Síntesis y caracterización de micro- y nanoestructuras de ZnSX (X=Al, Ga, In)

Resumen

En la presente memoria de tesis doctoral se muestran y discuten los principales resultados de la investigación realizada en micro- y nanoestructuras de ZnS. Este material, perteneciente a la familia de los semiconductores II-VI, presenta unas propiedades físicas interesantes, entre las que destacan su banda de energía prohibida directa en el ultravioleta (3.7 eV), su alta energía de enlace excitónica (40 meV) y su estabilidad química. Esto convierte al ZnS en un buen candidato para diversas aplicaciones optoelectrónicas. Para crecer las micro- y nanoestructuras de ZnS se ha empleado el mecanismo de vapor-sólido (VS), que permite obtener las estructuras tanto puras como dopadas sin la presencia de un catalizador externo, evitando así la alteración de las propiedades físicas del material crecido. Las técnicas empleadas para caracterizar las estructuras están basadas principalmente en microscopías electrónicas y espectroscopia óptica, con las que se analizan las propiedades morfológicas, de composición y optoelectrónicas.Se ha realizado un estudio completo de la morfología de las estructuras de sistemas basados en ZnS:Al, Ga, In, prestando especial atención a la influencia del dopante sobre las diferentes propiedades de interés en estos sistemas. En lo que se refiere a la morfología, en ZnS puro se obtienen principalmente nanohilos, nanocintas y microbarras, estando las diferencias de morfología asociadas a diferentes direcciones y planos de crecimiento. La incorporación de los dopantes altera las direcciones y planos más favorables para el crecimiento del material puro, lo que da lugar a la aparición de una mayor variedad de morfologías: pirámides, placas, lápices, hilos de sección triangular o estructuras jerarquizadas. Con estas estructuras se ha realizado un estudio de los cambios que producen dichos dopantes en la estructura de defectos y las propiedades luminiscentes del material. Por otra parte, la luminiscencia característica del ZnS se asocia tradicionalmente a transiciones entre pares donores-aceptores, estando estos niveles creados tanto por defectos nativos del material (vacantes y/o intersticiales de Zn o S) como por los dopantes introducidos. La incorporación del dopante a la red cristalina provoca un cambio en la luminiscencia del ZnS. Mientras que el ZnS puro emite en la región azul-verde, los dopantes provocan la aparición de emisiones desde el UV al naranja, permitiendo así barrer todo el espectro visible.Finalmente, una de las propiedades más interesantes, y pese a ello menos explotadas, es el elevado índice de refracción del ZnS, en torno a 2.4. Este valor convierte a las estructuras de ZnS en buenas candidatas para actuar como guías de luz y cavidades ópticas resonantes. En este trabajo se han estudiado los diferentes modos resonantes (tanto Fabry-Pérot como Whispering Gallery), comprobándose que las estructuras son aptas para ser usadas como cavidades resonantes, consiguiéndose en algunos casos efecto láser. Hasta donde hemos podido encontrar, es la primera ver que se han estudiado modos resonantes ópticos en ZnS dopado en la región visible.