Crecimiento y caracterización de películas delgadas de Bi electrodepositadas sobre sustratos de n-GaAs

Resumen

El bismuto (Bi) es un semimetal con interesantes propiedades electrónicas debido principalmente a su baja densidad de portadores y a la baja masa efectiva de éstos. Es por ello que los electrones en el Bi tienen un recorrido libre medio y una longitud de onda de Fermi considerablemente altos en comparación con otros metales. Esto convierte al Bi en un material propicio para la observación de efectos de tamaño. Sin embrago, estos efectos son sensibles a la calidad cristalina del Bi y por ello es necesario emplear la electrodeposición como técnica de crecimiento, ya que permite obtener nanoestructuras de alta calidad cristalina sobre sustratos semiconductores. Aunque existen trabajos acerca de la fabricación de diodos a partir de la electrodeposición de películas relativamente gruesas de Bi sobre n-GaAs, no existen estudios sobre medidas de transporte realizadas en capas delgadas de pocas decenas de nanómetros obtenidas por electrodeposición. En esta tesis doctoral se ha estudiado el origen de la policristalinidad y porosidad observada en capas de Bi de 50 nm electrodepositadas sobre sustratos de n-GaAs en condiciones de oscuridad y temperatura ambiente. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos a partir de voltametrías cíclicas (CV) realizadas en distintas condiciones se ha concluido que la superficie de los electrodos de n-GaAs está bloqueada por hidrógeno adsorbido (Hads). Esta capa de Hads es consecuencia de la transferencia de carga del semiconductor al electrolito cuando ambos entran en contacto, transferencia necesaria para alcanzar el equilibrio electroquímico. Los electrones permanecen en la interfase semiconductor-electrolito e interactúan con los protones de este último. Así, se forma una capa de As-H altamente estable debido al enlace covalente entre As e H, que pasiva la superficie del electrodo, impidiendo el acercamiento y reducción de otros iones con potenciales de reducción más positivos que el del hidrógeno (p. e. Bi, Au, Ag, Pt, Cu). Debido a la presencia de este bloqueo, en esta tesis se estudian tres rutas para mejorar la calidad de las capas de Bi con el fin de poder observar efectos de tamaño en sus propiedades de transporte. La primera ruta consiste en aumentar la temperatura del electrolito para aumentar la energía de los átomos adsorbidos y facilitar el crecimiento ordenado de la capa de Bi. La segunda ruta consiste en iluminar el sustrato para provocar la oxidación de los enlaces As-H a través de los huecos fotogenerados, desbloqueando así la superficie de n-GaAs. La tercera ruta consiste en realizar una CV antes de crecer la capa para desplazar los átomos de Hads mediante la electrodeposición de una capa de Bi de mala calidad que posteriormente se disuelve, dejando una superficie libre de Hads. Los resultados experimentales indican que la tercera ruta es el mejor procedimiento a seguir, ya que no altera la superficie del sustrato y da lugar a capas de mejor calidad cristalina. También se discute la existencia de dos fuentes de adsorción de hidrógeno: la carga transferida para alcanzar el equilibrio electroquímico, y la interacción entre estados superficiales asociados a átomos de As del sustrato de GaAs y los protones del electrolito. Por último, una vez encontrada la ruta para obtener capas compactas y texturadas, se ha estudiado el efecto de la orientación de la superficie del n-GaAs en la electrodeposición de capas delgadas de Bi. Para ello se ha llevado a cabo la caracterización electroquímica de dos orientaciones distintas del n-GaAs, la caracterización morfológica y estructural de capas de Bi crecidas sobre estas dos orientaciones, y se han investigado las propiedades eléctricas de la intercara Bi/GaAs en ambos casos. Se ha determinado que la composición química de la superficie influye en el mecanismo de nucleación de la capa y en las propiedades eléctricas de la intercara, mientras que la disposición de los átomos superficiales es determinante en su estructura cristalina y morfológica.