3° 4° alumnos

926 views

Published on

Published in: Technology
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
926
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
6
Actions
Shares
0
Downloads
1
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

3° 4° alumnos

  1. 1. Año 2010 “Fabricación y Caracterización de nano ymicro-estructuras de óxidos semiconductores” María Cecilia Zapata 1
  2. 2. “FABRICACIÓN DE NANOHILOS MEDIANTE LA TÉCNICA METAL AUTOCATALIZADOR Y EVAPORACIÓN TÉRMICA (MCTE)” LAFISO “NANOCONTACTOS EN NANOHILOS DE ZnO PROPIEDADES DE TRANSPORTE” ALEMANIA 2
  3. 3. INTRODUCCIÓN•El ZnO es un semiconductor transparente con un gap de ~3,37eV• Los nanohilos de ZnO están siendo estudiados por sus potencialesaplicaciones tanto en electrónica como en nanofotónica y endispositivos electromecánicosE *optoelectrónica (láseres, sensores, leds y fotodiodos, dispositivos de emisión de campo)JEM *spintrónicaPLO *sensores sólidos de gasesS Zn Gap O Wurtzite (hexagonal) Band structure 3
  4. 4. “FABRICACIÓN DE NANOHILOS MEDIANTE LA TÉCNICA METAL AUTOCATALIZADOR Y EVAPORACIÓN TÉRMICA (MCTE)” LAFISO •Parámetros y materiales de crecimiento Morfología (SEM) Mecanismos de emisión de luz •Caracterización Estados de defectos (Fotoluminiscencia) Eléctrica(IV, RT, PR) Estructura cristalina (RX) (Espectroscopia de absorción de Composición Química fluorescencia de rayos X (XEDS) EXAFS y XANES en el borde K del Zn) 4
  5. 5. Parámetros y materiales de crecimiento Materiales y parámetros de crecimiento empleados*Horno tubular *Presiones de Oxígeno: 400m y 1Torr*Fuente: mezcla de polvos de ZnO y *Temperatura máxima del horno:grafito en la razón de (1:1 ZnO/C) 1100°C*Navecilla de alúmina (Al2O3) *Velocidad de calentamiento del horno: 25ºC/min*Sustratos: Zafiro (Al2O3) con y sinlámina de oro *Tiempo de reacción: 1 y 1.5 horas*Flujo de argón: 250 ccm *Temperaturas de crecimiento: entre 450 y 900°C 5
  6. 6. Caracterización Morfología (SEM) Muestras crecidas entre 450 C y 900 C sobre sustrato de Al2O3 Flujo Ar: 250ccm. Presión O2 : 400mTorr. Tiempo crec.: 1 hr Temperatura de crecimiento Estructura Longitudes Diámetros 450°C No está definida - - 600°C Nanohilos sin orientación 0,55 μm 25 nmFig. 1. Imagen 730°C SEM de Nanohilos orientados y tetrápodos nano y Fig. 2. Imagen SEM de 0,78Fig. 3. Imagen SEM, ampliación de la μm 46 nmnanoestructuras de ZnO crecidas a RX: Wurtzite microestrucutras de ZnO crecidas a Fig. 2, en las que ya se observan450ºC. Morfología no definida 600 C. nanohilos crecidos a 600 C. Nanohilos y laminas 2,4 μm (nanohilos) 900°C 97 nm (nanohilos) 200nm RX: Wurtzite 7,8 μm x 3,20 μm (láminas) Estructura cristalina Fig. 4. Imagen SEM de nanohilos de ZnO crecidos a 730 C. Estructuras Fig. (RX)Imagen SEM de 5. nanoestructuras de ZnO crecidos a Fig. 6. Imagen SEM de una lámina de ZnO crecida a 900 C. ramificadas. La ampliación muestra 900 C. Zonas con gran densidad de tetrápodos. nanohilos y la aparición de pequeñas láminas. 6
