Influencia del orden estructural en el comportamiento luminiscente de óxidos transparentes conductores complejos

Resumen

En la presente Tesis doctoral se exponen y discuten los principales resultados obtenidos de la investigación realizada en tres sistemas pertenecientes a la familia de los Óxidos Transparentes Conductores (TCO). Los TCO han atraído particular interés en las últimas décadas debido a la demanda creciente de dispositivos basados en sus propiedades optoelectrónicas. Esto se debe, principalmente, a que poseen un gran intervalo de energía prohibida (menor o igual 3.5 eV), lo que convierte a estos materiales en referentes en el área de la tecnología de las comunicaciones. Los ejemplos más representativos de esta familia son ZnO, TiO2, Ga2O3 o In2O3, muy atractivos para un amplio abanico de aplicaciones, debido a su multifuncionalidad. Además, en circunstancias adecuadas, algunos de ellos pueden ser la base de diferentes estructuras complejas, que originan series homólogas, las cuales constituyen una alternativa eficiente para obtener nuevos materiales de banda ancha con propiedades ópticas/eléctricas modificables. En este sentido, la química juega un papel primordial, ya que este comportamiento puede mejorarse controlando ciertos parámetros químicos y estrategias de síntesis, para estudiar la influencia de la morfología, el tamaño de partícula, las variaciones de composición, la ingeniería de defectos, entre otros, en sus propiedades físico-químicas. Sobre la base de estas ideas, el objetivo general de esta tesis ha sido el estudio de dos series homólogas de TCO, la primera de ellas basada en óxidos de In y Zn, la segunda en óxidos de Ga y Ti, para analizar la influencia que ejercen las variaciones de composición en la estructura de los diferentes términos de las series y en sus propiedades optoelectrónicas. El trabajo está estructurado en cuatro capítulos, una sección de conclusiones generales y un anexo, con una breve descripción de los dispositivos y las técnicas de caracterización utilizadas durante la realización de este trabajo. El capítulo 1 consiste en una introducción en la que se hace una revisión del estado del arte del área de investigación de los óxidos semiconductores luminiscentes y una descripción detallada de las aplicaciones de los TCO. Con objeto de entender cómo se aborda su estudio, se describe el proceso de recombinación luminiscente mediante las técnicas de fotoluminiscencia (PL) y cátodoluminiscencia (CL). Finalmente, se presentan los desafíos relacionados con estos materiales y los objetivos de la tesis. El capítulo 2 describe, inicialmente, el método de síntesis utilizado para la obtención de la serie homóloga ZnkIn2Ok+3 (IZO). A partir de los datos de difracción de rayos X (XRD) se obtiene información media de la estructura de los términos de la serie en base a una simetría hexagonal, con grupos espaciales diferentes para los términos con k impar o para aquéllos con k par. Se utiliza la microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) para determinar el tipo de orden a larga o corta distancia que presentan los miembros de la serie como consecuencia del crecimiento de capas de InO2- en coordinación octaédrica con bloques wurtzita de InZnkOk+1 + apilados perpendicularmente al eje c del cristal. Se utiliza la microscopía electrónica con resolución atómica para analizar el orden a corta distancia de los átomos de indio dentro de los bloques tipo wurtzita, que siguen un patrón de zig-zag. El conjunto de estos resultados permite analizar la influencia del valor de k en la formación y estabilización de esta modulación estructural.