Micro y nanoestructuras de In₂O₃ e IZO: síntesis y propiedades ópticas, mecánicas y de superficie

El oxido de indio es un oxido conductor transparente que se caracteriza por poseer una elevada conductividad electrica y una buena transparencia optica dentro del espectro visible. Su uso esta ampliamente extendido en la industria optoelectronica, donde se emplea dopado con Sn para la fabricacion de electrodos transparentes. Sin embargo, en los ultimos anos ha surgido un creciente interes por sus propiedades como material semiconductor, y por su empleo en forma micro y nanoestructurada en aplicaciones tan variadas como los sensores de gases o los transistores de efecto campo. Por otra parte, la escasez y elevado precio del In en el mercado ha impulsado la busqueda de nuevos materiales capaces de reemplazar al Sn:In2O3 como electrodo transparente. Uno de los candidatos mas prometedores es el sistema In2O3?ZnO (IZO), cuyas propiedades se acercan a las del Sn:In2O3, manteniendo una concentracion de In mucho menor.En esta tesis se estudia la sintesis de estructuras de baja dimension de In2O3 e IZO mediante un proceso de evaporacion termica, y la caracterizacion de sus propiedades opticas, mecanicas y de superficie, con vistas a posibles aplicaciones. Las estructuras de In2O3 se han sintetizado a partir de polvos de In2S3 sometidos a tratamientos termicos a 950 o 1000 oC, en presencia de un flujo de Ar. La variacion de los parametros de los tratamientos permite controlar la morfologia de las estructuras obtenidas, entre las que se cuentan microcristales, microbarras, y nanohilos. El estudio sistematico de la morfologia y la orientacion cristalina de las estructuras, determinadas mediante medidas de microscopia electronica de barrido (SEM) y difraccion de electrones retrodispersados, respectivamente, se ha empleado para la elaboracion de un modelo de crecimiento. Los espectros de catodoluminiscencia (CL) indican una reducida concentracion de vacantes de oxigeno salvo en las estructuras obtenidas a mayor temperatura, y las imagenes pancromaticas sugieren la presencia de dislocaciones en su interior, que podrian estar relacionadas con su proceso de crecimiento. Se ha comprobado que las microbarras pueden actuar como guias de onda, y sustentar modos opticos resonantes en su interior, confinados en su seccion transversal. El cambio de grosor de las barras a lo largo de su eje longitudinal modifica la condicion de resonancia en funcion del punto explorado, permitiendo modular de forma predecible el espectro de resonancia, que unido a su factor de calidad de Q=350, hace posible su uso en aplicaciones practicas como resonadores opticos. El estudio de las propiedades mecanicas de las microbarras indica que estas presentan modos resonantes trasversales con frecuencias de resonancia del orden de los kHz, y factores de calidad de entre 103 y 105 en funcion del tipo de anclaje empleado, lo que demuestra el potencial del In2O3 para su uso en resonadores micromecanicos. A partir de la frecuencia de resonancia y los parametros geometricos de las microbarras se ha determinado un valor promedio de su modulo de Young de 145 GPa. Estos resultados se han comparado con los obtenidos mediante test de doblado en un AFM, obteniendose una diferencia de tan solo un 4%.Para la sintesis de micro y nanoestructuras de IZO se han empleado dos precursores distintos, consistentes en una mezcla de ZnO con InN (muestras N) o In2S3 (muestras S). El empleo de InN promociona el crecimiento 1D de microflechas, mientras que el uso de In2S3 favorece el crecimiento 2D de placas hexagonales. La incorporacion del Zn en ambos casos es inhomogenea, e influencia la morfologia de las estructuras obtenidas. Las medidas de espectroscopia de electrones fotoemitidos (XPS) y de CL apuntan a la formacion de compuestos ternarios de IZO, y revelan que las estructuras de las muestras N presentan un comportamiento tipo n degenerado, con concentraciones de portadores libres de ~1020 cm-3, y una zona de vaciamiento en la superficie debido a la presencia de estados superficiales aceptores.