  7. 7. Mecanismos de emisión de luz Caracterización Estados de defectos (Fotoluminiscencia) Espectros de PL a temperatura ambiente de 15000 900°C 3,27eV los nanohilos para distintas temperaturas de 730°C fabricación. Para comparar se muestra 600°C además el espectro correspondiente a una muestra bulk de ZnO. 12000 450°C Bulk ZnO 2,4eV  El pico en 3,27eV corresponde al gap de 9000 energía y resulta de la recombinación directa.PL (u.a.) 6000 El pico en 2,4eV se debe a la recombinación de electrones atrapados en estados 3000 2eV profundos dentro de la banda prohibida y se 2,35eV asocian a defectos como vacancias de oxígeno o intersticios de Zn . El pico a 2.0eV ( amarillo) ha sido 0 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 interpretado como debido a centros de E (eV) vacancias doblemente ionizadas V0++ 7
  8. 8. Caracterización Composición Química (XEDS) Weight Atomic Element % % CK 2.34 8.03 XEDS realizado a la OK 14.68 37.81 muestra de ZnO crecida a Al K 0.25 0.38 900 C sobre sustrato de Al2O3 Si K 1.93 2.83 CK 2.34 8.03 XEDS realizado a la muestra de ZnO crecida a 730 C sobre sustrato de Al203 8
  9. 9. Eléctrica Caracterización (IV, RT, PR) 45 2  1 40 0 La resistencia a temperatura ambiente es del orden de los 5 MOhms, I( A) 35 -1 30 Se observa un comportamiento tipo semiconductor -2 T = 283.8K -3 R(M ) de la resistencia. -10 -5 0 5 10 25 V (Volts) 20 En la figura inferior se muestra el ajuste realizado 15 con el modelo de “Variable Range Hopping” de Efros- 10 Shklovskii : = 0 exp (T0/T)1/2 , obteniéndose un 5 buen ajuste en todo el rango de temperaturas. 160 180 200 220 240 260 280 300 El parámetro T0 de la fórmula corresponde a Resistencia de la muestra T(K)900 ºC en función de de la temperatura iluminando con λ =354nm. Curva I-V medida en la muestra crecida a 900 ºC (inset). 2,0 donde es la longitud de localización y es la constante dieléctrica del ZnO = 8,7. El parámetro T0 1,5 obtenido del ajuste es 14949.95 K. ln (R / R283K) 1,0 La longitud de localización de 0,359nm, equivalente al parámetro de red a de la estructura wurtzite del 0,5 ZnO. 1/2 1/2 0,0 T0 =(122.27 +/- 0.06 ) K R = 0.99991 0,060 0,065 0,070 0,075 1/2 1/2Ajuste usando el modelo de Variable Range Hopping de Efros – 1/T (1/K )Shklovskii. 9
  10. 10. “NANOCONTACTOS EN NANOHILOS DE ZnO PROPIEDADES DE TRANSPORTE” ALEMANIA ZnO/C•Materiales y su preparación Prensado•Método de crecimiento Carbotermal Soldadura en frío•Contactos eléctrico Nanolitografía Curvas IV Curvas RT•Caracterización eléctrica Fotoconductividad iluminando con UV Influencia del vacío en la fotoconductividad 10
  11. 11. EXPERIMENTALPara el crecimineto de ZnO existen varios métodos en laliteratura, como PLD empleado en sustratospreestrucutrados. Nosotros usamos un método simple yefectivo denominado Carbotermal.Pastillas de carbono/ZnO son utilizadas como precursorespara el proceso Carbotermal, que consiste en ladescomposición témica del ZnO que tiene un alto punto defusión (~19175 C) en subóxidos del Zn (~419 C) descriptospor la siguiente reacción ZnO(s) + CO(s) Zn(v) + CO2(v)
  12. 12. EXPERIMENTAL• Fuente: mezcla de polvos de ZnO y grafito en la razón de• (1:1 ZnO/C)• Prensa hidráulica (entre 2kN y (mg) Muestra Masa 10kN) Fuerza (kN)• Temperatura máxima del horno: 1150 C 1 ~100 2• Velocidad de calentamiento del horno: 15ºC/min 2 ~100 3• Tiempo de reacción: 45 minutos a 1 hora 3 ~100 4• A presión atmosférica sin empleo de gases 10 4 ~250 Prensa hidráulica y Pastilla Crisol de alúmina Horno tubular 12pressform 12
  13. 13. RESULTADOS EXPERIMENTALES M u e s tFotografía de nanohilos tomada por un r Fotografía de un nanohilos tomada por unmicroscopio óptico. Muestra 3 microscopio óptico. Muestra 3 a 3Nanohilos muestra 3. SEM Nanohilos muestra 3. SEM 13
