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Síntesis de semiconductores
nanocristalinos mediante
quimica coloidal
Mauricio Ortega López.
SEES CINVESTAV-IPN
CINVESTAV-IPN
Motivación
• Los materiales nanoestructurados tienen
aplicaciones en áreas diversas:
fabricación de celdas solares, sensores
biológicos, medicina…
• Para darles una aplicación especifica es
necesario capacitarnos en la síntesis,
manipulación y caracterización de esta
clase de materiales
Motivación
• Para hacer mas accesible (en
cuanto al costo) el uso de
sistemas fotovoltaicos para
producir energía eléctrica,
actualmente se busca
maximizar la razón
eficiencia/costo de las celdas
solares.
• Una opción para alcanzar esto
son las celda solares en
película delgada
Existen diversas tecnologías
para fabricar películas
delgadas.
Una de ellas, es la que
estamos desarrollando:
Preparar películas a partir
pinturas o tintas compuestas
de materiales (metales y
semiconductores)
nanoestructurados
Síntesis de coloides
Bases de la química coloidal
• La síntesis química de coloides en
solución acuosa u orgánica, está basada
en la precipitación de un compuesto ionico
poco soluble en solución. El fenómeno de
precipitación ocurre en soluciones
sobresaturadas en las concentraciones
iónicas de los átomos que forman parte de
la fase solida.
• El resultado de la síntesis es una solución coloidal, la
cual es un sistema físico-químico formado por dos o más
fases, principalmente una continua, que normalmente
es un fluido y otra dispersa en forma de partículas, por lo
general sólidas. La acepción de coloide se deriva de
la palabra griega kolas que indica su tendencia a
pegarse formando agregados, la cual es una de las
principales propiedades de los coloides.
• Para minimizar o impedir este efecto se utilizan
surfactantes: moleculas organicas con grupos
funcionales (tiol, carboxilo, amino, etc.) en uno o sus
dos extremos o en algún sitio de la cadena.
Funciones del surfactante• 1. Estabilizante de las partículas ante agregación;
• 2. Para controlar la reacción de precipitación.
Usualmente forma complejos de coordinación con los
cationes metálicos;
• 3. Como pasivante de los estados electrónicos
superficiales al formar enlaces covalentes con los
átomos en la superficie de la partícula coloidal;
• 4. Determina el medio (acuoso u orgánico) en el cual se
realiza la síntesis así como la dispersabilidad de las
partículas coloidales
Surfactantes usados en
nuestros experimentos
Ácido oleico: Un surfactante anfifilico, es
decir, tiene un grupo polar COOH y un grupo
apolar (la cadena de hidrocarbonos).
Acido tioglicolico. Un surfactante con
dos grupos polares
Efectos del tamaño de la
partícula
Efectos de tamaño: reactividad
química
• La reactividad química se incrementa a
medida que el tamaño del nanocristal
disminuye. Esto es atribuido al incremento
de la razón
• Número de átomos superficiales/número
de átomos en el volumen
Efectos de tamaño: niveles de
energía
Efectos de
tamaño:confinamiento• Exciton. Cuando iluminamos un semiconductor macroscopico con luz de energía
suficiente como para extraer un electrón de un enlace covalente, al enlace semivacíose le asocia una pseudoparticula con carga positiva, llamada hueco. Algunas vecesla separación espacial electrón – hueco es tal que pueden interaccionar a través unafuerza de Coulomb, manteniéndose unidos y moverse así en el interior delsemiconductor. A este ente se le conoce como exciton y la separación electron– hueco se le denomina radio de Bohr del exciton;
• Confinamiento. Cuando se reduce en tamaño dicho semiconductor hasta ser delorden del radio de Bohr el movimiento del exciton se ve restringido. Se dice que elexciton está confinado.
• Manifestaciones del confinamiento:
• - los niveles electrónicos se discretizan
• - La energía de la banda prohibida se incrementa al decrecer el tamaño
A NIVEL MACROSCOPICO, ESTAS MANIFESTACIONES SON PUESTAS ENEVIDENCIA AL ANALIZAR LAS PROPIEDADES OPTICAS DE LOSNANOCRISTALES
Algunos resultados en CdTe
Puntos cuánticos de CdTe en
solución acuosa
Precursores: soluciones acuosas
de CdCl2 y NaHTe.
