ObjetivosProyecto: Sintesis y caracterizacion de los nanomateriales prctica: Sintesis de nanotubos por el metodo de rocio pirolitico, spray pirolysis Estudio de caso: Tecnicas microscopicasy espectroscopicas de caracterizacion en nanotecnologia. ABP: Metodo de deposicion fisica de vapor (PVD) y deposicion quimica de vapor (CVD)

Produccin y caracterizacin de recubrimientos del sistema Y-Ba-Cu-O producidos por medio de la tcnica de roco piroltico /Monroy Jaramillo, Luis Bernardo (2009) Produccin y caracterizacin de recubrimientos del sistema Y-Ba-Cu-O producidos por medio de la tcnica de roco piroltico . Maestra thesis, Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogot.

Se realizaron depsitos del sistema Y-Ba-Cu-O a partir de diferentes precursores y sobre diferentes superficies usando la tcnica de Roco Piroltico Ultrasnico. Como sustratos se utilizaron MgO, Si y SiO2 con y sin capa bfer de YSZ. Los depsitos se realizaron durante una hora a 600C con un equipo RPU mejorado que permite depsitos de larga duracin y se realiz un tratamiento trmico intensivo. Se realizaron caracterizaciones de tipo elemental, cristalino, topogrfico y elctrico a las dieciocho muestras mostrando Exceso de CuO y deficiencia de Ba, pelculas policristalinas con fases binarias, ternarias ycuaternarias, bajas rugosidades de pelcula y un comportamiento elctrico de tipo semiconductor. /

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Tesis/trabajos de grado - Thesis (Maestra)

Olaya Flrez, Jhon Jairo and Santana Rodrguez, Guillermo Maestra en ingeniera, materiales y procesos

RPU; YBCO; YSZ; Semiconductores; Superconductores; Pirlisis; USP; Roco pirolsis ultrasnico; Materiales

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1767 Universidad Nacional de Colombia Biblioteca Digital - Sede Bogot 28 Jul 2010 10:05 15 Feb 2011 00:13

ALGUNOS EJEMPLOS DE TCNICAS DE SNTESIS. (Parte 1).Tcnicas para la preparacin de materiales inorgnicos en formas especficas: monocristales y pelculas delgadas: mtodos qumicos y electroqumicos y mtodos fsicos. Introduccin. Comnmente el producto de la sntesis de un material inorgnico es una sustancia policristalina con tamao de cristales ms o menos grandes. Sin embargo, en muchos casos se requiere que el material sea obtenido en determinadas formas, tales como pueden ser los monocristales o las pelculas delgadas. La forma requerida est lgicamente determinada por el uso o aplicacin que se le dar al material. Cuando se trata de hacer una caracterizacin estructural es muy importante la obtencin de un monocristal. Muchos monocristales son anistropos en determinadas propiedades, por lo que tambin se requieren para ser usados en aplicaciones pticas y electrnicas.

Las pelculas o capas delgadas tanto amorfas, como mono o policristalinas son muy importantes en la tecnologa moderna. Pueden ser usadas para formar cubiertas protectoras sobre otros materiales y han jugado un papel esencial en la miniaturizacin de componentes de dispositivos electrnicos. Otra caracterstica importante es que sus propiedades son con frecuencia diferentes a las propiedades de un material voluminoso, lo que se deriva de la gran relacin rea / volumen que poseen. En esta conferencia estudiaremos brevemente algunos mtodos de preparacin de monocristales, fundamentalmente de tipo fsico, y diferentes tcnicas de preparacin de pelculas delgadas, tanto qumicas como fsicas. Para realizar alguno de los procedimientos que aqu esbozaremos, ser necesario profundizar ms en sus fundamentos y problemticas experimentales. inicio Crecimiento de monocristales.

Los monocristales pueden ser crecidos desde cualquier fase: vapor, lquida o slida, aunque generalmente slo las dos primeras dan cristales de suficiente tamao para sus aplicaciones o para la medicin de sus propiedades. A continuacin haremos un breve resumen de algunos mtodos.a) Mtodo de Czochralski. En este mtodo el monocristal crece a partir de la fase fundida del propio material, o sea, con igual composicin. Una semilla cristalina que muchas veces posee una orientacin cristalogrfica dada, se pone en contacto con la superficie del Fig. 1. Crecimiento de fundido, cuya temperatura se mantiene monocristales por el mtodo de ligeramente por encima de la de fusin. Czochralski. La semilla se va extrayendo lentamente y sobre su superficie se solidifica el fundido en la misma orientacin cristalogrfica que la semilla original. El cristal que crece y el crisol con el fundido usualmente rotan en sentidos contrarios durante la extraccin, con el propsito de mantener una temperatura constante. Por lo general se emplea un gas inerte (argn o xenn) a alta presin, para evitar prdidas por volatilizacin. Este mtodo es muy usado para crecer semiconductores tales como Si, Ge, GaAs, etc. Tambin para materiales generadores de rayos lser tales como el Ca(NbO3) 2 dopado con neodimio.