  14. 14. RESULTADOS EXPERIMENTALESMuestra 4 Vista de la muestra 4 dentro del horno y luego cuando se la ha retirado del mismo. Fotografías de microscopio óptico de la muestra 4 14
  15. 15. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA •SUSTRATO Si3N4 Φ=150nm SiO2 Si Φ=10-15nm •LIMPIEZA Acetona, etanol, nitrógeno comprimido •NANOHILOS Separación mecánica •CONTACTOS Soldadura en frío Nanolitografía 15
  16. 16. CONTACTOS ELÉCTRICOS Nanolitografía (Nanohilos) PMMA PMMA Sustrato Sustrato Sustrato Deposición del polímero Tratamiento térmico del PMMA Irradiación con electrones especial PMMA Sustrato Sustrato Sustrato Revelado Deposición de Platino Deposición de Oro Sustrato Ataque químico para quitarPMMA, platino y oro sobrantes Esquema de los pasos seguidos en la técnica de nanolitografía. 16
  17. 17. CONTACTOS ELÉCTRICOS NanolitografíaMuestra 3 Nanolitografía. Fotografía conNanolitografía. Fotografía con microscopio ópticomicroscopio óptico Contactos luego de la nanolitografia y Scratching (raspado) del scratching.
  18. 18. CONTACTOS ELÉCTRICOS Soldadura en frío (Microhilos) Muestra R-1 Muestra R-2 Fotografía de microscopio óptico de las muestras Fotografía de microscopio óptico de la muestras contactadas con In montada en el chip-carriercontactadas con In sobre el sustrato de Si/Si3N4 Fotografía de microscopio óptico de la muestras R_1 Fotografía de microscopio óptico de la muestras R_1 18
  19. 19. RESULTADOS Y DISCUSIÓN (R-2) 12 4 T=300K 10 T=300K 8 First Second 2 6Voltage U(V) 4 Voltage U(V) 2 0 0 -2 -2 Under Ligth -4 In the Dark -6 -4 -8 -10 -6 -4 -2 0 2 4 6 -12 Current I( A) -6 -4 -2 0 2 4 6 Current I( A) Curva IV con luz UV Curvas IV en oscuro. Se puede observar el cambio en la pendiente después de la iluminación como consecuencia de la fotoconductividad 19
  20. 20. RESULTADOS Y DISCUSIÓN (R-2) 2,0 1 1E9 Curva de enfriamiento. Energías de Activación para transporte en microhilo. 0 : E.A. entre 1ra banda de impureza donora y el borde de BC. 1 2 : E.A. entre 1ra y 2da banda de impureza. ) 1,5 : E.A. para transporte en 1ra banda de impureza. -1 3 9 1E8 1 =21.1 meV Resistance R(10 -2 [250-82 K] ) 1,0 1E7 -3 ln( / 100 2 =14.5 meV -4 [82-40 K] 0,5 -5 3 =9.4 meV [40-30 K] -6 0,0 -7 0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 30 35 Temperature T(K) -1 1000/T (K ) R-T cold down curva en oscuridad. Ajuste R-T curva cold down en oscuridad. Inset es una gráfica Log-Log mostrando el Obtención de energías de activación. comportamiento semiconductor típico. La desviación es consecuencia de la fotoconductividad permanente 20
  21. 21. RESULTADOS Y DISCUSIÓN (R-2) 0,900 0,875 I=20mA 700 Cold Down (CD) and Heat Up (HU). R- 0,850 Cold Down 650 T and R-time dependance. under UV 1 600 0,825 Heat Up 0,800 under UV 1 550 La curva CD se midió sin dejar que la time(min) 500 0,775 450 muestra alcance su valor de saturación R-time dependance HU 0,750 R-time dependance CD 400 debido a la exposición a la radiaciónR(M ) 0,725 0,700 350 UV 300 0,675 250 Para la curva HU, se puede considerar 0,650 200 0,625 150 que la muestra ya alcanzó su valor de 0,600 100 saturación. 0,575 50 0,550 0 En ambos casos se observa un 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 comportamiento metálico hasta los T(K) 175K.
