Espectroscopias Óptica y Eléctrica de Diversos Materiales (nanocristales de silicio embebidos en diferentes matrices como nitruros, óxidos y silicio amorfo) Obtenidos por PECVD Para Su Uso en Energías Renovables_x000D_ _x000D_ _x000D_ _x000D_ Planteamiento, justificación y descripción general del Proyecto._x000D_ _x000D_ SINTESIS DEL PROYECTO_x000D_ _x000D_ _x000D_ El desarrollo de nuevas tecnologías en materiales para su uso en dispositivos semiconductores, ha motivado la apertura de un amplio campo de investigación en compuestos semiconductores en forma de películas delgadas, materiales nanoestructurados y nanocristales embebidos en diferentes matrices aislantes y semiconductoras. En particular, el silicio polimorfo y sus diferentes aleaciones han recibido una amplia atención a nivel mundial como posibles soportes de nanopartículas cristalinas de silicio. El silicio y sus aleaciones están siendo ampliamente investigados en sus formas ultradelgadas (1 a 10 nm), en forma de nanoparticulas (1 a 5 nm de diámetro), en películas polimorfas nanoestructuradas y como parte de diferentes matrices ya sea en óxidos, nitruros o carburos de silicio. Las aplicaciones de estos materiales pueden ser muy diversas y van desde el sueño de muchos investigadores de poder obtener el láser de silicio a diodos emisores de luz (LED`s) de diferentes colores, transistores TFT, celdas solares de alta eficiencia, pantallas ultradelgadas y sensores de diferentes radiaciones._x000D_ _x000D_ Desde hace más de 4 años con la ayuda de diversos proyectos tanto del CONACyT, proyectos universitarios PAPIIT y del ICyTDF, en los Laboratorios de Materiales Avanzados para su Uso en Energías Renovables del Departamento de la Materia Condensada y Criogenia del Instituto de Investigaciones en Materiales se ha creado la infraestructura necesaria para poder obtener una gran variedad de los materiales antes mencionado. Como parte del mejoramiento y entendimiento de las propiedades de estos materiales se hace necesaria la implementación de técnicas de caracterización más complejas que complementen las técnicas con que contamos actualmente. Una de estas técnicas es la espectroscopia óptica y eléctrica de estos materiales. Se ha estado trabajando en la obtención y estudio de diversos compuestos de silicio obtenidos por la técnica de depósito en fase vapor asistido por plasma o PECVD como es conocida por sus siglas en inglés. Esta técnica por su versatilidad y sencillez permite la obtención de una gran variedad de materiales a partir de la descomposición de distintos compuestos como son los haluros de silicio y su mezcla con otros gases como amoniaco, hidrógeno, metano, nitrógeno y otros. Mas recientemente y con el gran auge en la Nanociencia y la Nanotecnología en nuestros laboratorios se han comenzado investigaciones para la obtención de nanopartículas de silicio creadas dentro del plasma. En función de la densidad de estas partículas, sus tamaños y su estado amorfo o cristalino, cambian abruptamente las propiedades ópticas y eléctricas de estos sistemas compuestos. Con ayuda del financiamiento del presente proyecto, queremos comprar un sistema criostato con control de vacío, de ciclo abierto con helio para desde para obtener un rango de temperatura desde 10 K hasta 400 K, con ventanas de cuarzo y cuatro salidas de cables para polarización y mediciones de corrientes. Este sistema ayuda a complementar los sistemas de espectroscopía óptica con que contamos y nos permitirá realizar estudios en función de la temperatura de la luminiscencia, fotoconductividad y fotodegradación de los diverso materiales obtenidos en nuestros sistemas de crecimiento. _x000D_ _x000D_ Gracias a la implementación de las técnicas antes mencionadas se estudiarán otras propiedades ópticas de los compuestos de silicio nanoestructurados y sus aleaciones, como son los mecanismos de recombinación radiativa en el material y la posible ganancia óptica del mismo. También se estudiará la fotoconductividad en función de la temperatura y para diverso grados de iluminación, cálculos de energías de activación de diverso mecanismos. Fotodegradación, longitud de difusión de portadores minoritarios, etc. El conocimiento y control de todos estos parámetros, son muy importantes para la posible aplicación de estos materiales en dispositivos fotónicos, pues permitiría mejorar sustancialmente la eficiencia de los mismos._x000D_ _x000D_ En todos los casos el entendimiento y descripción de las propiedades de interés estudiadas, con base en los resultados experimentales obtenidos y en la aplicación de modelos teóricos, son una contribución importante del proyecto. En este sentido, se publicaran artículos en revista indexadas de alta circulación internacional, se presentarán trabajo en prestigiosos eventos internacionales relacionados con la temática, se realizarán estancias de servicio social, y tesis de licenciatura, maestría y/o doctorado, dentro del contexto de este proyecto contribuyendo así a la formación de recursos humanos. Asimismo, los conocimientos derivados de este proyecto permitirán la actualización de conceptos físicos, químicos y del área de materiales electrónicos, en general, que se incluirán en los cursos impartidos a nivel licenciatura y/o posgrado. De esta manera se contribuye a la actualización y calidad de los planes de estudio en las áreas involucradas. Por último creo necesario mencionar que estos sistemas portarán nuevas técnicas de caracterización al Instituto de Investigaciones en Materiales y contribuirá a la generación de infraestructura en el Laboratorio de Materiales Avanzados para su Uso en Energías Renovables._x000D_ _x000D_