Fig. 2. Equipo para la fusin

zonas: 1 tubo de b) Fusin por zonas. En este mtodo por ya conocido permite obtener cuarzo; 2 navecilla con la monocristales por enfriamiento lento sustancia a crecer; 3 horno de la pequea zona fundida (Fig. 2). En elctrico mvil. estas condiciones los tomos se arreglan de manera tal que el cristal se forma con orientacin preferencial.

Estos dos mtodos tienen la ventaja de producir cristales grandes en relativamente poco tiempo y los equipos son relativamente simples, pero la calidad cristalina puede ser pobre debido a la presencia de in - homogeneidades y a altas concentraciones de defectos estructurales. c) Precipitacin a partir de soluciones o fases fundidas: mtodo de los flujos. En los mtodos descritos anteriormente, los cristales crecen a partir de fases fundidas del propio material. En los mtodos de precipitacin el crecimiento se produce a partir de una fase lquida de composicin diferente a la del cristal, por ejemplo, la cristalizacin de una sal hidratada a partir de una disolucin acuosa (Fig.3 a). Tambin se da el caso de que el solvente puede ser una fase lquida que no tenga ninguna relacin composicional con los cristales deseados (Fig. 3 b). Por ejemplo, el SiO2 se puede disolver en haluros o boratos fundidos (estos compuestos tienen bajas temperaturas de fusin) y puede precipitar como monocristal a partir de estas sustancias por enfriamiento. En estos casos, al solvente fundido se le llama flujo, puesto que reduce efectivamente la temperatura de fusin de los cristales en una gran magnitud. Para emplear ste mtodo se requiere tener informacin detallada del diagrama de fases del sistema involucrado. Como en este mtodo se emplean condiciones isotrmicas y bajas velocidades de crecimiento, los cristales obtenidos tienen pocos defectos, pero pueden estar contaminados con el material empleado para fluidificar o con su contenedor. inicio

Fig.3. Equipos para obtener monocristales. a) A partir de disolucin .

b) De fase fundida.

Preparacin de pelculas delgadas. Los mtodos de preparacin de pelculas delgadas pueden ser: a) Qumicos y electroqumicos b) Fsicos a) Mtodos qumicos y electroqumicos. 1.Depsito catdico. Es el mtodo standard que se emplea en galvanotecnia. Se sumergen dos electrodos metlicos en una solucin electroltica que contenga el catin a depositar y se aplica una corriente, con lo que en el ctodo se deposita una pelcula delgada del metal. Son los recubrimientos del tipo de cromados, niquelados, etc. En este proceso el nodo se va disolviendo, restableciendo as el consumo del electrolito. Se puede emplear tambin para obtener semiconductores y compuestos conductores. 2.Depsito sin corriente (electroless). Similar al anterior, pero la reaccin ocurre sin la aplicacin de corriente (como una pila, espontneamente). 3.Oxidacin andica. Es tambin un mtodo electroltico que produce pelculas de xidos sobre superficies metlicas tales como el Al, Ta, Nb, Ti, Zr. El caso ms conocido es el del aluminio anodizado. El metal a recubrir forma el nodo que se sumerge en un electrolito lquido tal como una sal o solucin cida. Los iones O 2- son atrados hacia el nodo para formar pelculas delgadas de Al 2O3. 4.Oxidacin trmica. Muchas sustancias se oxidan al aire, especialmente a altas temperaturas y en muchos casos, el producto es una pelcula inerte que inhibe la oxidacin posterior. Es el caso del Al y otros metales de transicin, que a temperatura ambiente se recubren de xido. Sin embargo, tambin se aplica a la obtencin de nitruros, por ejemplo, cuando se expone un metal a una atmsfera de amonaco a elevadas temperaturas. 5.Depsito qumico de vapores. El mtodo hace uso de algunos de los principios relacionados con las reacciones de transporte qumico en fase de vapor. Permite obtener pelculas cristalinas muy puras de semiconductores, incluyendo las del tipo III V. Las pelculas se forman por descomposicin de molculas que se encuentran en fase gaseosa. La descomposicin se efecta por pirlisis, fotlisis o reaccin qumica, como se muestra en los siguientes ejemplos: oh GeH4(g) Si(CH 2-CH3) 4(g) + O2(g) SiCl4(g) + 2 H2(g) SiH4(g) Ge(s) + 2 H2(g) SiO2(s) + CO2(g) Si(s) + 4 HCl(g) + H2O(g)

