Síntesis de semiconductores nanocristalinos mediante quimica coloidal

Transcripción

1 CINVESTAV-IPN Síntesis de semiconductores nanocristalinos mediante quimica coloidal Mauricio Ortega López. SEES CINVESTAV-IPN

2 Motivación Los materiales nanoestructurados tienen aplicaciones en áreas diversas: fabricación de celdas solares, sensores biológicos, medicina Para darles una aplicación especifica es necesario capacitarnos en la síntesis, manipulación y caracterización de esta clase de materiales

3 Motivación Existen diversas tecnologías para fabricar películas delgadas. Una de ellas, es la que estamos desarrollando: Preparar películas a partir pinturas o tintas compuestas de materiales (metales y semiconductores) nanoestructurados Para hacer mas accesible (en cuanto al costo) el uso de sistemas fotovoltaicos para producir energía eléctrica, actualmente se busca maximizar la razón eficiencia/costo de las celdas solares. Una opción para alcanzar esto son las celda solares en película delgada

4 Síntesis de coloides

5 Bases de la química coloidal La síntesis química de coloides en solución acuosa u orgánica, está basada en la precipitación de un compuesto ionico poco soluble en solución. El fenómeno de precipitación ocurre en soluciones sobresaturadas en las concentraciones iónicas de los átomos que forman parte de la fase solida.

6 El resultado de la síntesis es una solución coloidal, la cual es un sistema físico-químico formado por dos o más fases, principalmente una continua, que normalmente es un fluido y otra dispersa en forma de partículas, por lo general sólidas. La acepción de coloide se deriva de la palabra griega kolas que indica su tendencia a pegarse formando agregados, la cual es una de las principales propiedades de los coloides. Para minimizar o impedir este efecto se utilizan surfactantes: moleculas organicas con grupos funcionales (tiol, carboxilo, amino, etc.) en uno o sus dos extremos o en algún sitio de la cadena.

7 Funciones del surfactante 1. Estabilizante de las partículas ante agregación; 2. Para controlar la reacción de precipitación. Usualmente forma complejos de coordinación con los cationes metálicos; 3. Como pasivante de los estados electrónicos superficiales al formar enlaces covalentes con los átomos en la superficie de la partícula coloidal; 4. Determina el medio (acuoso u orgánico) en el cual se realiza la síntesis así como la dispersabilidad de las partículas coloidales

8 Surfactantes usados en nuestros experimentos Ácido oleico: Un surfactante anfifilico, es decir, tiene un grupo polar COOH y un grupo apolar (la cadena de hidrocarbonos). Acido tioglicolico. Un surfactante con dos grupos polares

9 Efectos del tamaño de la partícula

10 Efectos de tamaño: reactividad química La reactividad química se incrementa a medida que el tamaño del nanocristal disminuye. Esto es atribuido al incremento de la razón Número de átomos superficiales/número de átomos en el volumen

11 Efectos de tamaño: niveles de energía

12 Efectos de tamaño:confinamiento Exciton. Cuando iluminamos un semiconductor macroscopico con luz de energía suficiente como para extraer un electrón de un enlace covalente, al enlace semivacío se le asocia una pseudoparticula con carga positiva, llamada hueco. Algunas veces la separación espacial electrón hueco es tal que pueden interaccionar a través una fuerza de Coulomb, manteniéndose unidos y moverse así en el interior del semiconductor. A este ente se le conoce como exciton y la separación electron hueco se le denomina radio de Bohr del exciton; Confinamiento. Cuando se reduce en tamaño dicho semiconductor hasta ser del orden del radio de Bohr el movimiento del exciton se ve restringido. Se dice que el exciton está confinado. Manifestaciones del confinamiento: - los niveles electrónicos se discretizan - La energía de la banda prohibida se incrementa al decrecer el tamaño A NIVEL MACROSCOPICO, ESTAS MANIFESTACIONES SON PUESTAS EN EVIDENCIA AL ANALIZAR LAS PROPIEDADES OPTICAS DE LOS NANOCRISTALES

