Caracterización óptica de nanocristales Semiconductores
Hola amantes de la ciencia en #stem-espanol. Hoy es día de hacer Ciencia.
Compartiré con ustedes algunas curvas experimentales sobre la "Caracterización óptica de materiales Semiconductores". Así como su origen y su propósito de estudio. Estos conocimientos fueron adquiridos durante la ejecución de la Práctica Profesional II (Pasantías) para obtener el título de Licenciado en Física.
Montaje Experimental: Caracterización óptica de nanocristales Semiconductores. Monocromador SP-2750, Lámpara de Xenón (LX), Cajón Portamuestra Oscuro (CPMO). Sistema a bajas temperaturas: Criostato, Cabezal (CC).[a][b]
Debo aclarar que esta publicación es la segunda parte de "Monocromador Spectra-Pro 2750 para la caracterización óptica de Nanocristales Semiconductores", por lo que, para mayor comprensión recomiendo su lectura previa.
OBJETIVOS.
- Describir el coeficiente de Absorción Óptica mediante la técnica de Transmisión Óptica.
- Identificar el valor de la brecha de energía de nanocristales Semiconductores.
1. INTRODUCCIÓN.
Cuando un haz de radiación monocromática traspasa una sustancia o un material determinado, debido a la reflexión y a la absorción interna, su intensidad disminuye (figura 1) [1][2]. Para a una muestra que posee un espesor
, además de un coeficiente de absorción
, y una reflectividad
, la transmisión total
de un haz monocromático vendrá dada por:
Donde 
, con
la intensidad del haz transmitido y
es la intensidad del haz incidente. Cuando el producto
es grande, se puede despreciar el segundo término en el denominador, obteniendo así:
Como 
, 
y son conocidos, a través de la ecuación [2] el coeficiente de absorción resulta en:
Figura 1. Interacción de luz con una muestra de espesor t.[a]
Generalmente se considera mediante este método, que la Reflectividad es constante, y se pueden obtener a partir de la transmisión en el límite de cero absorción, donde se espera que 
, es decir, 
.
2. Brecha energía fundamental.
Muchas de las propiedades de transporte que ocurren en los semiconductores se explican por la existencia de la brecha de energía fundamental entre la banda de valencia y la banda de conducción. Uno de los procedimientos utilizados para obtener el valor de esta brecha de energía fundamental es el de la absorción óptica. En este, se mide primeramente la transmisión óptica en función de la longitud de onda.
Figura 2. Bandas de energías y absorción óptica en semiconductores. Transición de absorción permitida
La absorción de la radiación en materiales semiconductores está vinculada con la variación del estado energético de los electrones libres o de los electrones enlazados con los átomos. La absorción intrínseca, o fundamental, se refiere a las transiciones banda a banda que pueden ocurrir en un semiconductor cuando este absorbe un fotón, y los electrones adquieren una energía suplementaria que supera o es igual a la anchura de la banda prohibida, y pasan de la banda de valencia a la banda de conducción.
Este tipo de absorción se manifiesta por un incremento brusco en la absorción[3].
Al considerar transiciones de absorción permitidas por la conservación del momento del electrón, donde cada estado inicial de energía estaría asociado con un estado final de energía. Utilizando la densidad de estados directos permitidos por unidad de volumen, el coeficiente de absorción en función de la energía vendría dado por:
Donde, 
es la constante de Planck, la frecuencia 
(con 
la velocidad de la luz y 
longitud de onda), además de 
la brecha de energía, y la constante 
es,
Con, 
la carga del electrón, 
el índice de refracción, 
y, 
y 
la masa efectiva del electrón y del hueco respectivamente. Para la determinación experimental de la brecha de energía tenemos desde [4] que,
En la cual relacionando con la función lineal 
, donde 
y 
, se encuentra que (la pendiente) 
y (que el corte con el eje y) 
. Debido a esto la brecha de energía prohibida vendría dada por:
3. Metodología Experimental.
El montaje experimental consiste en el uso de la técnica de Transmisión óptica. Esta técnica fue previamente descrita en el post "Monocromador Spectra-Pro 2750 para la caracterización óptica de Nanocristales Semiconductores". La figura 3 muestra la descripción física del montaje experimental y el uso del Monocromador SP-2750, así como sus componentes.
Figura 3. Descripción física del montaje experimental “Transmisión Óptica.
