Crecimiento y caracterización de una lámina delgada Introducción Esta práctica puede considerarse como una práctica especial con respecto a las demás del laboratorio debido a que vamos a trabajar con conceptos que pueden no haberse visto en ninguna asignatura anterior. La tecnología actual requiere que muchos dispositivos electrónicos, tales como células solares, recubrimientos, etc., sean capas de espesor entre varios decenas de nm y varios miles de nm. Para ello estos materiales deben crecerse sobre un substrato u otro material al que por ejemplo se desee proteger. Existen diversas técnicas de crecimiento de lámina delgada: evaporación térmica, pulverización catódica d.c. o RF, etc. Elegir la más adecuada en cada caso es tarea del físico de materiales después de haber analizado las propiedades de las láminas. Objetivos Familiarización con la técnica de deposición de láminas delgadas por evaporación térmica. Análisis de las propiedades ópticas de las láminas obtenidas a partir de las medidas de la transmitancia y la reflectancia; deducción del coeficiente de absorción y del gap del material del que está hecha la lámina delgada. Obtención de las propiedades estructurales del material a través de la interpretación de los diagramas RX. Análisis de la composición a partir de medidas de EDAX. Medidas de la resistividad de las láminas a partir de la medida de la resistencia cuadrado.
Equipo y material a utilizar Equipo de vacío. Espectrofotómetro. Equipo de medida de la resistencia cuadrado. Equipos de análisis del Servicio Interdepartamental de Investigación (RX, EDAX). Conocimientos previos necesarios Las técnicas de deposición pueden basarse en fenómenos físicos o químicos o mezcla de ambos. En las basadas en fenómenos físicos existe un factor que suele ser común en todas: la necesidad de trabajar a presiones lo más bajas posibles o bajo atmósferas controladas. La técnica que se va a utilizar es la evaporación térmica. El proceso físico que se produce es la evaporación del material, que inicialmente está en volumen, para ser depositado en un substrato. El material se coloca en un crisol de wolframio (metal refractario con un punto de fusión muy superior al del material a evaporar). Además, para evitar que se produzca un choque térmico en el material fuente, adquiriendo energía cinética en vez de térmica de forma que sería capaz de saltar del crisol y por tanto no evaporarse, el crisol, y por tanto el material, debe ser calentado durante unos minutos previamente a la evaporación a una temperatura inferior a la de evaporación del compuesto de partida. Posteriormente se aumenta la temperatura del crisol hasta un valor superior a la de evaporación del material fuente. La transmisión de calor del crisol al material hace que éste pase a fase vapor y se deposite en los substratos colocados a una determinada distancia menor a la del recorrido libre medio de las moléculas del gas residual de la campana.
El esquema del sistema se muestra en la siguiente figura: Las propiedades de la lámina no tienen por que ser iguales a las del material sintetizado debido, entre otras razones, a cambios en la composición y en la estructura, por lo que es necesario estudiar todas las propiedades. En nuestro caso veremos las propiedades eléctricas, ópticas, estructurales y la composición de cada lámina. Tanto las medidas como el análisis de resultados de cada una de las propiedades son diferentes a los del material en volumen. Por otra parte, tenemos que tener en cuenta en el análisis de las medidas ópticas de la reflectancia y la transmitancia que lo que vamos a medir es un sistema compuesto por la lámina y el substrato, por lo que se deberá tener en cuenta los procesos físicos involucrados, tales como las reflexiones múltiples, coherentes en la película e incoherentes en el substrato debido a que el espesor de la lámina es del orden de la longitud de onda de la radiación y el del substrato es mucho mayor.
Los métodos experimentales y el análisis de los resultados de las diferentes propiedades de la lámina será explicado a lo largo de la práctica por el profesor y se dará la bibliografía necesaria. Descripción de la práctica Se usará un equipo de vacío para el crecimiento de láminas delgadas por evaporación térmica. La presión de trabajo es de 1x10-6 torr. Para alcanzar esa presión se usará una bomba rotatoria y una bomba turbomolecular. El manejo de cada equipo os será explicado al comienzo del laboratorio, así como la limpieza y manipulación del mismo. El material a evaporar es CdTe. La elección del mismo se debe a que es un material de interés para uso fotovoltaico del cual existe mucha bibliografía en lámina delgada que os ayudará en el análisis de las propiedades. Como capa activa de una célula solar, el CdTe es un material semiconductor cuyo gap óptico puede ser deducido apartir de las medidas de la reflectancia y la transmitancia en la zona del infrarrojo cercano y el visible. Los substratos a utilizar en cada evaporación son dos portamuestras de vidrio pirex y un substrato de grafito. En el material crecido sobre pirex se analizan: las propiedades ópticas debido a ser un material transparente en el rango de análisis, se mide la resistencia cuadrado, R, de la lámina debido a ser aislante y se analiza la estructura a través de medidas de difracción de RX debido a ser amorfo. Sobre el substrato de grafito se va a analizar la composición debido a que el carbono no es detectable por la técnica de EDAX. Las condiciones de evaporación han de mantenerse constantes en todas las evaporaciones, variando solamente la temperatura del substrato (25, 50 y 100 º C).
