Láminas delgadas de EuOOH de alta calidad ópticamente activas e integrables preparadas mediante deposito pulsado láser (PLD)

Grupo de Procesado por Láser (LPG)

  • Estas láminas delgadas de EuOOH preparadas mediante PLD presentan una serie de características prometedoras para aplicaciones en optoelectrónica y biología:
    - Estructura cristalina monoclínica
    - Emisión de luz roja intensa y pura
    - Obtenidas con un método sostenible a baja temperatura y compatible con la actual industria semiconductora

Madrid / 18 de septiembre de 2023

Un equipo científico liderado por investigadores del CSIC y de las universidades Carlos III, y Autónoma de Madrid ha desarrollado un método innovador para la preparación de películas delgadas de oxihidróxido de europio (EuOOH) de alta calidad. Estas láminas son de interés para aplicaciones optoelectrónicas y son biocompatibles.

Las láminas sintetizadas se encuadran dentro de los compuestos de tierras raras con oxígeno e hidrógeno, tales como los hidruros oxihidruros y oxihidróxidos. Estos compuestos son muy versátiles ya que sus propiedades se pueden variar significativamente cambiando adecuadamente el contenido de O y H, y han demostrado ser de utilidad ya para para la fabricación de dispositivos de estado sólido tales como las pilas de almacenamiento de hidrógeno, ventanas fotocrómicas y chips fotónicos entre otros.

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(a) Imagen de un cristalito de EuOOH formado por PLD junto a un esquema de su estructura atómica monoclínica. Sobrepuesto en rojo esta su espectro Raman característico .

(b) Imagen tomada en la cámara de vacío el proceso de PLD . La imagen muestra el plasma (emisión blanca-violeta) formado cuando el haz laser incide sobre el blanco (a la derecha).  A la izquierda se ve la imagen del substrato (un cuadrado de color más claro sobre el portasubstratos de metal). El láser que incide no se ve en la imagen porque es de ultravioleta y el pulso es muy corto(nanosegundos), en comparación con el plasma formado que tiene una duración de centenas de microsegundos.

En el estudio, las películas de EuOOH que han sido preparadas mediante PLD, son ópticamente activas y en particular presentan una emisión de luz roja robusta, que se debe a las transiciones internas de los electrones de la capa de f de los iones Eu3+ que forman la estructura del oxihidróxido. La emisión de luz (luminiscencia) de los compuestos basados en tierras raras, entre las que se incluye el europio, han sido atractivos desde hace tiempo debido a su robusta emisión de luz ya que procede de transiciones electrónicas de niveles internos del ion, características que los hacen útiles en diversas áreas como la optoelectrónica, biología, aplicaciones biomédicas como biomarcadores y catálisis.

¿Qué es el depósito por láser pulsado (PLD)?

Es un método de fabricación de láminas delgadas sostenible y flexible que se puede aplicar a todo tipo de materiales. Consiste en la aplicación de pulsos láser cortos y de alta energía sobre un material, que denominamos blanco y que se coloca en una cámara de vacío. Al incidir el pulso láser de alta energía sobre el blanco el material del mismo se vaporiza formando un plasma que es eyectado en dirección perpendicular a su superficie. Este plasma llega al substrato que ponemos enfrente del blanco y se deposita recubriéndolo y formando una fina lámina. Controlando la energía del láser y variando el número de los pulsos y la atmosfera de la cámara de vacío se pueden conseguir láminas con distintos espesores y propiedades.
En este trabajo para conseguir la formación de las láminas formadas por cristales de EuOOH se ha usado un blanco de Eu2O3, y se ha realizado el depósito mediante PLD a presiones inferiores a 1.0 × 10−3 Pa seguidas de un recocido a bajas temperaturas (250 °C) en aire. El espesor de las muestras es de 100 nm Sorprendentemente, y a pesar de que no se ha introducido hidrógeno de forma intencionada, este se ha incorporado en las láminas para la formación del oxidróxido. El análisis de los resultados sugiere que el H se incorpora debido a que en la cámara hay grupos hidróxido residuales (OH) que reaccionan con el plasma. Las películas de EuOOH resultantes muestran una estructura cristalina monoclínica bien definida, y gracias a su excelente calidad ha sido posible determinar de forma inequívoca tanto el índice de refracción de este material, como su espectro Raman característico.
Este novedoso método de preparación de EuOOH es más sencillo y sostenible que los usados hasta el momento que están basados en procesos químicos, y además el tratamiento térmico post-depósito es a una temperatura relativamente baja. Finalmente, los investigadores resaltan el hecho de que es la primera vez que se han preparado láminas delgadas de este material sobre silicio, y que este método es compatible con la tecnología actual de fabricación de chips en la industria semiconductora.
Este es un trabajo liderado por el Grupo de Procesado por Láser del Instituto de Óptica (IO-CSIC) (A. Caño-Blanes, J Gonzalo y R.Serna), en colaboración con el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM- CSIC) (A. de Andrés) el Departamento de Física de la Escuela Politécnica Superior de la Universidad Carlos III (G. B. García-Perea, B. Galiana), y el Departamento de Física Aplicada de la Universidad Autónoma de Madrid (A. Mariscal-Jiménez).

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