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Superficies de resistividad anisotrópica producidas en películas ITO por auto-organización a nanoescala inducida por láser  
Superficies de resistividad anisotrópica producidas en películas ITO por auto-organización a nanoescala inducida por láser
En el artículo presentado se han producido superficies con resistividad altamente anisótropas. En el proceso se han irradiado láminas óxido de indio y estaño (ITO) con un haz láser pulsado en femtosegundo y que funciona a 1030nm. La irradiación provoca un proceso de autoorganización en la naoescala produciendo franjas alternas de espesor grande y pequeño. La anisotropía es causada por la formación de estas estructuras superficiales periódicas inducidas por láser (conocidas como LIPSS) que se extienden sobre regiones de un tamaño en torno a 1 cm2. Se han obtenido dos tipos de estructuras optimizadas. Con pulsos láser de alta energía, la ablación (eliminación de material) en los valles de los LIPSS es casi completa, mientras que hay un importate perdida de material en las crestas. Ello da lugar a una estructura aislante en la dirección transversal al LIPSS y conductiva en la longitudinal. Se observa, además, una fuerte disminución del contenido de Indio en el material remanente, lo que conduce a una ρL ≈ 1.0 Ω-cm. Con una menor energía de pulso, el material en las crestas del LIPSS permanece esencialmente inalterado mientras que en los valles se observa una ablación parcial. Las estructuras muestran una conductividad longitudinal dos veces más alta que la transversal, y una resistividad similar a la de la superficie ITO sin tratar (ρ≈ 5 × 10-4 Ω-cm).

En el artículo se presenta la caracterización exhaustiva de estas estructuras transparentes y conductoras a la vez. Los cambios de composición inducidos a medida que se acumulan los pulsos de láser, condicionan la evolución del LIPSS y, por tanto, el resultado del proceso de estructuración. También se presentan estrategias para seguir mejorando los resultados de resistividad anisotrópica alzanzados.

Los óxidos conductores transparentes (TCO) son materiales con baja absorción óptica en la región visible del espectro (son trasparentes), lo que los hace especialmente adecuados como electrodos trasparentes para aplicaciones en tecnología de la información (diodos emisores de luz orgánica, pantallas planas, etc.) y también en la recolección de energía (fotovoltaica, revestimientos de baja emisividad, etc.). Se producen creando efectos de degeneración en los estados electrónicos de un óxido de banda ancha, ya sea introduciendo una "no-estequiometría" (soluciones sólidas) y / o dopantes apropiados, como Sb o F. Esto suele lograrse en mezclas de diferentes óxidos del Grupo III con óxidos metálicos, en las que el metal puede formar parte del óxido semiconductor o actuar como dopante. Esto da lugar a diferentes familias de óxidos condcutores trasparentes (TCOs), entre las que se incluyen AZO (óxido de aluminio-zinc), IZO (óxido de indio-zinc), ITO (óxido de indio-estaño), GZO (óxido de galio-zinc), etc. Entre ellos el ITO (típicamente ≈90% wt% In2O3 + 10 wt% SnO2 ) juega un papel clave, especialmente para producir electrodos conductores transparentes (ECT) para pantallas planas y flexibles.

En lo que respecta a la estructuración de las películas ITO, aunque el grabado químico en húmedo es adecuado para producir electrodos de anchura micrométrica, la necesidad de poder producir patrónes de forma rápida y sin máscaras sobre áreas grandes condujo a investigar el uso de la estructuración por láser ya a finales de los años 90. Una aplicación igualmente importante de los láseres para el procesamiento de los TCO es su utilización para sinterizar películas formadas por nanopartículas de ITO por el método de "spin-coating", especialmente en sustratos flexibles.

Por otra parte, el uso de láseres ultrarrápidos en los regímenes de duración de pulso de ps- o fs ha sido analizado por varios grupos de investigación, lo que ha llevado en algunos casos a un mejor rendimiento. Este enfoque, cuando se utiliza el procesamiento multipulso, tiene la consecuencia adicional de generar estructuras superficiales periódicas inducidas por láser (LIPSS), un efecto que recientemente ha recibido atención debido a su alto potencial para producir anisotropías ópticas o eléctricas. Sin embargo, debido a su elevada profundidad de penetración en el visible - infrarrojo cercano, es difícil fabricar LIPSS contínuos sobre regiones macroscópicas en el ITO, lo que es un requisito necesario para muchas aplicaciones prácticas.

En este trabajo presentamos una técnica novedosa para la fabricación de superficies una resistividad fuertemente anisotrópica en películas ITO. Es posible alcanzar aislamiento eléctrico en una dirección y conductancia eléctrica en la dirección transversal. Este fuerte efecto de anisotropía es causado por la formación de LIPSS extendidos coherentemente sobre la zona irradiadac cob el láser fs a 1030nm a alata velocidad de procesado (m/s). Tras la optimización de los parámetros de procesado por láser, se han producido dos tipos principales de estructuras con resistividad anisotrópica basadas bien en un proceso de ablación fuerte con cambios en la composición del material material remanente, o en una ablación suave. Las estructuras se han caracterizado minuciosamente en cuanto a su morfología, composición, estructura, propiedades ópticas y resistividad. El origen de su respuesta eléctrica y óptica se ha examinado en función de la evolución composicional y estructural del material irradiado. Se presentan adcionalemente rutas factibles para mejorar aún más los resultados de anisotropía obtenidos.

Con todo ello, se han establecido las bases para el desarrollo de superficies anisotrópicas de TCEs de rendimiento ultra alto basadas en ITO. Hay dos aspectos que vale la pena destacar en este punto. El primero es el hecho de que el enfoque utilizado, consistente en la fabricación de superficies anisotrópicas de TCE mediante estructuración autoorganizada inducida por láser, podría aplicarse a otros conductores transparentes basados en materiales menos escasos que el In. El segundo es el hecho de que, incluso para el caso del ITO, existen nichos de aplicación (sensores electroquímicos, electroswithching óptico, etc.) donde el consumo de ITO (mediante el uso de un proceso sustractivo) sería comparativamente muy pequeño y donde el costo (debido a la escasez de la oferta) sería perfectamente asumible en el precio del producto final. Para algunas de estas aplicaciones, la estabilidad química del ITO en el agua y en soluciones acuosas (por ejemplo, en fluidos biológicos) es un factor decisivo para la utilización de ITO.

Más información en el artículo

El trabajo es una colaboración entre el Instituto de Óptica y el grupo de Nanotecnología en Superficies del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla (ICMS-US-CSIC) y el Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear de la Facultad de Física de la Universidad de Sevilla
 
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