13 Algunos resultados en CdTe

14 Puntos cuánticos de CdTe en solución acuosa CINVESTAV-IPN Precursores: soluciones acuosas de CdCl 2 y NaHTe. NaHTe se obtiene de la reducción del ión telurio Estabilizante: ácido tioglicólico (TGA). 1 h 4 h 7 h Basado en un diagrama esquemático en J. Zhang, R. Badugu, J. R. Lakowicz, Plasmonics (2008) 3: h 2 h 4 h 94 h

15 Nanocompuestos CdTe-PDDA UV-ON Síntesis en solución acuosa con potenciales aplicaciones en marcaje biológico UV-OFF Poli(cloruro dialildimetilamonio) (PDDA) UV-ON Nanocompositos CdTe/polímero preparados a partir de una solución acuosa.

16 Caracterización óptica: absorbancia y fotoluminiscencia CINVESTAV-IPN Rango de absorción: nm Rango de emisión: nm

17 Intensity (Arb. units) TEM y Raman Maximum intensity at cm -1, LO mode. NC-CdTe/PDDA 20 bilayers Ajust using the phonon confinement model (RWL) LO mode for bulk CdTe 168 cm cm Raman shift (cm -1 ) Raman confirma la presencia de nanobarras en la solucion coloidal de CdTe TEM revela que nanovarillas de Te coexisten con CdTe coloidal

18 Coloides de CdTe en solución orgánica CINVESTAV-IPN Precursores: CdO y TOP-Te. Trioctilfosfina es el agente reductor. Estabilizante: ácido oleico. Medio solvente: 1-Octadeceno. Se emplean pequeñísimas concentraciones de reactivo. UV-OFF UV-ON Muestra reflujada durante 15 min

19 Depósito de películas de CdTe por la técnica drop-casting CINVESTAV-IPN Preparación de tintas a partir de un coloide. a) b) Depósito por goteo sobre substrato UV-OFF UV-ON

20 Algunos resultados en CdS

21 Puntos cuánticos de CdS Fase acuosa UV-OFF Fase orgánica UV-OFF UV-ON UV-Turn On Modulación de la longitud de onda de emisión por la adición del ión Zn 2+ UV-ON Síntesis de puntos cuánticos de CdS en solvente orgánico

22 Deposito de películas de CdS CdS sintetizado medio orgánico. CdS Formacion de peliculas de CdS por drop-casting UV-OFF UV-ON CdS sintetizado en solvente orgánico (síntesis verde). CdS UV-OFF UV-ON

23 Colaboradores y Estudiantes

24 Materiales fotovoltaicos Claudio D. Gutierrez Lazos (tesis de doctorado en revision): CdTe Román Romano (estudiante de doctorado de la BUAP) Dr. Enrique Rosendo (prof. De la BUAP): PbSe y materiales compuestos PbSe+PDDA Yasuhiro Matsumoto (SEES, CINVESTAV) PbS y materiales compuestos PbS+P3HT

25 Materiales termoeléctricos Dr. Guillermo Pérez Luna (Prof. BUAP) Bi 2 Te 3, Sb 2 Te 3 y sus aleaciones Srikanth Chakravarty (alumno Programa de Doctorado de Nanociencias y Nanotecnología, CINVESTAV) PbTe, Ag 2 Te y sus aleaciones

26 Conclusiones Básicamente mostré algunos avances en la síntesis y caracterización de partículas coloidales de CdS y CdTe; Las síntesis en medio acuoso produce coloides difícilmente manejables. En el caso del CdTe aparecen fases secundarias como CdS y Te; La síntesis en medio orgánico parece ser la mas conveniente para formar películas delgadas, pero aun queda por demostrar que éstas son realmente útiles para celdas solares.

27 Gracias por su atención