Se le llama efecto fotovoltaico de bulto (EFB) a la generación de fotocorrientes en materiales que carecen de simetría de inversión. Los materiales ferroeléctricos que, necesariamente son no centrosimétricos, presentan este efecto y pueden generar corriente como respuesta a iluminación directa. El efecto fotovoltaico de bulto se presenta en muestras puras y homogéneas como el BaTiO3 o en materiales multiferroicos como el BiFeO3, con eficiencias hasta de 10%. En la actualidad, no existe una explicación universalmente aceptada del mecanismo físico del EFB y en este proyecto se tiene el doble propósito de, contribuir al entendimiento del fenómeno y de producir películas delgadas de varios materiales cuya respuesta fotoeléctrica pueda permitir aplicaciones tecnológicas. El EFB ocurre entre las regiones polarizadas espontánea y uniformemente, es decir, ocurre entre los dominios o las paredes de dominio. El fotovoltaje de un cristal puede alcanzar valores de voltaje superiores a la banda prohibida en varios órdenes de magnitud. En este proyecto, se estudiará el fenómeno en películas delgadas. Se tiene el antecedente de que el efecto fotovoltaico ocurre en películas ferroeléctricas con estructura periódica de dominios. Cuando la muestra es iluminada con luz suficientemente intensa, las paredes de dominio funcionan como generadores de fotocorriente. En circuito abierto, los fotovoltajes, para paredes de dominio ordenadas periódicamente, son aditivos y se pueden generar voltajes mucho mayores que el de la banda prohibida. La eficiencia cuántica para paredes de dominio individuales puede llegar a 10% para fotones con energía mayor que la de la banda prohibida. El propósito de este trabajo es acercarse a las propiedades y cualidades necesarias para reproducir el efecto fotovoltaico en las paredes de dominio de materiales ferroeléctricos como el ferrato de bismuto (BiFeO3) (BFO), el Pb(Fb0.5Nb0.5)O3 (PFN), BaTiO3 (BTO) y otros materiales interesantes a través de la obtención de películas delgadas depositadas sobre SrTiO3 (STO), DyScO3 (DSO), MgO, LaSrCoO3 (LSCO) y LaAlO3 empleando el método de erosión iónica. De acuerdo a la literatura, este sistema película-sustrato, deberá generar un voltaje cuando es iluminado con luz de la longitud de onda adecuada. La finalidad del proyecto será la de optimizar esta combinación sustrato-película para extraer la mayor cantidad de energía posible bajo una iluminación similar a la luz solar. Las películas serán caracterizadas por diferentes técnicas, como difracción de rayos-X, microscopía electrónica de transmisión, espectroscopía de dispersión de energía, por espectroscopía de fotoelectrones de rayos-X. Por microscopía electrónica de barrido (SEM) y por microscopía de fuerza atómica (AFM). Propiedades ferroeléctricas mediante medidas de lazo de histéresis y/o microscopio de piezorespuesta (PFM). Propiedades eléctricas (fotovoltaicas) mediante curvas I-V y curvas de iluminación contra voltaje. El trabajo de laboratorio en este proyecto consistirá en depositar capas delgadas de los materiales ferroeléctricos sobre sustratos monocristalinos o películas delgadas epitaxiales (de STO, DSO, MgO, LSCO, LaAlO3), Caracterizarlas por las técnicas descritas anteriormente; determinar su estructura de dominios y seleccionar aquéllas que presenten estructuras periódicas, colocarles electrodos metálicos (Pt, Au) y caracterizar su respuesta fotovoltaica iluminando con luz monocromática calibrada en intensidad, midiendo su respuesta I-V, voltaje en circuito abierto, corriente en corto circuito y corriente oscura

PROYECTO: EFECTO FOTOVOLTAICO EN MATERIALES NO CENTROSIMÉTRICOS RESPONSABLE: DR. JESÚS MARÍA SIQUEIROS BELTRONES CONTRIBUCIONES DEL PROYECTO Después de varios años de realizar investigación en el campo de los materiales ferroeléctricos y magnetoeléctricos teniendo en mente el obtener materiales multifuncionales aptos para aplicaciones tecnológicas de actualidad se ha seleccionado, para este proyecto, el tema del efecto fotovoltaico en materiales no centrosimétricos, en particular, ferroeléctricos y magnetoeléctricos. Aunque el efecto fue descubierto hace más de medio siglo, es hasta ahora que se cuenta con materiales y tecnología suficientemente buenos para aspirar a desarrollar sistemas y dispositivos con potencial tecnológico. Existe un buen número de problemas por resolver para llevarlos a ese punto. A continuación se presenta una lista de los que se abordarán en el proyecto y cuyas soluciones constituirán las contribuciones que aportará: 1. Empezando con los materiales más prometedores y sobre los cuales se cuenta con experiencia en su obtención, se fabricarán sistemas ferroeléctrico-sustrato con diferentes combinaciones hasta determinar la más eficiente, utilizando la magnitud del efecto fotovoltaico como criterio. Los materiales iniciales serán el BiFeO3, (BFO), el Pb(Fe0.5Nb0.5)O3 (PFN), el Pb(TixZr1-x)O3 (PZT) y el YCrO3 (YCO) depositados, por erosión iónica sobre sustratos de SrTiO3 (STO), ScDyO3 (SDO), LaSrCoO3 (LSCO) y LaAlO3 (LAO). Las películas depositadas deberán ser caracterizadas química, estructural, morfológica, dieléctrica y eléctricamente mediante técnicas de espectroscopía de fotoelectrones de Rayos-X (XPS), de dispersión de energía (EDS), Difracción de Rayos-X (XRD), microscopía electrónica de transmisión (TEM), microscopías electrónica de barrido y de fuerza atómica (SEM y AFM), Lazos de histéresis, microscopía de piezorrespuesta (PFM), curvas de respuesta óptica (V vs. I(λ)), curvas I-V, etc. En este caso, la aportación será la de sugerir al menos un sistema película-sustrato con potencial de éxito. 2. Una vez seleccionadas las muestras más prometedoras, se realizarán estudios de patrones de dominios ferroeléctricos utilizando el microscopio de piezorrespuesta y se realizarán los experimentos de medición de voltaje en circuito abierto y de corriente en corto circuito bajo iluminación controlada. La contribución aquí será la de entregar sistemas película-sustrato caracterizados con valores de los parámetros relevantes (voltaje, factor de conversión fotovoltaica, corriente oscura, etc.). 3. Con los resultados de la investigación, se publicará, al menos, un artículo por año en revistas indizadas, de circulación internacional y se presentarán trabajos en, al menos, dos congresos nacionales o internacionales. 4. Finalmente, la contribución del proyecto en la formación de recursos humanos se proyecta que sea, al menos, la graduación de un doctor y un maestro en ciencias. Se incorporará un investigador posdoctorante y un estudiante de servicio social bajo mi responsabilidad.