La figura 4 por su parte, nos muestra la curva característica de la Intensidad Incidente para el detector ID-441. Recordemos que este detector tiene un rango de detección en energía desde 0,73 hasta 1,46 eV.
Figura 4. Intensidad incidente para el detector ID-441.
4. Caracterización óptica de nanocristales semiconductores.
Las medidas experimentales se hicieron contando con una muestra experimental en Bulk del Semiconductor CuInTe2, de masa específica y de espesor 100 μm [c]. La figura 5 muestra la intensidad del haz transmitido sobre la muestra en el rango de energía desde 0,73 hasta 1,46 eV.
Figura 5. Intensidad Transmitida en el Semiconductor CuInTe2
La figura 6 muestra la relación entre la intensidad transmitida y la intensidad incidente dadas en la ecuación previa. La figura 7 por otro lado, es obtenida mediante la ecuación de coeficiente de absorción, usando el espesor de la muestra y empleado la reflectividad constante, es decir, Ln(R)=0.
Figura 6. Transmisión óptica del Semiconductor CuInTe2
Figura 7. Coeficiente de absorción óptica del Semiconductor CuInTe2
La figura 8 nos muestra el ajuste experimental sobre la curva 
vs 
, para el cálculo de la Brecha de energía 
del CuInTe2. A través del ajuste, en la sección lineal de la curva, obtenemos Y=2,01917X-2,02833. Relacionando este ajuste con la ecuación lineal Y=mX + b. Obtendremos que 
= 1,00454 eV. Este valor es muy similar a encontrado por S.M. Wasin (1988).
Figura 8. Ajuste experimental para el cálculo de Eg del Semiconductor CuInTe2
La obtención de la Brecha de Energía de un nanocristal Semicondutor es vital para el conocimiento del tal. Ya que este es único de cada semiconductor. Su uso es necesario para la obtención de aplicaciones en las distintas áreas de la ingeniería. Es importante aclarar que esta técnica experimental es la base de cualquier experimento de medidas ópticas así como el uso de la técnica de Reflectividad óptica. Espero en una siguiente oportunidad compartirlas con ustedes. Gracias compañeros de #stem-espanol. Nos vemos.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[a] Lic. Daiver Juárez. Correo: [email protected] - Usuario Steemit: @djredimi2.
[b] Laboratorio de Energías Alternativas (LEA). Universidad del Zulia (LUZ).
[c] La muestra de CuInTe2 fue proporcionada por el IVIC-Zulia, para medidas de prueba.
[1] Pereyra, Javier. (2013). “Propiedades ópticas y materiales nanoestructurados: Transmitancia y Fololuminiscencia”. Tesis de Maestría en Física. Montevideo, Uruguay. P.36-38.
[2] Fox, Mark. (2001). “Optical Properties of Solids”. New York, USA. Oxford University Press Inc. P.3-6.
[3] Pankove, Jacques I. (1971). “Optical Processes in Semiconductors”. New York, USA. Dover Publications, Inc. P.34-36.
[4] S. M. Wasim et.al. (1988). "Electrical and optical properties of n‐ and p‐type CuInTe2. Mérida, Venezuela. Phys. stat. sol. (a) 110, 575. [Artículo en línea]. P. 575-583.
Excelente!!
ya te seguí espero que tu también me sigas :)
Gracias @edeyyamby
¿como escribes y editas las ecuaciones?, parece un post editado en látex 😮 , interesante la investigación.
Hola @reinventa Todo el texto esta primero escrito en Microsoft Word 2010. La ecuaciones son imágenes de pequeñas capturas del texto escrito en Word. Gracias por tu comentario.
Excelente trabajo @djredimi2 gran aporte a la comunidad, saludos!
Muchas gracias @mayterevilla. Saludos
Hola. @djredimi2 La física es una de las mejores ciencias. Tengo una pregunta puede ser caracterizado este compuesto por elipsometria óptica? ya que por esta técnica también puedes obtener el gap de energía.
Hola @viannis gracias por tu comentario. La elipsometría espectroscópica es una tecnica experimental que determina las propiedades ópticas. Y si podemos mediante su estudio determinar la brecha de energía fundamental de un semiconductor. Pero eso no es todo, sino que, a traves de este estudio podemos conocer toda la estructura de bandas del semiconductor. En definitiva, esta técnica es mucho mas general.
Saludos @djredimi2. Excelente presentación de la manera como se puede caracterizar ópticamente nanocristales semiconductores. ¿Qué rango de la escala nanométrica manejas?