Síntesis de Sulfuro de Cadmio

Sulfuro de Cadmio

Síntesis, Propiedades y Aplicaciones

Introducción a la deposición de películas delgadas

La preparación de materiales en forma de nanocristales ha sido objeto de un gran número de investigaciones debido a su enorme interés tecnológico y dentro de estas expectativas se puede destacar el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos y fotovoltaicos.^1-4 En la industria electrónica, el impacto de las películas delgadas en la forma de componentes y dispositivos microminiaturizados es especialmente notable, tal es el caso de los sulfuros y selenuros de cadmio y zinc, que en forma de películas delgadas, pueden ser empleados como fotoceldas, detectores de radiación y sensores de gases, por mencionar algunas aplicaciones.⁵

El interés tecnológico en los dispositivos basados en materiales de películas delgadas se debe a su bajo costo de producción y su aplicación tecnológica en la industria fotovoltaica. Los nanocristales de CdS se han utilizado como un componente para la fabricación de películas delgadas en varios tipos de celdas solares como: CdTe, Cu₂S y CuInSe₂, ya que actúa como una capa amortiguadora entre las capas tipo p y n, ofreciéndole mayor estabilidad al dispositivo.^6-8

Muchas técnicas se han empleado en la deposición de películas semiconductoras de CdS, sin embargo la Deposición por Baño Químico es la que ha dado mejores rendimientos al ser utilizada en aplicaciones de celdas solares, por ser una técnica sencilla y de bajo costo.⁹ La técnica de deposición por baño químico o CBD (Chemical Bath Deposition), se basa en la precipitación controlada de un compuesto insoluble en solución acuosa, generalmente alcalina, por medio de la liberación lenta de iones metálicos.^10-12 Por lo antes expuesto, en el presente trabajo se evaluaron las condiciones de síntesis de los nanocristales de CdS depositados sobre sustratos de vidrios usando la técnica CBD, variando las concentraciones de la solución de deposición para establecer las condiciones óptimas de síntesis del CdS para ser usado en dispositivos optoelectrónicos.

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Síntesis de películas delgadas de CdS

El CdS es un importante semiconductor que en forma de película delgada, del orden de 100 nanómetros, es usado en la fabricación de celdas solares de heterouniones p/n, dispositivo en el cual se llevan a cabo los procesos de conversión de energía solar en eléctrica. Los nanocristales de CdS fueron sintetizados sobre sustratos de vidrios y preparadas por la técnica de Deposición por Baño Químico, variando las condiciones de deposición como temperatura (70-80 °C), pH (10-12) y tiempo de deposición (30-60 minutos).

Tabla 1. Parámetros de síntesis de los nanocristales de CdS mediante la Deposición por Baño Químico.

La solución de deposición estuvo compuesta por una solución de Sulfato de Cadmio (CdSO₄) 0,01M, Hidróxido de Amonio (NH₄OH) 1M y Tiourea (CH₄N₂S) a una concentración equivalente a 0,05M en la solución, actuando como agente precursor de la reacción. Para la obtención de la solución de deposición se mezcló gradualmente 5 ml de la solución de CdSO₄ y 15 ml de la solución de NH₄OH. La síntesis de reacción se llevó a cabo en el momento en que se calentó la sustancia de deposición en el baño termostático, donde al alcanzar la temperatura deseada se adicionó la sustancia precursora acompañada del sustrato, ajustando el pH mediante la adición de una solución de Hidróxido de Potasio (KOH) 1M. Una vez finalizado el tiempo de deposición se lavaron los sustratos con abundante agua destilada, dejándose secar a temperatura ambiente. El procedimiento descrito se llevó a cabo bajo condiciones de deposición mostradas en la Tabla 1.

 Caracterización de películas delgadas de CdS

El patrón de difracción de rayos X (DRX) de los nanocristales de
CdS fueron obtenidos de un difractómetro de rayos X, marca Brucker, modelo D8
Focus, con radiación Cu-Kα (longitud de onda λ = 1,54056 Å), con tiempos de adquisición de
1s/paso, en el intervalo 2θ desde 2 a 70 grados. Las microfotografías para el
análisis morfológico fueron obtenidas con un Microscopio Electrónico de
Barrido, marca FEI, modelo Quanta 200F, equipado con un sistema de microanálisis
marca Edax, modelo Apolo 10. Las mediciones de transmisión óptica fueron
realizadas con un monocromador marca Acton Research Corporation SI-440-UV-P,
modelo Spectra Pro 2750.

Las
películas delgadas de CdS-2 y CdS-6 no fueron tomadas en cuenta para los
análisis de caracterización. A pesar de que se formaron sobre la superficie del
sustrato no presentaron un cubrimiento uniforme sobre el área total del vidrio,
posiblemente debido al poco tiempo de deposición (30 min) y al bajo nivel de pH
(10). Aunque el CBD es una técnica muy simple para obtener nanocristales de CdS
a bajo costo con características óptimas para aplicaciones en dispositivos
optoelectrónicos, es muy sensible a las condiciones de deposición para que la
formación y propiedades de las películas sean las más adecuadas.^{10<o:p></o:p>}

Caracterización estructural de CdS

Al
comparar los difractogramas de las muestras de CdS con el patrón de difracción
de la estructura cúbica en la base de datos del programa Search Macth, PDF 75-581, se encontró que la película CdS-1
presentó una coincidencia con uno de sus picos en la posición 2θ
= 26,63° correspondiente a la orientación (111), con una coincidencia de un 90%.
Sin embargo, las demás películas obtenidas no presentaron ninguna coincidencia
con el patrón de la estructura cúbica del CdS.¹³ <o:p></o:p>

Figura 1. (A) Patrón
de difracción de rayos X del CdS de; (a) la película CdS-1 y (b) la estructura
cúbica reportada. (B) Patrón de DRX
del CdS de las películas delgadas: (a) CdS-1, (b) CdS-3, (c) CdS-5, (d) CdS-7 y
(e) patrón de DRX reportado de la fase hexagonal.