NaHTe se obtiene de la reducción
del ión telurio
Estabilizante: ácido tioglicólico
(TGA).
1 h 2 h 4 h 94 h
1 h 4 h 7 h
Basado en un diagrama
esquemático en J. Zhang , R. Badugu,
J. R. Lakowicz, Plasmonics (2008) 3:3–11.
CINVESTAV-IPN
Nanocompuestos CdTe-PDDA
Síntesis en solución acuosa
con potenciales aplicaciones en
marcaje biológico
Nanocompositos CdTe/polímero
preparados a partir de una solución
acuosa.
UV-ON
UV-ON
UV-OFF
Poli(cloruro dialildimetilamonio) (PDDA)
Caracterización óptica: absorbancia
y fotoluminiscencia
Rango de absorción: 400 – 610 nm Rango de emisión: 542 – 560 nm
CINVESTAV-IPN
TEM y Raman
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
119 cm-1
LO mode for bulk CdTe 168 cm-1Maximum intensity at 152.4 cm
-1, LO mode.
NC-CdTe/PDDA 20 bilayers
Ajust using the phonon
confinement model (RWL)
Inte
nsity (
Arb
. un
its)
Raman shift (cm-1)
Raman confirma la presencia de
nanobarras en la solucion
coloidal de CdTe
TEM revela que nanovarillas de Te
coexisten con CdTe coloidal
Precursores: CdO y TOP-Te.
Trioctilfosfina es el agente reductor.
Estabilizante: ácido oleico .
Medio solvente: 1-Octadeceno.
Se emplean pequeñísimas
concentraciones de reactivo.
Coloides de CdTe en solución orgánica
Muestra reflujada durante 15 min
UV-OFF UV-ON
CINVESTAV-IPN
Depósito de películas de
CdTe por la técnica drop-casting
Preparación de tintas a partir de
un coloide.
Depósito por goteo sobre
substrato
a) b)
UV-OFF UV-ON
CINVESTAV-IPN
Algunos resultados en CdS
Fase acuosa Fase orgánica
Puntos cuánticos de CdS
UV-Turn On
UV-OFF
UV-ON
UV-OFF
UV-ON
Modulación de la longitud de onda de
emisión por la adición del ión Zn2+ Síntesis de puntos cuánticos de CdS en
solvente orgánico
Deposito de películas de CdS
CdS sintetizado medio orgánico.
Formacion de peliculas de CdS
por drop-casting
CdS sintetizado en solvente
orgánico (síntesis verde).
UV-OFF UV-ON
UV-OFF UV-ON
CdS
CdS
Colaboradores y
Estudiantes
Materiales fotovoltaicos
• Claudio D. Gutierrez Lazos (tesis de doctorado
en revision): CdTe
• Román Romano (estudiante de doctorado de la
BUAP) Dr. Enrique Rosendo (prof. De la BUAP):
PbSe y materiales compuestos PbSe+PDDA
• Yasuhiro Matsumoto (SEES, CINVESTAV) PbS
y materiales compuestos PbS+P3HT
Materiales termoeléctricos
• Dr. Guillermo Pérez Luna (Prof. BUAP)
Bi2Te3, Sb2Te3 y sus aleaciones
• Srikanth Chakravarty (alumno Programa
de Doctorado de Nanociencias y
Nanotecnología, CINVESTAV) PbTe,
Ag2Te y sus aleaciones
Conclusiones
• Básicamente mostré algunos avances en la
síntesis y caracterización de partículas
coloidales de CdS y CdTe;
• Las síntesis en medio acuoso produce coloides
difícilmente manejables. En el caso del CdTe
aparecen fases secundarias como CdS y Te;
• La síntesis en medio orgánico parece ser la mas
conveniente para formar películas delgadas,
pero aun queda por demostrar que éstas son
realmente útiles para celdas solares.
Gracias por su atención