EFECTO DE LA INCORPORACIÓN DEL CU EN LAS PROPIEDADES SEMICONDUCTORAS DEL ZnO

Abstract

La investigación que se presenta tuvo como objetivo principal analizar el efecto que tiene la incorporación del cobre en la estructura tipo wurtzita del óxido de zinc (ZnO), tanto cristalina como electrónica. Las distintas composiciones de ZnO dopado con cobre se sintetizaron por el método de combustión, con glicina como combustible y nitrato de amonio como agente oxidante, junto con los iones nitrato de las soluciones precursoras de zinc y cobre. Se caracterizaron las muestras por las técnicas de XRD, SEM, UV-vis, EPR, XPS y REELS. Se obtuvo la fase wurtzita en las muestras sin calcinar y calcinadas a 450 °C, 500 °C y 550 °C. La calcinación se realizó para eliminar impurezas orgánicas. No se detectaron picos de difracción asociados con cobre u óxido de cobre en ninguna de las composiciones, indicando que el dopaje se incorporó a la estructura. Los parámetros de red a y c inicialmente aumentaron al introducir el cobre y luego disminuyeron al ir incrementando el porcentaje de dopante. Se observó una compresión del empaquetamiento de la estructura a lo largo del eje c al incorporar el cobre. Se determinó a partir de XPS y EPR que el cobre dentro de la estructura presenta dos estados de oxidación, Cu2+ y Cu+ . Los iones Cu2+ se encuentran distribuidos uniformemente en la red del ZnO hasta Zn/Cu=95/5. En la muestra con Zn/Cu=93/7, se observaron dominios concentrados de Cu2+ . Se encontraron dos coordinaciones para los iones de Cu2+: tetraédrica y octaédrica. Se propone que el cobre se encuentra en la estructura de forma sustitucional en ambas coordinaciones. En el caso de la coordinación octaédrica, el Cu2+ se ubica en uno de los huecos octaédricos de la estructura, sustituyendo un catión de Zn2+ y formando un octaedro distorsionado por efecto JahnTeller. La distorsión es consistente con los parámetros de espín-Hamiltoniano obtenidos. Se obtuvo una reducción del ancho de banda prohibida óptico para todas las muestras, de aproximadamente 0.2 eV. Esta reducción, convertida a longitud de onda, implica un cambio del límite entre la región ultravioleta y la visible a la visible (morado-azul). Los valores de ancho de banda prohibida electrónico (obtenidos por REELS), no presentaron una tendencia definida en función de la concentración de cobre. La disminución del ancho de banda prohibida óptico se vio acompañada de cambios en la estructura cristalina y electrónica del material, relacionados con las interacciones entre el zinc, oxígeno y cobre, así como la incorporación de este último en la estructura del ZnO.