Synthesis of MoO3 and WO3 micro- and nanostructures via electromigration processes.: Structural characterization and opto-electronic properties.
- Autores: Beatriz Rodriguez Fernandez
- Directores de la Tesis: Pedro Hidalgo Alcalde (dir. tes.), María Bianchi Méndez Martín (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2024
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 198
- Títulos paralelos:
- Síntesis de micro-y nanoestructuras de MoO3 y WO3 mediante procesos de electromigración.: Caracterización estructural y propiedades optoelectrónicas.
- Tribunal Calificador de la Tesis: David Maestre Varea (presid.), María Ruth Martínez Casado (secret.), María Luisa No Sanchez (voc.), Miguel García Tecedor (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universidad Complutense de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
- Resumen
En esta tesis doctoral se presentan y discuten los principales resultados de la investigación en la síntesis rápida de micro- y nanoestructuras de óxidos de metales de transición (MoO3 y WO3).
Ambos óxidos son materiales semiconductores de tipo n que presentan polimorfismo y tienen potencial para formar nanomembranas semiconductoras.
El MoO3 tiene una estructura laminar que facilita su exfoliación y permite manipular sus propiedades eléctricas mediante vacantes de oxígeno o dopantes, mejorando sus aplicaciones. En cambio, el WO3, aunque no es laminar, posee propiedades crómicas destacadas para aplicaciones optoelectrónicas y, al igual que el MoO3, sus propiedades electrónicas se pueden modificar fácilmente con vacantes y dopantes.
El estudio se centra en desarrollar un método de síntesis eficiente y rápido mediante calentamiento Joule resistivo del metal precursor, explorando los mecanismos subyacentes y las propiedades físicas resultantes. El método de calentamiento resistivo es eficaz para producir rápidamente estructuras de óxido de baja dimensionalidad, con la electromigración desempeñando un papel crucial. La densidad de corriente y la temperatura son factores clave. Un campo eléctrico externo perpendicular al flujo de corriente acelera el crecimiento, mientras que uno paralelo lo inhibe. La integración de experimentos y simulaciones de elementos finitos ayuda a anticipar y predecir el comportamiento del material. Así como a entender los procesos de electromigración que participan en este método de síntesis.
Los resultados indican que el valor de la densidad de corriente que se hace circular tiene que encontrarse en un cierto rango de valores para que el crecimiento de estructuras de óxido de molibdeno debido a la electromigración en el hilo tenga lugar. La aplicación de un campo eléctrico perpendicular durante el calentamiento resistivo produce una deposición simultánea de material en los electrodos y en el hilo.
La caracterización morfológica para los crecimientos de MoO3 muestra la formación de microflakes en la superficie del hilo y de nanoflakes y nanopartículas depositados en los electrodos. La fase ortorrómbica se encuentra en los flakes y la fase monoclínica en las nanopartículas. Los análisis de oxidación revelan vacantes de oxígeno, importantes para las propiedades eléctricas del MoO3.
Para el WO3, el estudio morfológico muestra microestructuras jerárquicas en el hilo y nanoestructuras (nanopartículas y nanorrombos) en los electrodos. La caracterización revela una fase monoclínica I en el hilo y una coexistencia de fases triclínica y monoclínica II en los electrodos. El análisis de oxidación mediante XPS confirma vacantes de oxígeno, coherentes con los resultados de luminiscencia que muestran la recombinación de pares electrón-hueco y estados localizados asociados con vacantes de oxígeno. Este método permite obtener fases de WO3 de baja temperatura de manera sencilla a temperatura ambiente.
El método de síntesis desarrollado facilita la fabricación directa de transistores de efecto de campo basados en óxido de molibdeno. Las nanoestructuras de MoO3 se depositan mediante calentamiento resistivo con un campo eléctrico externo. El dispositivo final tiene una capa delgada de aproximadamente 100 nm de MoO3 en fases monoclínica y ortorrómbica. Las propiedades eléctricas se pueden modificar mediante ingeniería de defectos. Diferentes tratamientos térmicos demuestran que el recocido en vacío aumenta la conductividad al inducir vacantes de oxígeno en la red. Se observa la transición de fase de MoO3 a través de recocidos en diversas condiciones, obteniendo estructuras subestequiométricas como Mo4O11 y MoO2, además del cambio de color característico de los materiales crómicos. El análisis XPS muestra la variación del estado de oxidación debido a las vacantes de oxígeno, creando estados dentro del bandgap y modificando las propiedades eléctricas y ópticas del material.