  22. 22. RESULTADOS Y DISCUSIÓN (R-2) Resistance Temperature 5,00 296,00 3,25 296,00 4,75 UV light on Temperature Resistance 295,75 4,50 3,00 295,75 4,25 UV light on Atmosphere pression 295,50 2,75 UV light off 295,50 4,00 3,75 295,25 2,50 Vacuum 295,25 3,50 295,00 2,25 295,00 3,25 T(K) T(K) 3,00 294,75 2,00 294,75 R(M ) 2,75 R(M ) 294,50 1,75 294,50 2,50 2,25 294,25 1,50 294,25 2,00 UV light on 294,00 1,25 294,00 1,75 Vaccum 1,50 1,00 293,75 293,75 1,25 0,75 293,50 1,00 293,50 0,75 0,50 293,25 293,25 0,50 0,25 293,00 0,25 293,00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 time(min) time(min) R-t. Con luz UV, sin y con vacío. De esta R-t. sin luz UV, en vacío. En esta curva se curva se obtienen los tiempos de relajación puede observar la recuperación de la con y sin vacío. resistencia al quitar la fuente de luz UV 5,0 UV light on Lihgt on Vaccum 4,5 Atmosphere pression 2,0 Data: timerelaj2vac_R 1,8 Model: ExpDec2 4,0 Data: timerelaj2_R Chi^2/DoF = 2079034127.16014 Model: ExpDec2 1,6 R^2 = 0.95912 3,5 y0 709506.69725 ±-- Chi^2/DoF = 646342016.02688 A1 964440.40075 ±0 R(M ) R^2 = 0.9899 1,4 t1 184.10085 ±1.29245 R(M ) A2 -35704.77491 ±-- 3,0 y0 1962850.76304 ±1715.71657 t2 1.6396E97 ±-- A1 778078.1161 ±13683.45215 1,2 t1 17.14833 ±0.37872 A2 1867711.73715 ±24662.26891 2,5 1,0 t2 1.14092 ±0.03027 0,8 2,0 0,6 1,5 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 time(min) time(min) Ajuste R-time light on vaccum. El ajuste Ajuste R-time UV light on atmosphere pressure. El corresponde a una función doble exponencial ajuste corresponde a una función doble exponencial. . Como puede observarse, el ajuste no es bueno
  23. 23. CONCLUSIONES•Se han obtenido nano y microhilos por el método Carbotermal.•A través de separación mecánica algunos hilos han sido aislados ycontactados sobre la superficie de sustratos de Si/Si3N4.•Empleando técnicas electrón beam-litography es posible contactarapropiadamente nanohilos de alta resistividad para medir propiedadesde transporte.•Se han medido curvas I-V, R-t y R-T iluminando la muestra con luz UVy en la oscuridad. También se ha estudiado la influencia de la presiónatmosférica sobre las propiedades de transporte.•La curva R-T bajo la influencia de la luz UV demuestra uncomportamiento metálico de la muestra por arriba de los 175K.•Luego de las mediciones anteriormente mencionadas, se habombardeado la muestra (R_2) con protones con una fluencia de0.2nC/μm2•Luego de la irradiación de protones, la muestra no presenta cambioscuando se la ilumina con luz UV o por el cambio de temperatura. 23
  24. 24. TRABAJO EN TUCUMÁN (2011)•Microhilos contactados en Alemania-Propiedades de transporte eléctrico a diferenteslongitudes de onda a presión atmosférica y en vacío- Propiedades de transporte a diferentes longitudes deonda y a diferentes temperaturas-Propiedades de magnetotransporte a diferenteslongitudes de onda y a diferentes temperaturas•Fabricación de nuevos nanohilos en Tucumán-Con diferentes presiones de oxígeno y argón-Dopaje con Li 24
