Micro- y nanoestructuras de ZnO dopado con metales.Síntesis y crecimiento ordenado sobre sustratos estructurados por láser

Resumen

Este trabajo de investigación aborda la síntesis de micro- y nanoestructuras de ZnO dopado con elementos metálicos con el fin de estudiar sus propiedades y potenciales aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos y de fotocatálisis. Se ha analizado también la posibilidad de controlar espacialmente su crecimiento selectivo sobre diversos tipos de sustratos previamente estructurados por láser. El ZnO es un semiconductor de banda ancha perteneciente al grupo de óxidos conductores trasparentes (TCOs) cuyas propiedades resultan de especial interés para distintas aplicaciones. Se sabe que el uso de dopantes en este material mejora sus propiedades por lo que se ha estudiado cómo influye el dopado con distintos metales alcalinos (Li, K) y de transición (Zr) en las propiedades de las micro- y nanoestructuras crecidas mediante el método vapor ¿ sólido (VS). En general, una vez optimizadas las condiciones de síntesis, se ha obtenido una gran densidad de micro- y nanoestructuras alargadas con morfologías de agujas e hilos. Se ha observado cómo la incorporación del dopante en diferentes posiciones de la red perturba la morfología final pudiendo encontrar estructuras en forma de cintas, placas, triángulos o bolas. En el caso del zirconio, además, se ha obtenido un nanocomposite formado por fases separadas ZnO/ZrO2. En las muestras dopadas con Li y K, la posición del dopante en la red cristalina de ZnO se correlaciona con la cantidad de dopante introducida. Para cantidades bajas, el dopante se incorpora de manera intersticial y, a medida que aumenta el dopado, pasa a ocupar posiciones sustitucionales de zinc. Este comportamiento queda reflejado en la estructura de defectos observada, así como en las distorsiones de la estructura cristalina que se observan en las muestras y que están asociadas a ambos tipos de posiciones. Una de las características más notables del material dopado con alcalinos son sus buenas propiedades ópticas, lo que ha permitido realizar un detallado análisis de las estructuras como guías de luz y cavidades ópticas resonantes de tipo Whispering Gallery que, en el caso del Li, presentan un excelente factor de calidad. Por su parte, la baja solubilidad del Zr en ZnO facilita la formación de un nanocomposite con fases segregadas de ZnO y ZrO2. La emisión luminiscente indica la existencia de un pequeño dopado cruzado (ZnO:Zr y ZrO2:Zn) lo que mejora su estabilidad y facilitaría su integración en dispositivos donde las condiciones de trabajo requieran de una elevada estabilidad química y térmica. Finalmente, se ha analizado la posibilidad de crecer micro- y nanoestructuras ordenadas, sin hacer uso de catalizadores, mediante la utilización de sustratos estructurados con un láser pulsado. Se ha empleado un sustrato semiconductor (Si) y en un metal (Zn), ambos procesados con pulsos láser de fs con el fin de generar estructuras periódicas superficiales (Laser Induced Periodic Surface Structure, LIPSS). Al contrario de lo que ocurre en el Si, la formación de LIPSS en Zn metal no ha sido tan estudiada en la literatura, por lo que se ha realizado un análisis minucioso de las condiciones de irradiación y morfologías derivadas. En ambos casos se ha logrado el crecimiento selectivo del material sobre las zonas estructuradas con láser y se han analizado de forma detallada los mecanismos de crecimiento selectivo que tienen lugar para cada tipo de sustratos. En el primer caso (Si), la amorfización local del material en los LIPSS disminuye la energía requerida para la nucleación favoreciendo el crecimiento de ZnO. En el caso del Zn, la oxidación del material en las áreas procesadas con láser facilita el crecimiento selectivo de nanohilos en un tratamiento térmico posterior. Estas muestras son prometedoras para el desarrollo de fotocatalizadores recuperables basados en nanoestructuras de ZnO. Los primeros resultados muestran una degradación muy notoria en las estructuras producidas mediante esta técnica mixta.