Si(s) + 2 H2(g)

Las pelculas depositadas por este mtodo tienden a acoplarse a la estructura del sustrato, repitindola, con lo que se producen mecanismos epitaxiales de

crecimiento (crecimiento preferencial en las dos direcciones de la superficie del sustrato). Es un mtodo ampliamente usado del cual se han establecido numerosas variantes. Permite obtener metales, xidos conductores, materiales aislantes y semiconductores. 6.Depsito por bao qumico. En este mtodo se realiza el crecimiento de la pelcula delgada por precipitacin lenta del compuesto deseado. Por ello se emplea para obtener compuestos poco solubles como xidos, sulfuros y seleniuros (calcogenuros en general), pero debe procurarse que el producto inico sea slo ligeramente superior a la Kps del compuesto deseado. La velocidad del controla mediante: y depsito se

La seleccin adecuada del sistema de reaccin, de modo que permita la liberacin lenta de los iones Fig. 4. Equipo para el que forman el precipitado. depsito de pelculas Generalmente involucra la por Bao Qumico. formacin de complejos que se van destruyendo paulatinamente.

y El uso de disoluciones diluidas. y El control de la temperatura. El mtodo tiene las siguientes ventajas: el equipamiento es simple (Fig. 4), se emplean bajas temperaturas en el proceso, se obtienen pequeos tamaos de grano en las pelculas, stas tienen buena estequiometria y son homogneas. Sin embargo, no es fcil la seleccin adecuada del sistema de reaccionantes, ni encontrar las condiciones de concentracin y temperatura que permitan obtener pelculas de buena morfologa.

Fig. 5. Equipo para el

7.Spray pyrolysis (roco piroltico). En este caso se hace incidir un spray formado por un gas portador (inerte al sistema) y la disolucin que contiene las sustancias que al descomponers e o reaccionar sobre la superficie del sustrato, rinde la pelcula del material deseado. El sustrato debe encontrarse a la temperatura necesaria para que se produzca la reaccin necesaria. Deben emplearse sustancias que se descompongan a temperaturas relativamente bajas y que no dejen otro residuo slido que el que debe formar la pelcula. Son muy empleados los acetatos de diferentes cationes para obtener pelculas de xidos. Tambin se pueden obtener sulfuros. Es un mtodo econmico y rpido, pero tiene e l inconveniente de que requiere el control preciso de muchos parmetros (concentracin, flujo, altura del spray, temperatura del sustrato, etc.). 8.Sol gel.. Emplea el mismo tipo de reacciones vistas anteriormente, slo que para formar la pelcula, el sol o el gel se aplica sobre el sustrato y a continuacin se le realiza el tratamiento trmico adecuado para eliminar la materia orgnica indeseable. Muy bueno para la obtencin de xidos, nitruros y sulfuros. inicio b) Mtodos fsicos. 1.Evaporacin al vaco. Es el mtodo ms ampliamente utilizado y verstil. El sistema opera en alto vaco (10-6 Torr o ms bajo). El material que se evapora (Fig. 6, abajo) se convierte en gas por calentamiento (lo ms corriente) o bombardeo electrnico (dando lugar a procedimientos ms especficos) y se deposita sobre el sustrato y sus alrededores. Tiene el inconveniente de que se pierde mucho material fuera del sustrato, pero permite evaporar metales, aleaciones, semiconductores, aislantes y sales inorgnicas. 2.Sputtering catdico. En una campana que est a una presin de 10-1 10-2 Torr de un gas inerte (argn o xenn), se aplica un potencial elctrico que produce una descarga ionizante en ese gas. Los iones positivos se aceleran rpidamente hacia el ctodo portando mucha energa, y al incidir sobre el ctodo, por transmisin de momentum, arrancan de ste iones y tomos del material que lo constituye, los cuales migran hacia el nodo, formando as la pelcula.

depsito de pelculas por Roco pisroltico.

Existen otros mtodos como son el dip coating y el spin on spn coating, que son tambin muy empleados, cuyos principios son muy sencillos. Muchas veces se emplean en combinacin con la tcnica de Sol Gel.

Fig. 6. Arriba: Sputtering catdico. Abajo: Evaporador de vaco.

Como resumen puede decirse que los mtodos qumicos aventajan a los mtodos fsicos en que los equipamientos son muchas veces ms simples, aunque deben seleccionarse cuidadosamente tanto el sistema de reaccin como las condiciones en que se realizan los procesos.