  25. 25. Año 2011 “Fabricación y Caracterización de nano ymicro-estructuras de óxidos semiconductores” María Cecilia Zapata 25
  26. 26. “CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA DE MICROHHILOS CONTACTADOS CON LA TÉCNICA DE SOLDADURA FRÍA Y CON LA TÉCNICA DE NANOLITOGRAFÍA” LAFISO“FABRICACIÓN DE NANOHILOS DE ZNO DOPADOS CON LI” LAFISO 26
  27. 27. “CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA DE MICROHHILOS CONTACTADOS CON LA TÉCNICA DE SOLDADURA FRÍA Y CON LA TÉCNICA DE NANOLITOGRAFÍA” LAFISO Muestra R_1 Muestra S_3 Muestra R_2 Microhilos contactados con Microhilo contactado con pintura alambres de Au soldados con In. de plata luego del proceso de Soldadura fría nanolitografía 27
  28. 28. Caracterización de la muestra denominada R_1 0,16 0,14 0,12 En la figura 2, en 0,10 0,08 Fig. 1. Curva IV de la ambas gráficas se puede observar muestra R_1 que la PR presenta una mayor I( A) 0,06 0,04 variación para =442 nm 0,02 0,00 pudiéndose inferir que esta -0,02 longitud de onda corresponde a la -0,04 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 energía del gap. En la gráfica con V(v) campo magnético aplicado, la B=0T 20 PR% B=0T variación de la PR es ligeramente 0 PR% B=0.55T fórmula de Varshni 0 T=50K mayor y la recuperación en oscuro =442nm -20 -20 T=Tamb 442, 427, 413 y 400 nm es más lenta. =427nm -40 La figura 3 corresponde a un -40 PR% barrido en longitudes de onda sinPR% =413nm -60 otras longitudes de onda: -60 =400nm 387, 375, 364, 354, 345nm =375nm campo magnético aplicado y a -80 -80 Recuperación en oscuro 375, 365, 354 Recuperación en oscuro T=50K. En este caso la PR y 345 nm -100 -100 presenta una mayor variación para -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 50 100 150 200 250 =375nm sugiriendo un aumento tiempo(min) tiempo(min) (disminución en la longitud de Fig. 2. Barrido en diferentes Fig. 3. Barrido en diferentes onda) del ancho del gap como longitudes de onda a temperatura longitudes de onda a T=50K sin campo ambiente con y sin campo magnético resultado de la disminución de la magnético aplicado. aplicado. temperatura 28
  29. 29. Caracterización de la muestra denominada R_1 29sept 27sept 5 27sept.tarde Es posible reproducir los barridos 29sept. Campo Mag. B=0.8T PR vs λ si se satura a la longitud de 0 onda inicial del barrido: 250 nm. Se -5 observa mínimo ancho entre 370 a 400 nm y una reiterada inflexión enPR [%] -10 mínimo 470 nm aproximadamente. Con -15 campo magnético aplicado no hubo cambio en la PR hasta alcanzar 470 -20 nm; desde allí hasta los 525 nm -25 inflexión aproximadamente desaparecen los 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 dos cambios bruscos de pendiente. [nm] La resistencia inicial no se recupera en períodos cortos de tiempo Fig. 4. Barrido en diferentes longitudes de onda (250-650 nm) a temperatura ambiente Resistencia de contacto Estados trampa 29
