Control de la nanoestructura en capas esculturales preparadas mediante GLAD: crecimiento y aplicaciones
- Autores: Lola González García
- Directores de la Tesis: Adela Muñoz Páez (dir. tes.), Agustín Rodríguez González-Elipe (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Número de páginas: 142
- Tribunal Calificador de la Tesis: Enric Bertran Serra (presid.), Alfonso Caballero Martínez (secret.), M. Holgado (voc.), Fernando Jesús Castaño Sánchez (voc.), Mari Cruz García Gutiérrez (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
En esta memoria se presenta un estudio sobre la caracterización y posibles aplicaciones de capas delgadas de óxidos inorgánicos preparadas por deposición física en fase vapor en incidencia rasante.
La deposición efísica en fase vapor (PVD por sus siglas en inglés) es una técnica de vacío que se emplea comúnmente en la preparación de muy diversos recubrimientos a nivel industrial. Por este motivo, la investigación asociada con esta técnica resulta atractiva, dado el difícil escalado de la misma del laboratorio a la planta industrial. Este método de preparación se enmarca dentro del grupo de técnicas por vía seca que, al no emplear disolventes de ningún tipo, minimiza los residuos generados. La velocidad de deposición se puede modificar para ajustar las características del recubrimiento deseado. Además, el preciso control del espesor que permite, la hace idónea para recubrimientos de gran calidad óptica.
En los procesos de deposición por evaporación, los sustratos se han colocado tradicionalmente perpendiculares al flujo de material proveniente de la fuente de evaporación. Más recientemente se ha desarrollado una variante de esta técnica en la que éstos se colocan de forma que la normal del sustrato respecto al flujo de material incidente forme un cierto ángulo. Esta variante se conoce como evaporación a ángulo rasante (Glacing Angle Deposition, GLAD) que, como se verá a lo largo de este trabajo, da como resultado un recubrimiento de morfología muy singular y con capacidad para albergar materiales huéspedes que multiplican sus posibilidades de aplicación.
Esta Tesis aborda tanto un estudio de caracterización exhaustivo sobre películas delgadas de capas de TiO2 y SiO2 preparadas por GLAD, como su empleo para el desarrollo de distintas aplicaciones en el ámbito de la fotónica y en el de las celdas fotovoltaicas de colorante. Para dar cuenta de los distintos aspectos abordados, el texto de esta memoria se ha dividido en tres bloques bien diferencias: Introducción, Caracterización y Aplicaciones. Los capítulos comprendidos tienen como denominador común la técnica de preparación empleada.
El trabajo comienza con una breve introducción sobre materiales procesados en forma de lámina delgada (Capítulo 1, Introducción), centrándose en los antecedentes de la técnica GLAD, y en cómo los recubrimientos resultantes pueden emplearse como plantillas o capas anfitrionas en el desarrollo de materiales híbridos.
El Capítulo 2 es en sí mismo un bloque único: �Caracterización�, en el que se presentan los resultados de la caracterización llevada a cabo sobre capas de TiO2. Se muestra un extenso estudio de este sistema que ayuda a comprender cómo afectan los parámetros más relevantes, durante la deposición de las capas, a la morfología del recubrimiento obtenido. Para realizarla se utilizaron técnicas comunes de caracterización estructural y microestructural de láminas delgadas, obteniéndose resultados comparables con los encontrados en la bibliografía. Asimismo, se emplearon otras técnicas menos convencionales en este campo, pero cuya información no reportada con anterioridad para este tipo de sistemas, se ha revelado de gran utilidad para comprender los procesos de crecimiento de estas capas delgadas de estructura columnar. Una de estas técnicas aplicadas específicamente para el estudio de estos materiales es el GISAXS (dispersión de rayos-x de ángulo bajo con incidencia rasante), siendo en este trabajo donde se han estudiado por primera vez este tipo de sistemas. El conjunto de resultados conseguidos, ha desembocado en una descripción muy precisa y de gran interés sobre capas de óxidos crecidas por GLAD. El comportamiento general observado es atribuible también al SiO2, otro de los materiales empleados en capítulos posteriores por lo que no se presentan los resultados.
