Nanotecnología y Nuevos Materiales Propiedades Ópticas de los Nanomateriales

Autor: Felipe A. Rodríguez Y. Calf.: ___________________________ Fecha de elaboración: 15-06-2015 Módulo: X

TAREA Nro. 7

Propiedades Ópticas de los SemiconductoresLas propiedades ópticas están relacionadas de manera estrecha con las propiedades eléctricas y electrónicas del material. Al momento de hablar acerca de propiedades ópticas estamos hablando acerca de la forma en que la materia interactúa con la radiación electromagnética, por ejemplo, si se tiene una onda electromagnética que choca contra un cuerpo, esta podría ser reflejada (especular o difusamente), refractada (transmitida) o absorbida. Dicho de manera más simple, una parte del espectro será absorbida mientras que otra será dispersada (en cualquier dirección). Cuando los semiconductores absorben fotones, se forman los exitones. Los exitones son el estado de un electrón y un hueco que se encuentran ligados debido las fuerzas de Coulomb [1]. Estas propiedades son muy importantes en un semiconductor debido a que sus propiedades de transporte dependen de ellas, un ejemplo de esto son las bandas de valencia (que también dependen de otros factores como la temperatura y el dopaje). Ya se había discutido en trabajos anteriores que la diferencia entre las bandas de valencia en un conductor, semiconductor y aislante era simplemente el tamaño de la misma. Poder explicar la banda de valencia de un semiconductor es bastante complicado, se debe saber que los diagramas de bandas de energía están formadas por múltiples bandas algunas de las cuales están vacías y otras que están llenas, sin embargo en la figura 1 se puede observar un modelo simplificado que describe a un semiconductor en el que Ev es el borde de la banda de valencia, Ec es el borde de la banda de conducción y Evacuum es el nivel de vacío [2].

Cabe mencionar que gracias a las técnicas de fabricación de nanomateriales ya discutidas anteriormente, se pueden diseñar bandas de energía que se ajusten a una aplicación en específico, esta es una ciencia denominada Ingeniería de Bandas. Algo muy importante es que la banda de energía permite la clasificación de los semiconductores, cuando el mínimo de la banda de conducción y el máximo de la banda de valencia ocurren al mismo número de onda (cantidad de ondas en una distancia especifica) se tiene un semiconductor de banda de energía directa, caso contrario se conoce como semiconductor de banda de energía indirecta. Esto es muy importante en dispositivos opto electrónicos, en los que un semiconductor de banda

1

Fig1. El diagrama de bandas simplificado se usa para describir los semiconductores [2].

Nanotecnología y Nuevos Materiales Propiedades Ópticas de los Nanomateriales

directa proveerá una absorción o emisión de luz mucho más eficiente que uno de banda indirecta. El Germanio y el Silicio son un buen ejemplo de semiconductores con banda de valencia indirecta, mientras que el Arseniuro de Galio tiene una banda directa [3].Sin duda alguna, el semiconductor dominante en el mundo de la tecnología es el Silicio, esto debido en parte a la excelente calidad que se puede lograr con la heterounion (intercara) entre Silicio/Oxido de Silicio [4]. Las intercaras o heterouniones es uno de los tantos factores que puede afectar las estructuras de las bandas de valencia de los semiconductores, esto sucede debido a que las heterouniones se realizan entre materiales que tienen una constante de red bastante parecida (pero no iguales). Estas intercaras suelen estar clasificadas en tres tipos [5]:

- Tipo I: La bandas de energía menor queda completamente abarcado por la banda de energía mayor, en este tipo de intercara los electrones se moverán hacia el material que la menor banda de conducción [5].

- Tipo II: Se produce un desfase en la banda de energía (recordemos que una heterounion se realiza con materiales que poseen una constante de red parecida, pero no igual), este desfase provoca que tanto los electrones como los huecos tiendan a moverse hacia el lado opuesto de la intercara [5].

- Tipo III: El desfase que se produce debido a la diferencia de las constantes de red provoca que ninguna banda de energía se superponga, aunque se produce un solapamiento de la banda de valencia de uno de los materiales con la banda de conducción del otro [5].

Como un ejemplo para demostrar las propiedades ópticas de los semiconductores es necesario hablar acerca de los pozos cuánticos, en los cuales la absorción o transmisión (reflexión) óptica se debe a transiciones entre las subbandas de huecos y electrones. Las transiciones de energía se incrementan cuando el pozo cuántico se hace más angosto, esto debido al aumento del confinamiento de energía. Conforme aumenta el confinamiento los exitones se vuelven más comunes debido a que los huecos y los electrones se encuentran más cercanos que en un material bulk. En la figura 2 se puede observar la absorción óptica de un conjunto de pozos cuánticos con distinto ancho (en Ångstroms) para distintas longitudes de onda [6].Es por las características nombradas anteriormente que los pozos cuánticos suelen ser utilizados en dispositivos optoelectrónicos, cabe añadir que el mantener huecos y electrones juntos puede aumentar la eficiencia en dispositivos como LEDs o Láseres [6].

