Síntesis, caracterización estructural y propiedades físicas de micro y nano estructuras de óxido de antimonio

Resumen

El Sb2O3 es un semiconductor del que ya se han estudiado varias de sus propiedades relacionadas con sus principales aplicaciones potenciales. Sin embargo, bastantes aspectos de su comportamiento óptico y electrónico son todavía poco conocidos, especialmente en el caso de las micro y nanoestructuras. El primer objetivo de este trabajo ha sido la puesta a punto de un método reproducible de crecimiento de nano-estructuras de Sb2O3, basado en el proceso de evaporación-solidificación.Un segundo objetivo ha sido el estudio de las propiedades ópticas. En particular nos hemos centrado en la luminiscencia. También, hemos estudiado algunos fenómenos de transiciones de fase inducidas por radiación láser o más exactamente, por calentamiento local del material.Trabajos recientes muestran que varios óxidos semiconductores se comportan como resonadores mecánicos, sin que exista ninguna referencia sobre el Sb2O3. En este campo, nuestro objetivo ha sido determinar si las microvarillas sintetizadas en este trabajo pueden actuar como resonadores mecánicos eficientes.Se ha realizado la síntesis de micro y nanoestructuras de Sb2O3 en fase cúbica mediante el método de crecimiento VS donde, en todos los casos, se ha utilizado Sb como fuente, variando la temperatura del sustrato utilizado. Para la caracterización estructural hemos utilizado SEM, EBSD, EDS, espectroscopía Raman, y XRD. Las estructuras de fase cúbica de Sb2O3 crecidas a temperaturas comprendidas entre 210°C y 450°C son: microesferas, octaedros, pirámides, triángulos micro y nanométricos además de configuraciones más complejas como aglomerados o estructuras de tipo fractal y dendrítico, citadas en orden de menor a mayor temperatura de sustrato. En el rango de temperaturas mayores (de 450°C a 550°C) con el mismo método de crecimiento y la misma fuente, se han obtenido micro y nano-varillas de Sb2O3 en fase ortorrómbica. Se han obtenido estructuras alargadas con sección rectangular, en sustratos de Sb, en muy baja densidad. Sin embargo, en los casos de incorporación de Cr2O3 o SnO2 a los sustratos, la densidad de estructuras ha sido considerablemente elevada. Las varillas presentan secciones nanométricas cuando se incorpora Cr2O3 y micrométricas en el caso de la incorporación del SnO2.El estudio de la luminiscencia de las estructuras se ha llevado mediante el análisis espectral de catodoluminiscencia, CL,y fotoluminiscencia, PL. Ambas fases presentan un rango de emisión en el visible, en concreto en las zonas verde-azul (fase cúbica) y ultravioleta (fase ortorrómbica). Por otra parte, los microtriángulos y microvarillas obtenidos han mostrado comportamientos ópticos resonantes lo que permite su aplicación como resonadores ópticos en el visible o microantenas. Se ha utilizado un método in situ en el SEM, mediante la aplicación de un campo eléctrico alterno para la determinación de las frecuencias de resonancia de varillas de fase ortorrómbica. A partir de las frecuencias de resonancia se han obtenido los valores del módulo de Young de estas micro y nanoestructuras. Se han contrastado los valores del módulo de Young obtenidos con los obtenidos a partir de curvas fuerza-desplazamiento en un AFM concluyendo la validez de la nueva técnica in situ en el SEM para la realización de este tipo de medidas. Por último, hemos estudiado tres transformaciones de fase: de cúbica del Sb2O3, a ortorrómbica del Sb2O3, de ortorrómbica del Sb2O3 a cúbica del Sb2O3 y de ortorrómbica del Sb2O3 a ortorrómbica del Sb2O4.La técnica de espectroscopía Raman y el análisis de PL en función del tiempo de irradiación con un láser, han demostrado ser vías útiles para el estudio de transformaciones de fase de manera localizada. Se ha concluido que en los procesos de transformaciones de fase inducidas por irradiación dependen de la naturaleza de la fuente de irradiación y del tamaño de la estructura.