap
directo de 3.35 eV, a temperatura ambiente. [2,3]
Algunas de estas propiedades (en especial su alto gap a
temperatura ambiente) convierten a este óxido metálico
en un excelente candidato para aplicaciones como
dispositivos optoelectrónicos, transductores acústicos
[4,5], varistores [6], sensores de gas [7,8], electrodos
transparentes [9,10], ventanas ópticas en paneles solares
[11,12], dispositivos emisores de campo [13],
conductores transparentes [14–16]. De estas aplicaciones
es de especial atención su posible aplicación en
dispositivos optoelectrónicos con emisión en el rango de
longitudes de onda cortas.
En este trabajo se presenta algunas de las técnicas
utilizadas en el crecimiento de películas delgadas de ZnO
y su caracterización por diferentes métodos. Prestamos
mayor interés en las grandes ventajas que tiene aplicar la
técnica de ablación láser en el crecimiento de estas
películas.
Figura1.Estructura Cristalina típica ZnO en donde las
más oscuras describen el zinc y las más claras el oxigeno.
Scientia et Technica Año XIV, No 39, Septiembre de 2008. Universidad Tecnológica de Pereira.
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Figura2.Esquema experimental de deposición por láser
pulsado para películas delgadas.
2. TÉCNICAS DE CRECIMIENTO
Las nanoestructuras de ZnO se han sintetizado por varios
métodos de crecimiento , tales como disolución [17-19],
los métodos en fase gaseosa [20,21], método hidrotermal
[22,23], deposición por vapor químico [24,25],
vaporación térmica [26], magnetrón sputtering RF [27] ,
pero siendo los más importantes haz molecular epitaxial
y deposición por laser pulsado (PLD) [28,29]. Esto
debido a que el ZnO tiene una alta temperatura de
fusión (Tf > 2250 K) [30], lo que hace necesario la
utilización de una técnica alternativa a la fundición y a
los procesos químicos, perfilandose la técnica de ablación
láser en la mas acertada en el crecimiento de peliculas de
ZnO.
2.1 CRECIMIENTO POR ABLACIÓN LASER
La técnica de deposición por láser pulsado (PLD) es una
de las herramientas más exitosas para crear películas
delgadas y partículas a escala nanométrica. Esta técnica
se ha empleado para el depósito de películas delgadas de
alta calidad que incluye materiales superconductores,
ferroeléctricos, fotonicos y orgánicos [31]. Una
descripción detallada de esta técnica se encuentra en la
referencia [32], en la figura 2 se muestra un esquema de
PLD. Algunos grupos recientemente han usando esta
técnica en la producción de materiales nanoestructurados.
Revisamos los aspectos importantes de estos trabajos.
Todos los autores que usan sistemas convencionales de
PLD utilizan láseres excimer con poca fluencia (En el
laboratorio de Plasma Láser y
Aplicaciones usamos un láser Nd;YAG en el infrarrojo).
Kawakami et al. sintetizó nanotubos de ZnO orientados
en el eje c, obtenidos a una temperatura del substrato de
700 ºC en una presión de Oxigeno de 650 Pa sin
catalizador. La dispersión Rayleigh muestra que el
crecimiento de los nanotubos procede vía condensación
de nanoclusters formados en la pluma de la ablación [33].
Una variedad de nanoestructuras de ZnO se pueden
obtener dependiendo de la distancia blanco-substrato y a
presiones altas de Ar [34]. Ozerov et al. [35] han
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