Evaporación Térmica de CuInTe2
Deposición de CuInTe2: Método de Evaporación
Thermal Evaporation Technique
Saludos mis apreciados y estimados amigos de la comunidad científica de habla hispana #stem-espanol y del grupo de apoyo #steemSTEM
Cada día experimentamos con nuevas técnicas de preparación de materiales semiconductores para su posible aplicación en dispositivos optoelectrónicos y en esta publicación compartiré con ustedes el primer ensayo de deposición de películas delgadas del semiconductor ternario CuInTe2 aplicando la técnica de Evaporación Térmica convencional.
Un detalle muy importante cuando se trabaja en una institución de Docencia e Investigación es contar con nexos con grupos de trabajo que tengan la infraestructura tecnológica para desarrollar experimentos de diferente índole. Este es el caso de la USaCh, donde existen otros laboratorios de investigación con personas dispuestas a colaborar en la fabricación de un prototipo de celda solar poniendo a disposición una cámara de evaporación en vacío cercano a 10-6 Torr, para la deposición de películas delgadas de materiales semiconductores.
Nuevamente me acompañó Javier, el cual ha realizado los enlaces dentro de la universidad para lograr la cooperación con otros Profesores-Investigadores, y nos dirigimos al Laboratorio de Alto Vacío para poner en funcionamiento la Cámara de Evaporación en Vacío Dinámico. Para este ensayo se utilizó un sistema Evaporador Térmico del fabricante Alcatel, equipado con una fuente de alta corriente y bajo voltaje, medidor de espesores con cristal de cuarzo, diferentes tipos de resistencias en espiral y botes para la evaporación de materiales.
El primer ensayo de evaporación térmica con CuInTe2. Fuente: iamphysical
El sistema de evaporación térmica es tan convencional que consta de una cámara de vacío, medidores de presión y espesor de películas delgadas, resistencias eléctricas y una fuente de potencia corriente-voltaje.
En la etapa de preparación busqué varios trozos de semiconductores que utilizaremos en los ensayos de evaporación térmica, de tal manera que coloqué 2 gramos de CuInTe2 en un bote de tungsteno. Luego de alcanzado el vacío cercano a 10-6 Torr, procedimos a realizar un precalentamiento de esta resistencia y del material a evaporar calentando a una temperatura menor que el punto de fusión del material (789 ºC) para despojarlo de la humedad impregnada en su superficie y cualquier impureza externa.
Etapa de precalentamiento del material. Fuente: iamphysical
El material semiconductor CuInTe2 comienza a fundirse y el vacío dentro de la cámara de evaporación facilita la ebullición a una temperatura menor. En el video puede verse la incandescencia del bote de tungsteno al paso de la corriente eléctrica y el material comienza a "burbujear", o técnicamente hablando, comienza a ebullir hasta desaparecer del contenedor de tungsteno. Allí nos damos cuenta que el proceso de Evaporación Térmica (Thermal Evaporation) se ha llevado a cabo satisfactoriamente.
La presión de vapor del CuInTe2 comienza a aumentar a medida que transcurre la evaporación térmica, ya que incrementó la temperatura del bote! En sistemas automatizados puede interrumpirse el proceso debido al cambio brusco de presiones, pero en este tipo de equipos se opera de forma manual y podemos graduar la corriente-voltaje del evaporador.
Condiciones óptimas de recubrimiento
He dejado esta sección al igual que mi artículo anterior con criterio de comparación, ya que para que ocurra la evaporación térmica se requiere de un alto vacío dentro de la cámara de evaporación, puede variar entre 10-3 y 10-7 Torr. El efecto de este parámetro es disminuir la temperatura a la cual comienza a evaporar el material, a mayor vacío, menor temperatura!
Verificación del vacío en la cámara de evaporación. Fuente: iamphysical
La presión interna comienza a aumentar a medida que ocurre la evaporación térmica del material semiconductor. La presión de vapor del CuInTe2 aumenta al incrementarse la temperatura en la resistencia, por lo que "se pierde" el vacío dentro de la cámara de evaporación.
Recubrimiento con CuInTe2. Fuente: iamphysical
Después de este primer ensayo me queda la satisfacción de observar un recubrimiento extenso y homogéneo de las paredes de la cámara de vacío y sobre todo de los sustratos que había colocado dentro. Por supuesto que aprovechamos los 2 gramos de material e insertamos 2 sustratos de vidrio, 2 con ITO (Indium Tin Oxide), 2 con FTO (Fluorine doped Tin Oxide), 1 con CdS y 1 con ZnO para formar la unión p-n.
En realidad esta técnica es muy práctica cuando se desea fabricar una película delgada homogénea y de forma rápida mediante un proceso físico de deposición. En las siguientes figuras podemos observar la película formada y algunos inconvenientes por desprendimiento del CuInTe2 debido al calentamiento del sustrato y enfriamiento rápido, lo que provocó una diferencia extrema entre los coeficientes de expansión térmica del sustrato y del material depositado.
Películas delgadas de CuInTe2 sobre varios sustratos. Fuente: iamphysical
Aplicación de otra técnica de preparación de materiales semiconductores!
- No crean que estoy inventando algo nuevo, sino que estoy buscando las condiciones mínimas necesarias para fabricar un dispositivo optoelectrónico, basándome en la experiencia que cada material semiconductor requiere ciertas condiciones de preparación y caracterización que son intrínsecas de cada material. Así que espero seguir trabajando con otros materiales para determinar los parámetros ideales para su deposición en forma de películas delgadas y poder obtener una eficiencia aceptable para usarla como dispositivo. Deseen suerte a este servidor!
Bibliografía y lecturas recomendadas:
○ Técnicas de deposición de películas semiconductoras
○ Thermal Evaporation
○ Evaporación por resistencia eléctrica
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