Estudio de nano- y microestructuras de ZnO codopado con Li y Tierras Raras

Resumen

En esta tesis se ha analizado la influencia que puede tenerla adición de determinadoslantánidos en las propiedades del ZnO y en su comportamientoluminiscente al añadir,además, Li como codopante.El ZnO es un material semiconductor con muy buenaspropiedades. El dopado de este materialcon lantánidos mejora sus propiedades luminiscentes enlongitudes de onda muy concretas,aunque estos producen defectos locales y/o deformaciones enla red cristalina. La adición dealcalinos al ZnO, por su parte, modifica su ancho de banda,su tipo de conductividad eléctrica,algunos como el Li también mejoran la eficiencia de emisiónen el ZnO dopado con lantánidos,y además los alcalinos pueden ayudar a compensar los excesosde carga introducidos por loslantánidos en el ZnO.Para este estudio se han fabricado micro y nanoestructurasde ZnO codopadas con Er, Tb y Eu(fijo en un 5 % en peso) y con Li respectivamente (un 1, 5 o10 % en peso), utilizando unmétodo de crecimiento vapor-sólido. Las estructurasobtenidas presentan variedad demorfologías (hilos, agujas, cintas, espadas, etc.)dependiendo de factores como la tierra rarautilizada para dopar, la cantidad de Li añadida comocodopante o la zona del horno sobre laque han crecido.La caracterización de estas estructuras se ha realizadomediante técnicas ligadas a lamicroscopía electrónica de barrido como lacatodoluminiscencia y el microanálisis de rayos X, atécnicas de espectroscopía óptica como Raman yfotoluminiscencia, y a técnicas de difracciónde rayos X.Los resultados obtenidos indican que las estructurasfabricadas presentan una calidadcristalina muy buena con una buena incorporación de losdopantes utilizados. Como era deesperar, la adición de Er, Tb o Eu ha influido en laspropiedades luminiscentes del ZnO, y laadición conjunta de Li también ha hecho variar tanto lamorfología de las estructurasobtenidas como las propiedades ópticas de las mismas.Para el sistema ZnO:Er:Li las estructuras obtenidas tienenforma de hilo y cinta con longitudesde varias micras y espesores de unos cientos de nanómetros.La luminiscencia asociada a losniveles profundos está fuertemente influenciada por lapresencia de Li, cuyo porcentaje dedopado del 5 % en peso optimiza las emisiones intraiónicas4f. El codopado con Li también hamejorado la emisión del ión Er3+ de 0,8 eV de granimportancia en las telecomunicaciones.Para el sistema ZnO:Tb:Li también se han conseguido granvariedad de morfologías (hilos,cintas, espadas, etc.) afectadas por la cantidad de Liañadida como precursor. Se ha observado,también, en función de la cantidad agregada, la influenciade la incorporación del Li sobre laluminiscencia asociada a los defectos en el material comoconsecuencia del cambio en el tipode posición que ocupa el Li en la subred de Zn (intersticialpara bajos contenidos de Li ysustitucional cuando la cantidad de Li supera el 5 % en pesoen el precursor).Para el sistema ZnO:Eu:Li se han obtenido gran variedadestructuras con diferentesmorfologías (cintas, espadas y peines). La luminiscencia muestralas conocidas bandas deemisión verde y UV del ZnO, sin embargo, se observandiferencias en la intensidad relativa y enla posición del pico probablemente debido a cambios en laconcentración de defectos relacionados con variaciones en la incorporación de dopantesdentro las estructuras. Tambiénse detectan líneas de emisión asociadas a las transicionesintraiónicas del ion Eu3+, aunque seobservan diferencias en los niveles involucrados en funcióndel contenido de Li en el precursor.Finalmente, la incorporación de Li ha mejorado muynotoriamente el comportamiento de lasestructuras como cavidades resonantes ópticas tipoFabry-Pérot frente a las estructuras quesolo se han dopado con lantánidos. En estructuras codopadascon Eu y Li se han alcanzadofactores de calidad en torno a 1000 en la región UV, lo queabre la posibilidad de utilizar estasestructuras en nano y microdispositivos fotónicos.