  30. 30. Caracterización de la muestra denominada S_3ε1 es la energía requerida para Could down dark 4 1400promover un electrón a la 3 0,5 1200 1000 0,0 =96 meVbanda de conducción 1 [291-247 K] 800 R(M ) 2 -0,5 600 I( A)ε2 es la energía requerida para 400 1 -1,0 200 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325promover un electrón a la -1,5 T(K) ) 299 -1 -2,0banda de impurezas o defectos Ln( / -6 -4 -2 0 2 4 6 V(v) -2,5Fig.35. esy la vacíola de bombaS_3. A temperatura ε Curva IV de muestra mecánica después ambiente con energía de activación -3,0 2 =5.5 meV 3=3.2 meV de haber permanecido 12 horas en oscuro [84-73 K] [73-57 K]de saltos dentro de la banda de -3,5 -4,0impurezas o defectos 2 4 6 8 10 12 14 16 18 1000/T(K) Fig. 6. Ajuste RT de la muestra S_3. Obtención de energías de activación. Inset: Curva RT 30
  31. 31. Caracterización de la muestra denominada S_3 B=0T, T=56K 20 B=0.8T, T=56K B=0T, T=152K B=0.8T, T=152K B=0T, T=299K 0 B=0.8T, T=299K Se puede apreciar que la PR es mayor a menores temperaturas. La -20 PR con campo magnético aplicado es menor comparada con la PR sinPR% -40 campo para la misma temperatura, excepto a temperatura ambiente en -60 donde la PR es menor con campo magnético aplicado -80 300 350 400 450 500 550 600 (nm) P= Neff v St exp (-ΔE/kT) Fig. 7. Barridos en frecuencia a diferentes temperaturas con y sin campo magnético aplicado 31
  32. 32. “FABRICACIÓN DE NANOHILOS DE ZNO DOPADOS CON LI” (Resultados preliminares) LAFISO Fabricados mediante la técnica MCTE Parámetros de Temp. de crecimiento Sustratos %Li crec. •Flujo de Ar: 250ccm •Zafiro •730°C •10 • Flujo de O2: 30ccm •Si/SiO2 •900°C •18 Nominal • Temperatura •36 máxima del horno: 1100°C (varía entre 1090°C y 1097°C) • Tiempo de deposición: 1,5 horas 32
  33. 33. “FABRICACIÓN DE NANOHILOS DE ZNO DOPADOS CON LI” (Resultados preliminares) LAFISO SEMZafiro Zafiro900°C 730°C%36Li %18LiSi/Si02 Se observa mayor densidad de nanohilos900°C crecidos sobre sustrato de Si/SiO2 a mayor%18Li temperatura y con menor porcentaje de dopaje con LiSi/Si02 Si/Si02900°C 730°C%10Li %10Li 33
  34. 34. “FABRICACIÓN DE NANOHILOS DE ZNO DOPADOS CON LI” (Resultados preliminares) LAFISO No muestran presencia de XEDS elementos no deseados con (X-Ray Energy Dispersive Spectroscopy) lo cual deducimos que las muestras obtenidas carecen de contaminantes EXAFS (X-Ray No muestran cambios en el Absortion Fine valor para borde deStructure) y XANES energía ni en la forma(X-Ray Absortion Near Edge Structure) sugiriendo que el dopado no cambio el estado de oxidación del ZnO 34
  35. 35. CONCLUSIONES•Se han medido curvas I-V, R-T y de PR en dos microhilosde diferentes tamaños fabricados mediante el métodoCarbotermal y contactados con dos técnicas diferentes.•Los resultados obtenidos en estos microhilos, sondiferentes, indicando este hecho que las característicaseléctricas y de transporte son función del tamaño de losmismos y de la técnica de contacto eléctrico.•Se han fabricado nanohilos de ZnO dopados con Limediante la técnica MCTE variando los parámetros decrecimiento: temperatura de crecimiento, flujos de gases,sustratos y dopajes %Li.•Para ver la morfología y composición química, se hanempleado SEM y XEDS.•La estructura fue analizada con (XAS y XANES) 35
  36. 36. Muchas gracias! 36

×