Síntesis y caracterización de películas delgadas de óxido de cerio nanoestructuradas por rocío químico

Abstract

RESUMEN: El óxido de cerio tiene importantes propiedades físicas y químicas, que le conceden un lugar preponderante en aplicaciones relacionadas con la energía y en el desarrollo de tecnologías emergentes tales como dispositivos electrónicos (memorias de acceso aleatorio dinámico, condensadores de tamaño pequeño, películas superconductoras de alta temperatura, aislantes en estructuras de silicio, sensores de gases, sensores de temperatura, sensores de humedad y dosímetros). [1-9]. Este material es uno de los más estudiados para aplicaciones en celdas de combustible. También ha sido reportado como catalizador para la eliminación de contaminantes emitidos por los coches y para el desarrollo de membranas de transporte de oxígeno [10,11]. Para muchas de estas aplicaciones, el óxido de cerio nanoestructurado es muy interesante, pues mejora la reactividad redox y el transporte de oxígeno con respecto a los materiales en bulto. En general, los materiales y estructuras a escala nanométrica han atrapado un gran interés en la actualidad, debido a que las restricciones en su tamaño casi siempre producen propiedades físico-químicas cualitativamente diferentes a sus contrapartes en bulto. La ciencia de estos fenómenos que ocurren a escala nanométrica tiene sus propios principios físicos y descripciones teóricas que apenas estamos en el proceso de entender. Un paso importante en el desarrollo de la nanotecnología, que implica la conversión del conocimiento en soluciones tecnológicas útiles, es exactamente la adquisición de este conocimiento científico fundamental. En este trabajo se obtuvieron películas delgadas policristalinas de óxidos de cerio con tamaños de grano menores a 20 nm. Las películas se prepararon por la técnica de rocío pirolítico ultrasónico, una técnica económica que permite obtener películas densas y homogéneas. Se estudió la influencia de la molaridad y del flujo del gas director y de arrastre en la morfología y propiedades ópticas de las películas. Para esto se prepararon tres series, con molaridades 0.01, 0.02, 0.03 mol/L, a cada una de las cuales se les modificaron los flujos de arrastre/director: 0.5/1.0, 1.0/1.5, y 1.5/2.0 L/min. Para cada serie se varió la temperatura del substrato a 400, 425, 450, 475 y 500 °C, manteniendo los otros parámetros fijos, buscando encontrar las condiciones óptimas para el crecimiento de la película. La morfología y composición se caracterizó por difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido, mientras que sus propiedades ópticas se caracterizarán por fotoluminiscencia. Este trabajo se basa en dos hipótesis: 1. Por la técnica de rocío pirolítico ultrasónico es posible obtener películas delgadas nanoestructuradas, densas y homogéneas de óxido de cerio. 2. Las propiedades estructurales y ópticas de las películas se podrán variar disminuyendo el tamaño de grano, lo que a su vez se puede modificar variando los parámetros de depósito y la solución de partida. El objetivo principal de este trabajo es la síntesis y caracterización estructural y óptica de películas nanoestructuradas de óxido de cerio preparadas por rocío pirolítico. Se elige la técnica de rocío pirolítico por ser una técnica económica, escalable a la industria y que permite obtener materiales homogéneos y densos. A partir de este objetivo principal proponemos los siguientes objetivos particulares: 1. Optimizar las condiciones de crecimiento para obtener películas delgadas nanoestructuradas de óxido de cerio por la técnica de rocío pirolítico. 2. Caracterizar estructuralmente las películas preparadas buscando obtener películas densas, homogéneas y sin fracturas. 3. Hacer una caracterización óptica de las películas.