2

Nanotecnología y Nuevos Materiales Propiedades Ópticas de los Nanomateriales

Efectos Intrínsecos y ExtrínsecosLas propiedades ópticas presentes en los semiconductores tienen su origen en los efectos tanto intrínsecos como extrínsecos. Las propiedades intrínsecas de un semiconductor están relacionadas con la pureza del mismo, las transiciones ópticas intrínsecas tienen lugar entre los electrones en la banda de conducción y los huecos en la banda de valencia, es en este tipo de efectos que se incluyen los efectos exitonicos debido a la interacción (fuerzas) de Coulomb. Se debe tomar en cuenta que existen exitones libres y exitones ligados, en un semiconductor con muy alta pureza los exitones pueden incluso, encontrarse en estado de excitación [7].Las propiedades extrínsecas se deben ya sea a las impurezas o al dopaje que se realiza a un material e influyen tanto en la absorción óptica como en la emisión. Es debido a estas propiedades que existen los estados electrónicos de los exitones que pueden estar ligados a un receptor o donador ya sea neutral o cargado [7].

FotoconductividadSe puede definir la fotoconductividad como la conducción eléctrica debida a la excitación de electrones en los que la luz es absorbida. Cuando un haz de luz entra en un foto detector su energía provoca la excitación de los electrones de la banda de valencia del semiconductor hacia la banda de conducción, debido a esto la corriente aumenta en dicho dispositivo. Este aumento de electrones en la banda de conducción produce (aparte del aumento de corriente) un aumento de la conductividad del semiconductor, en este caso [8]. Las investigaciones en los últimos 10 años han estado orientas al uso de nanoalambres de Sulfuro de Cadmio (semiconductores) como foto detectores, si bien estos nanoalambres no tiene una respuesta (aumento y disminución de corriente) tan rápida como los fabricados de Óxido de Zinc, las investigación se centran en mejorar estos tiempos de respuesta. En la figura 3 se puede observar la fotorespuesta de un nanoalambre de Sulfuro de Cadmio debido al estímulo de una fuente de luz, nótese la velocidad de respuesta del semiconductor [8].

3

Fig2. Absorción óptica de un pozo cuántico con anchos de 4000, 210 y 140 Ångstroms [6].

Fig3. Fotorespuesta de un nanoalambre de Sulfuro de Cadmio a la luz visible, en el eje de las ordenadas se tiene la corriente en nA y en el eje de las abscisas el tiempo en segundos [8].

Nanotecnología y Nuevos Materiales Propiedades Ópticas de los Nanomateriales

Bibliografía:

[1] Jin Zhong Zhang, Optical Properties, Spectroscopy of Nanomaterials [Online]. Disponible en: http://home.iitk.ac.in/~anandh/MSE694/courseMSE694/NPTEL_Optical%20properties%20of%20Nanomaterials.pdf

[2] B. Van Zeghbroeck, Chapter 2: Semiconductor Fundamentals [Online]. Disponible en: http://ecee.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_3.htm#fig2_3_7

[3] Dr. Katarzyna Skorupska, Optical Properties of Semiconductors [Online]. Disponible en: http://www.uwyo.edu/cpac/_files/docs/kasia_lectures/3-opticalproperties.pdf

4

Nanotecnología y Nuevos Materiales Propiedades Ópticas de los Nanomateriales

[4] Franz Himpsel, Semiconductor Surfaces / Interfaces [Online]. Disponible en: http://uw.physics.wisc.edu/~himpsel/semicon.html

[5] Senen Barro et al., Fronteras de la computación. Fundación Dintel, 2002. Pág. 104 – 106. [6] Oxford University, Handout 7: Bandstructure Engineering [Online]. Disponible en:

http://www2.physics.ox.ac.uk/sites/default/files/BandMT_07.pdf [7] Chennupati Jagadish, Zinc Oxide Bulk, Thin Films and Nanostructures: Processing, Properties and

Applications. Elsevier, 2006. Pág. 175 – 176. [8] Jonathon Milam, Photoconductivity of Semiconducting CdS Nanowires [Online]. Disponible en:

http://www.nu-nanoscape.org/Vol2/05Milam.pdf

5