Sub-microparticulas de ZnO: efecto de la inclusión de Sr+2 y Al+3 sobre sus propiedades ópticas y estructurales

Abstract

En la actualidad, diversos grupos de investigación invierten un gran esfuerzo en desarrollar protocolos de síntesis de semiconductores a través de métodos a baja temperatura. Aunque la disminución de costos de producción es un punto importante que impulsa estos desarrollos, la inclusión de semiconductores en sistemas termosensibles y la aparición de fases metaestables con nuevas propiedades también motivan ésta búsqueda. En este sentido, la técnica hidrotérmica se posiciona como una estrategia funcional con múltiples beneficios, incluyendo, entre otras, la capacidad de obtener diversas morfologías y la posibilidad de diseñar materiales tanto simples comocomplejos. Por sus aplicaciones polifuncionales, la síntesis de ZnO nano y microestructurado y el estudio de sus propiedades físicas han despertado mucho interés en los últimos años. El ZnO es un material semiconductor conestructura de banda directa y una energía de 3.37 eV, lo cual junto a una energía de ligadura excitónica de 60 meV lo hace candidato para múltiples aplicaciones ópticas y optoelectrónicas. Además, cristaliza con una estructurahexagonal tipo wurtzita formando subredes de oxígeno y zinc que se intercalan, lo cual, debido a la diferencia en electronegatividad de estos elementos, polariza el material a lo largo del eje c. Una de las estrategias paramodificar y/o controlar las propiedades ópticas y eléctricas del ZnO es la inclusión de metales en su red cristalina, dado que este proceso altera la energía y estructura de bandas. En este trabajo, obtenemos polvos policristalinos de ZnO, ZnO:Al y ZnO:Sr a través de síntesis hidrotérmica. Para la síntesis del ZnO, se mezclaron 1.5 mL de una solución acuosa 0.5 M de nitrato de zinc hexahidratado y 4 mL de dietanolamina en un vaso cerrado deteflón de 25 mL, después se agregó agua destilada en cantidad necesaria para completar 12.5 mL; la mezcla se agitó vigorosamente y se introdujo en un autoclave de acero inoxidable, éste se puso en una estufa a 125 ◦Cdurante 4 horas. Finalmente, se dejó enfriar durante 1 hora antes de abrir el autoclave y extraer/lavar el producto obtenido. Para obtener el ZnO:Al y ZnO:Sr (esquematizado como ZnO:M), se realizó el mismo procedimiento, peroagregando la cantidad necesaria de una solución acuosa 0.05 M de cloruro de aluminio hexahidratado o cloruro de estroncio hexahidratado para obtener proporciones atómicas de Zn+2:M de 99:1 y 96:4 para cada metal. A travésde microscopía de electrónica de barrido, observamos que los polvos obtenidos están compuestos por aglomerados de nanopartículas que forman sub-micropartículas con una alta variación en su diámetro, mostrando además unadependencia con la composición. La presencia de Zn, Al y Sr fue confirmada a través de espectroscopia de rayos X dispersiva en energía. A través de difracción de rayos X y microscopia Raman confirmamos que el materialobtenido en todos los casos corresponde a la fase wurzita del ZnO, sin observar la presencia de segundas fases correspondientes a óxidos de aluminio u óxidos de estroncio. Adicionalmente, la disminución de los parámetros de red -obtenidos de los difractogramas- cuando se agrega Al+3 y su respectivo aumento cuando se agrega Sr+2, indica que dichos átomos fueron incorporados de forma sustitucional dentro de la red cristalina del ZnO. Junto a esto, observamos corrimientos sistem´aticos en la señal Raman que aparece a 99 cm-1, que responde a vibraciones de la subred de zinc, que confirman este resultado. Usando espectroscopia de fotoluminiscencia observamos que las muestras presentan emisión tanto ultravioleta como visible, estando esta ´ultima dominada por emisión en el amarillo, que resulta de procesos de recombinación a través defectos puntuales asociados a vacancias de oxígeno.