Por
otra parte, en los patrones de DRX 
mostrados en la Figura 1(B), la película CdS-1, también presentó un pico
en la posición 2θ = 26,70° correspondiente a la
orientación preferencial (002) de la fase hexagonal del CdS.¹⁴ Cabe
destacar que una de las controversias en la literatura para el crecimiento de
la película de CdS, es el tipo de estructura cristalina que se obtiene con los
diferentes métodos de deposición, ya que la posición del pico de mayor
intensidad en la orientación (111) de la fase cúbica, tiene un valor muy
próximo al pico de menor intensidad en la orientación (002) de la fase
hexagonal, de manera que la pequeña diferencia entre ambos picos es 0,07º y el
error en los cálculos es de ± 0,03º, lo que dificulta poder definir la estructura
cristalina de la película CdS-1. La película CdS-5 presentó dos picos de
difracción, uno en la posición 2θ = 26,70° correspondiente a la
reflexión (002), con una coincidencia de pico de un 85%,¹⁴ y otro en
la posición 2θ = 28,30° ajustado al plano de reflexión (101) con
una coincidencia de pico de un 80% correspondiendo ambos picos con la fase
hexagonal del CdS¹⁴, según la PDF 80-6.

Las
películas CdS-3 y CdS-7 no presentaron ningún pico de intensidad predominante que
demuestre la presencia de una fase cristalina en el material. La información
obtenida de los difractogramas no fue  suficiente para definir con exactitud la fase
cristalina del CdS por la ausencia de más picos de difracción. Esto se debe a
que las películas obtenidas eran muy delgadas, incluso el espesor medido de la
película CdS-1 fue de ~112 nm.

Además que el equipo empleado para el análisis de las muestras fue un difractómetro
de rayos X específico para muestras en polvo dificultando así su estudio cuando
lo recomendado en estos casos es el uso de un difractómetro de rayos X con haz
rasante, donde el haz incide sobre la superficie de la película, detectando los
picos de difracción con una mayor intensidad.<o:p></o:p>

Sin
embargo, la razón de que se hayan obtenido películas muy delgadas que
dificulta su estudio por esta técnica, nos indica que tienen características
de espesores ideales de ~150 nm, ya que se busca la
obtención de una película lo más delgada y transparente posible que actúe como
una capa amortiguadora entre el material que se utilice como capa absorbente
(material tipo p) y la capa de ZnO (material tipo n), evitando procesos de
difusión de átomos de Zn+2 hacia el material absorbente originando
defectos en la interface que conlleve a la pérdida de la eficiencia de
conversión de energía solar en eléctrica en una celda solar u otro dispositivo
optoelectrónico.

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Conclusiones y Aportes de esta publicación

Se realizó la deposición de
nanocristales de CdS sobre la superficie de los sustratos de vidrio mediante la
técnica de deposición por baño químico. Se observó que la variación de la
temperatura, pH y tiempo de deposición juega un papel muy importante en el
proceso de formación de las películas delgadas de CdS, ya que según las
condiciones de síntesis, la estructura cristalina puede corresponder a la fase
cúbica (CdS-1) o hexagonal (CdS-5). 

Referencias y bibliografía recomendada

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(html comment removed: [endif])Gracia, F., 2005, Películas delgadas basadas en TiO2 y
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Instituto de Ciencias de Materiales de Sevilla, España, pp. 3<o:p></o:p>

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P., 2000, “Películas delgadas de CdS: Preparación y comparación de propiedades
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O.H.; Portillo-Moreno, L. M.; Espinosa Montes de Oca., 2008, “Análisis de reacciones en la transición de CdS
(semiconductor) a CdCO3 (aislante) en formato de películas delgadas obtenidas
mediante DBQ”, Superficies y Vacío, 21,2, 21-26<o:p></o:p>

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Mendoza, R.; Hernández, M., 2004, “Influencia
del tratamiento térmico con CdCl2 sobre las características finales de las celdas solares CdS/CdTe
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“Primeras etapas en el crecimiento de películas delgadas de telururo de cadmio
(CdTe) por sublimación en espacio cerrado”, Ciencia UANL, XIV, 1, 46-52<o:p></o:p>

(html comment removed: [if !supportLists])13.    
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Chem, 1993<o:p></o:p>

(html comment removed: [if !supportLists])14.     (html comment removed: [endif])PDF 80-6 elaborado por Yeh, C.; Lu, Z.W.; Froyen, S.; Zunger, A., Phys. Rev.B: Condens. Matter, 1992

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