Los Capítulos 3, 4, 5 y 6 forman el bloque �Aplicaciones�. El cual muestra el uso de capas crecidas por GLAD para el desarrollo de materiales con propiedades de interés en los campos de la fotónica y la energía fotovoltaica. Al tratarse de diferentes aplicaciones, cada capítulo comienza con una introducción específica del campo de aplicación a fin de familiarizar al lector con los aspectos más destacados de dicha área.
El Capítulo 3 presenta por primera vez la preparación de un apilamiento de capas alternas de TiO2 y SiO2 preparadas por GLAD. Esta estructura, al contar con un espesor y una porosidad controlados, da lugar a cristales fotónicos unidimensionales, materiales que se caracterizan por filtrar selectivamente un rango de longitudes de onda determinado del espectro electromagnético. Además de caracterizar ópticamente y morfológicamente el material desarrollado, se demostró que sus propiedades ópticas son susceptibles de cambios importantes en función del medio circundante. Los cambios observados son típicos de materiales que presentan una porosidad interconectada, característica que se demostrará imprescindible en la implementación de estos sistemas en celdas solares de colorante. Esta aplicación se describe con detalle en el Capítulo 5.
En el campo de la fotovoltaica se han probado capas de TiO2 preparadas por GLAD como electrodos de trabajo en celdas solares de colorante (DSCs), estudio que se presenta en el Capítulo 4. En principio las estructuras alineadas, como es el caso de las nanocolumnas que se obtienen por esta técnica, presentas mejores condiciones para el transporte de carga en este tipo de celdas solares.
El Capítulo 5 puede entenderse como el resultado de la combinación de los dos capítulos precedentes que, a modo de sinergia, muestra el efecto de implementar un cristal fotónico unidemensional como los descritos en el Capítulo 3 en una celda solar de colorante como las presentadas en el Capítulo 4.
En el último capítulo, Capítulo 6, se emplean capas de SiO2 preparadas por GLAD como matriz para el crecimiento de nanopartículas de oro en su interior, las cuales presentan unas propiedades ópticas singulares en función de sus características morfológicas. Así, controlando la porosidad de la capa anfitriona se ha podido controlar la forma, el tamaño y la orientación de estas nanopartículas y obtener un material homogéneo que presenta dicroísmo. Este efecto óptico puede eliminarse selectivamente por irradiación con láser de nanosegundos, lo que proporciona una gran capacidad de escritura y encriptación de la información. Esta posibilidad abre grandes vías de aplicación para el cifrado de mensajes y la lucha contra la falsificación.
Una vez expuestos y discutidos los resultados que comprenden este trabajo para optar al título de Doctor se encuentra el apartado �Conclusiones·, en el cual se extraen las conclusiones generales más relevantes de los distintos capítulos en que se estructura la Tesis.
Al final de la memoria se ha añadido dos apéndices cuyo contenido, aunque relevante, podría distorsionar el discurso principal. Así, en el Apéndice 1 se encuentra una lista del instrumental empleado por orden de aparición a lo largo del texto. En él se detallan las características de cada aparato y de cómo se adquirió cada medida. El Apéndice 2 recoge información sobre la caracterización estándar de las celdas solares. Describe las dos técnicas más relevantes (curvas corriente-voltaje (I-V) y eficiencia de conversión en corriente de los fotones incidentes (IPCE)), así como la información que se obtiene de éstas.
Por último se encuentra una lista de las publicaciones, en forma de artículos científicos, relacionadas con los resultados que a continuación se discuten así como otras publicaciones que comprenden resultados obtenidos durante el periodo de formación y trabajo de la candidata para optar al grado de Doctor.
