INSTITUTO
DE OPTICA
 

Nanofilms transparentes de oxinitruro de titanio de alta conductividad obtenidas por control de nucleación para optolectrónica sostenible

7 Dic, 2021 | LPG

¿Sabías que es muy difícil conseguir materiales transparentes y conductores de la electricidad?

Las películas delgadas que sean conductoras y transparentes a la vez son muy interesantes porque se han convertido en electrodos esenciales para aplicaciones optoelectrónicas. Se utilizan por ejemplo en pantallas para dispositivos electrónicos y en células solares fotovoltaicas.

El óxido de indio y estaño (ITO) es el conductor transparente por excelencia con un 80% de transparencia y muy poca resistencia eléctrica.
Sin embargo, el ITO es tóxico, frágil y muy caro debido a la escasez de indio en la corteza terrestre. Por ello, se están buscando alternativas mejores y más sostenibles.

Los oxinitruros de titanio (TiON) son una alternativa muy interesante. El titanio es abundante, resistente, no es tóxico y sus oxinitruros presentan buenas propiedades eléctricas y ópticas que además pueden adaptarse a cada necesidad modificando la relación de N / O.
Sin embargo, lograr el equilibrio entre transparencia y conductividad para diseñar un electrodo adecuado y de calidad es un hito relevante.

En este trabajo el equipo científico ha preparado diferentes nanofilms (78 nm) de TiON de alta calidad mediante PLD (deposición por láser pulsado) en vacío, modificando las propiedades de transparencia y conducción al variar la energía del láser de deposición para controlar la relación N / O.
Una energía más baja conduce a una fase de TiO2 con una menor contribución de TiN (16%), mientras que una fluencia más alta produce una mayor cantidad de TiN (23%).

Una energía más baja conduce a una fase de TiO2 con una menor contribución de TiN, mientras que una fluencia más alta produce una mayor cantidad de TiN .
La alta proporción de oxígeno proporciona una alta transparencia, característica del semiconductor de TiO2, y un compuesto rico en nitrógeno proporciona una alta conductividad, característica del TiN. Sin embargo, es difícil lograr un equilibrio entre transparencia y conductividad porque, como se explicó, ambos parámetros varían inversamente.

Al fabricarlos en el vacío se ha conseguido que las películas no tengan defectos y se ha llegado a conseguir una transparencia de hasta el 50% y una conductividad similar a la del ITO.

Estos resultados abren una nueva línea de investigación para el desarrollo de electrodos conductores transparentes y sostenibles basados en películas TION densas y planas, que servirán para las pantallas de nuestros dispositivos electrónicos y las células solares.

¿Qué es la deposición por láser pulsado?

Este método de fabricación de películas delgadas de materiales diversos consiste en la aplicación de pulsos cortos de alta energía sobre un material, que denominamos blanco y que colocamos en una cámara de vacío. Al incidir el laser con alta energía el material se vaporiza formando un plasma que contiene en forma de atomos e iones los componentes del material original. Este plasma al llegar al substrato que ponemos enfrente del blanco se deposita recubriéndolo y formando una fina película. Con la energía del láser y cambiando el número de los pulsos se pueden conseguir distintos espesores y variar las propiedades del la lámina.

Materiales conductores y transparentes

Los óxidos conductores transparentes (TCO) han despertado mucho interés en las últimas décadas debido al mayor uso de pantallas para dispositivos electrónicos y su uso en células solares fotovoltaicas para energías renovables. Se basan en películas conductoras transparentes, lo que no es un objetivo fácil ya que la transparencia suele ir ligada a una baja densidad de portadores y, por tanto, a una baja conductividad eléctrica típica en los vidrios. Los óxidos conductores transparentes, por lo general, se basan en semiconductores dopados y deben tener un comportamiento intermedio entre metales, que tienen alta densidad de portadores y baja movilidad, y semiconductores, que tienen baja densidad de portadores y alta movilidad, con el fin de combinar ambas propiedades para lograr una alta transparencia y alta conductividad.

Dentro de estos materiales el óxido de indio y estaño es el material más utilizado actualmente como conductor transparente porque tiene una transmitancia del 80% en el rango visible y una resistividad eléctrica de 10−4 Ω·cm, con espesores entre 15 y 100 nm. Sin embargo, el indio es un elemento muy escaso en la naturaleza, su extracción supone un problema creciente, y su toxicidad puede causar daños a la salud de los trabajadores. Además de esto, sus limitaciones de fabricación, como su fragilidad y falta de flexibilidad, hace que se busquen alternativas especialmente para grandes displays.

Este es un trabajo de colaboración entre el Instituto de Óptica, el Instituto de Cerámica y Vidrio y en Departamento de Tecnologías de la Información de la Escuela Politécnica Superior, Universidad CEU-San Pablo

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