Evaporación La primera evaporación será realizada por el profesor después de haber explicado como funciona el sistema, la limpieza del mismo, el montaje y la función de las diferentes piezas de que consta al comienzo del laboratorio. En primer lugar, y una vez colocado el material a evaporar dentro del crisol de wolframio, hacemos vacío dentro de la campana mediante la bomba rotatoria. Cuando hayamos alcanzado un buen vacío (del orden de 10-6 milibares) calentamos el sistema con el horno hasta alcanzar la temperatura deseada. En este momento comenzaremos la evaporación. Medidas Dentro del laboratorio: Una vez crecidas las muestras, se pasa al análisis de las mismas. En el laboratorio se realizarán medidas de reflectancia y transmitancia de cada muestra (CdTe/substrato) con un espectrofotómetro en el rango de λ de 800-400 nm. Cada 5 nm se realiza una medida. Fuera del laboratorio: El análisis de difracción de rayos X y el de EDAX se realiza en el SIDI. Para las medidas de RX hay que llevar una de las muestras evaporadas sobre el substrato de vidrio. Para el análisis EDAX de la composición del material evaporado, es necesario llevar un pequeño fragmento de material CdTe cuya composición sea aproximadamente del 50%-50% y que tenga una de sus caras planas para poder realizar el patrón del material. Esta muestra se encuentra en un portaobjetos en el laboratorio.
En el laboratorio de microelectrónica nos darán la medida del espesor con un perfilómetro. Cálculo de parámetros Conocido el espesor de cada una de las películas y conocido el comportamiento óptico del sistema aire/cdte/substrato/aire, se calcularán las propiedades ópticas de la lámina, n, k y a. A partir del coeficiente de absorción del materia, se calculará el gap de cada lámina y se representará su variación con la temperatura. Las propiedades estructurales: planos de difracción, tipo de estructura, parámetros de red, posible orientación preferencial de crecimiento y el tamaño de grano (calculado a partir de la anchura a mitad de altura del pico de intensidad máxima del espectro de RX) de cada una de las muestras, se analizarán a partir de los espectros de difracción de RX con un detector θ-2θ, (medidas que se realizan fuera del laboratorio). Para el análisis de los resultados se debe saber que una lámina delgada, debido al pequeño tamaño del cristal, debe ser analizada utilizando el método de polvo. La resistencia cuadrado se medirá en cada muestra mediante la técnica de dos puntas y un polímetro. A partir de dicha medida se calculará el valor de la conductividad de la lámina. Obtenidos todos los datos de las diferentes propiedades analizadas, se debe intentar relacionar la temperatura, parámetro que ha sido variado en cada deposición, con la composición y el tamaño de grano de cada lámina. Analizar, además, si las variaciones obtenidas en composición y estructura están relacionadas con las variaciones que pueden presentar las propiedades ópticas y eléctricas.
Informe El informe de esta práctica debe constar de: Tabla de condiciones de deposición de las láminas delgadas Gráficas representativas de T, R, n y k vs λ. Ajuste por mínimos cuadrados y cálculo de los gaps de alguna muestra representativa y tabla de los gaps. Valor de la conductividad si pudiera ser medido. Estructura que presenta el CdTe, parámetro de red en cada lámina, tamaño de grano y orientación preferencial. Tabla con la composición de todas las muestras. Relacionar, si es posible, el tamaño de grano y la composición de las muestras con las condiciones de crecimiento Relacionar, si es posible, las variaciones en los parámetros ópticos y eléctricos con las variaciones en composición y estructura.
Estudio Previo 1.- Cual es el valor de la energía del gap del CdTe? Cual es el interés del CdTe para su uso en conversión fotovoltaica? 2.- Por qué hace falta evaporar en vacío? 3.- Por qué hay que calentar poco a poco el crisol para realizar la evaporación de CdTe? 4.- Cuando empieza a evaporarse un metal en vacío? 5.- Por qué a partir de cierta temperatura no se va a poder realizar la deposición del material sobre la lámina? 6.- Cómo crees que va a afectar la temperatura del sustrato durante la deposición al tamaño de grano? 7.- Cómo se puede saber si el material depositado es cristalino o amorfo? 8.- Cómo se mide el espesor de una lámina delgada? Bibliografía K. V. Shalimova Física de semiconductores Ed. Mir (1975) M. Ohring the material science of thin films Ac. Press (1992) T.A. Vacuum Physics and technologies Chapman & Hall (1993) W.E. Warren, "X-ray diffraction." Dover, (1969). M.H. Woolfson, "X-Ray Crystallography." Cambridge Un. Press, (1978). J. Wormald. Métodos de difracción. Reverté, (1979).