Propiedades ópticas de micro y nanoestructuras 2D de ZnO:K

LPG

Madrid / 12 de enero de 2023

Un equipo formado por el Departamento de Física de Materiales de la Universidad Complutense de Madrid y el Grupo de Procesado por Láser del Instituto de Óptica han estudiado las posibilidades de utilizar ZnO dopado con potasio (K) en guías de ondas o cavidades resonantes.
Las guías de ondas transmiten la información en forma de luz por su interior con muy pocas pérdidas, son necesarias en multitud de aplicaciones en las que se trabaje con la luz, como por ejemplo la fibra óptica que llega a nuestras casas.
Las cavidades resonantes se aprovechan también de un fenómeno interesante de las ondas. Si las guías de onda pueden transmitir la onda por su interior de un extremo a otro, en las cavidades resonantes la luz puede transmitirse sin pérdidas cuando circula alrededor de la estructura.
cristales microscopicos son iluminados para comprobar que se transmite la luz por su interior

Imágenes al microscopio mostrando el fenómeno de guía de luz, tanto en estructuras alargadas (a y b) como en estructuras planas (c y d)

Fabricar estas estructuras con óxido de zinc (ZnO) es muy interesante debido a que este tiene una banda prohibida amplia lo que lo hace ser un buen semiconductor, es un material barato y fácil de producir y además no es tóxico. Sin embargo, el ZnO tiene una gran limitación que le impide ser utilizado industrialmente y es la dificultad para cultivar ZnO tipo p, necesario por ejemplo para fabricar diodos con este material.

¿Qué es un semiconductor tipo p?

Los semiconductores son aislantes hasta que algún electrón recibe energía suficiente para salirse de su sitio generando así un electrón libre (negativo) y un hueco (positivo). Para aumentar la conductividad a estos materiales se les pueden añadir pequeñas cantidades de átomos diferentes (dopantes) que generen electrones de más (tipo n) o huecos de más (tipo p). En el caso del ZnO los huecos de más tienden a rellenarse debido a fenómenos de autocompensación.

Se ha descubierto que con algunos dopantes como el potasio (K) se consigue un dopaje de tipo p estable, y por eso el equipo científico ha estudiado la posibilidad de estudiar sus propiedades.

La investigación encontró que Las nanoestructuras y microestructuras de ZnO dopadas con K y cultivadas mediante el método de vapor-sólido formaron distintas estructuras cristalinas dependiendo de las diferentes posiciones de la red que ocupa el K dependiendo de su concentración en las estructuras. Cuando la cantidad es baja, los iones de K se incorporan entre los cristales de ZnO (K instersticial, Ki), mientras que el K ocupa posiciones sustitutivas de Zn (KZn) cuando la cantidad de K aumenta.

Vista de microscopio de cristales de diferentes formas

(a) Vista general y tamaños de las estructuras cultivadas, (b) detalle de una cinta con puntas de flecha, (c) agujas con sección transversal hexagonal y (d) aguja central con crecimientos secundarios en forma de triángulo.

Alambres y agujas son la principal morfología observada, aunque también se obtuvieron algunas estructuras en forma de cintas y placas triangulares. Además de estos, también se detectaron estructuras en forma de bola que crecen alrededor de un alambre central.

Las cintas y placas triangulares están orientadas en la misma dirección, lo que indica que su crecimiento está relacionado con las distorsiones en el crecimiento de los cristales introducidas por el Ki.
En el caso de las estructuras en forma de bola, el análisis composicional y los espectros Raman muestran que se componen de K2SO4.

Finalmente, se investigó la capacidad de las estructuras alargadas para actuar como guías de ondas y resonadores ópticos. Debido al tamaño del ion K, prácticamente el doble que el Zn, y a las diferentes posiciones que puede adoptar dentro de la red ZnO (Ki o KZn), se introducen altas distorsiones que comprometen el rendimiento de los resonadores. A pesar de esto, el factor de calidad y la finura muestran valores aceptables (80 y 10 a 544 nm, respectivamente), aunque menores a los reportados para el dopaje con álcalis de menor tamaño, como el Li.

Este estudio abre la abre la puerta a que el óxido de zinc dopado con potasio pueda ser utilizado en aplicaciones como células solares Graetzel (celdas solares transparentes y flexibles), dispositivos para la descomposición del agua por procesos no fotocatalíticos, sensores de humedad, dispositivos espintrónicos (capaces de enviar dos señales a la vez por un mismo medio) y procesos fotocatalíticos.
Por otro lado, la fabricación de cavidades resonantes ópticas es de interés por su potencial uso como láseres, sensores, inmunosensores o filtros ópticos.

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