Estudio de propiedades ópticas y eléctricas en películas de trióxido de molibdeno obtenidas por atomización pirolítica y evaluación de la respuesta eléctrica en la detección de monóxido de carbono

Desde su creación en el año 2006, el Grupo de Materiales con Aplicaciones Tecnológicas del Departamento de Física de la Universidad Nacional de Colombia, viene investigando en la elaboración y caracterización de películas delgadas de diferentes materiales. Uno de los materiales estudiados por el grupo es el trióxido de Molibdeno, MoO3. Inicialmente se produjeron películas por evaporación asistida con láser de dióxido de Carbono CO2. Continuando con el estudio de este material se presenta este trabajo de tesis, que consistió en producir las películas delgadas por la técnica de atomización pirolítica, con el fin de determinar cómo influyen los parámetros de depósito sobre las propiedades estructurales, morfológicas, ópticas y eléctricas del material depositado, analizar sus características y determinar la posible aplicación tecnológica. El punto de partida de este proyecto fue el diseño e implementación del equipo para el crecimiento de películas delgadas de buena calidad y reproducibles, que permitiera tener un control apropiado de los parámetros de depósito y que fuera económicamente asequible. De manera que ahora con el equipo construido es posible crecer películas delgadas a partir de diferentes tipos de compuestos, obteniendo óptimos resultados para el estudio y utilización de las mismas. El depósito de películas de MoO3, bajo la técnica de atomización pirolítica, se realizó a partir de solución de heptamolibdato de Amonio 4-hidratado, a temperaturas de sustrato de 423, 473, 523, 573, 623 y 673 K y con variaciones de la cantidad de solución asperjada de 5, 10, 20 y 40 ml. Mediante las técnicas de Difracción de Rayos X y espectrometría Raman, se identificó que a temperaturas de sustrato inferior a 523 K se obtiene la fase di-hidratada del trioxido, MoO3(H2O)2. A temperaturas de sustrato superiores a 573 K se obtiene la fase -MoO3 policristalina, y a temperaturas de sustrato mayores se presenta un crecimiento preferencial en la películas a lo largo de la dirección (0k0). Para todas las temperaturas de depósito estudiadas en las películas se obtuvieron granos de dimensión nanométrica. La caracterización morfológica permitió identificar la coexistencia de dos tipos de estructuras, la primera corresponde a la dejada por la gota proveniente de la aspersión al golpear el sustrato, esta estructura es de forma desordenada con tamaños de poro del orden de las micras, estructura micrométrica, el segundo tipo de estructura que está inmersa dentro de la micrométrica, se debe a los granos que se forman durante el crecimiento de la película, estructura nanométrica con tamaños de grano desde las decenas hasta las centenas de nanómetros. Con base en los espectros de transmisión experimentales de la luz en las películas, desde los 290 nm hasta los 2500 nm, y su simulación, donde se utilizó el modelo de transmisión de luz en una película delgada, la ley de Beer y el modelo de oscilador de Wemple- Didomenico, se determinaron las constantes ópticas de las películas: índice de refracción, coeficiente de absorción y la brecha de energía, esta última varió entre 3,0 y 3,85 eV, adicionalmente se identificaron centros de absorción ubicados cerca de los 900nm (~1,4 eV) y en ~2200 nm (~0,56 eV). La resistencia eléctrica para este tipo de películas se obtuvo desde 104 hasta 1013 valor que llega a reducirse entre dos y cinco órdenes de magnitud respectivamente, con el aumento de la temperatura en el rango estudiado. A temperaturas altas (entre ~273K y 473 K), la conducción es dominada por los estados en la banda de conducción, mientras que a bajas temperaturas (273 K) y para las películas depositadas a temperatura de sustrato inferior a 523 K, la conducción depende predominantemente de los estados localizados. La energía de activación en el rango de alta temperatura se encontró entre 0,1 y 0,9 eV y en todos los casos disminuyó con el aumento de la temperatura de sustrato, indicando que con el aumento de la temperatura de sustrato la diferencia de energía entre los estados donores y el piso de la banda de conducción se hace menor. El estudio contempló la evaluación de la respuesta eléctrica en la detección de CO y de H2O de las películas delgadas de MoO3. Debido a que las películas depositadas por atomización pirolítica son promisorias para ser utilizadas como elementos en la fabricación de dispositivos sensores de gas, se hizo un análisis del comportamiento eléctrico de las películas al ser expuestas independientemente al CO y al vapor de H2O y se buscó su relación con las características morfológicas de la superficie de la película y las características estructurales (fase -MoO3 y tamaño de grano). En esta etapa se identificaron las condiciones de depósito de las películas que presentaron mejor respuesta eléctrica (sensitividad) al ser expuesta a las atmósferas mencionadas. Finalmente, con base en la característica I-V mostrada por algunas de las películas, relaciones no lineales entre la corriente y el voltaje, se propuso un modelo granular de conducción eléctrica que explica de manera satisfactoria este comportamiento.

• Autores: Martínez Camargo, Héctor Mauricio
• Fecha de publicación: 2013
• Institución: Universidad Nacional de Colombia
• Repositorio: Universidad Nacional de Colombia
• Idioma: spa
• OAI Identifier: oai:repositorio.unal.edu.co:unal/75119
• Acceso en línea: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/75119; http://bdigital.unal.edu.co/39626/
• Palabra clave: 53 Física / Physics; 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering; Propiedades ópticas; Películas de trióxido de molibdeno; Detección de monóxido de carbono; Dispositivos sensores de gas; Optical properties; Films of molybdenum trioxide; Detection of carbon monoxide; Gas sensing devices
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