CONTRIBUCIÓN DEL PROYECTO_x000D_ _x000D_ Primero que nada, es importante remarcar que este proyecto se encuentra en la frontera del conocimiento en una temática de mucha actualidad como son las Nanociencias y las Nanotecnologías. De hecho, la publicación en Applied Physics Letters [14], fue premiada en este contexto y publicada en una edición especial de la revista Virtual Journal of Nanoscale Science and Technology donde se publicaron artículos vinculados con investigaciones en la frontera de la ciencia. Debido a la naturaleza compleja del material (nanocristales y matriz amorfa) se necesita de diversas herramientas para describir los procesos de recombinación y transporte que tienen lugar en el mismo._x000D_ Este proyecto aportará al conocimiento de los mecanismos físicos que están involucrados en la recombinación radiativa en aleaciones de silicio nanoestructurado. A través de un análisis de Fotoluminiscencia en función de la temperatura se pueden obtener las energías de activación de los diferentes mecanismos que la generan. Por ejemplo, la recombinación que ocurre a través de defectos introducidos por la superficie de los nanocristales o la interfaz nanocristal/matriz amorfa tendrá energías de activación diferentes a la recombinación de los excitones dentro del nanocristal, producto del confinamiento cuántico. _x000D_ Existen indicios de que la emisión de los nanocristales de silicio embebidos en dióxido de silicio o nitruro de silicio presentan ganancia óptica [17]. En este proyecto se estudiará la emisión de fotoluminiscencia de diversas aleaciones de silicio nanoestructurado en función de la potencia de excitación y en función de la temperatura. Esto permitirá obtener evidencia de si se presenta emisión estimulada en este tipo de materiales. Lo anterior es muy importante para su aplicación en dispositivos fotónicos pues permitiría mejorar sustancialmente la eficiencia de los mismos. Mediante un estudio detallado de los mecanismos de recombinación radiativa y las características de la emisión observadas se podrá proponer un modelo que permita aportar nuevos elementos científicos a la discusión respecto al origen de la emisión estimulada en estos materiales._x000D_ En el caso de nanocristales de silicio embebidos en una matriz de silicio amorfo, una de las propiedades más importantes a estudiar es la movilidad de portadores en el material para evaluar su aplicación en dispositivos fotovoltaicos a película delgada. Esta propiedad se puede estimar a partir de mediciones de fotoconductividad. Cabe mencionar que este material es muy prometedor para este tipo de aplicaciones, por lo que existe un gran interés en el estudio de sus propiedades ópticas y eléctricas y su relación con las propiedades nanoestructurales. Puesto que la inclusión de nanocristales en la matriz amorfa introduce fronteras de grano, se debe analizar el efecto de estas interfaces matriz amorfa/nanocristales en las propiedades de transporte dentro del material._x000D_ La longitud de difusión de portadores en el material se puede determinar por medio de mediciones de fotoconductividad en oscuro y bajo iluminación, lo cual permite el cálculo de la fotosensitividad y por lo tanto del factor µ. Esta técnica proporciona la respuesta de fotocorriente generada en función de la intensidad de la radiación incidente. En el caso donde este análisis se realiza a diferentes longitudes de onda de excitación, se puede variar la longitud de penetración de la luz y, por lo tanto la profundidad de absorción de la luz y estudiar la foto respuesta del materia a diferentes longitudes de onda. De esta manera, en este proyecto se estudiará la longitud de difusión de los portadores fotogenerados a diferentes profundidades de la película y en función de la intensidad de la radiación con un control estricto de la temperatura. Estos estudios permitirán aportar nuevos elementos científicos al entendimiento y descripción de las propiedades optoelectrónicas, con base en los resultados experimentales obtenidos y en la aplicación de modelos teóricos._x000D_ Como producto de las investigaciones realizadas en el marco de este proyecto, se pretenden publicar al menos 2 artículos por año en revistas indexadas de prestigio internacional. Asimismo, se presentará al menos 1 trabajo al año en un evento internacional de reconocido prestigio en el área._x000D_ Se implementarán las siguientes técnicas de análisis de propiedades ópticas y eléctricas que actualmente no se pueden realizar en el Instituto de Investigaciones en Materiales: Espectroscopía de Fotoluminiscencia en función de la temperatura, estudio de Ganancia Óptica. Mediciones de fotoconductividad, fotosensitividad y fotodegradación. Esto aportará nuevas técnicas de caracterización al Instituto de Investigaciones en Materiales y contribuirá a la generación de infraestructura en el Laboratorio de Materiales Avanzados para su Uso en Energías Renovables._x000D_ Se realizarán estancias de servicio social, tesis de licenciatura, maestría y/o docotrado dentro del contexto de este proyecto contribuyendo así a la formación de recursos humanos. Asimismo, los conocimientos derivados de este proyecto permitirán la actualización de conceptos físicos, químicos y del área de materiales electrónicos, en general, que se incluirán en los cursos impartidos a nivel licenciatura y/o posgrado. De esta manera se contribuye a la actualización y calidad de los planes de estudio en las áreas involucradas. _x000D_