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Síntesis de semiconductores nanocristalinos mediante quimica coloidal Mauricio Ortega López. SEES CINVESTAV-IPN CINVESTAV-IPN

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Síntesis de semiconductores

nanocristalinos mediante

quimica coloidal

Mauricio Ortega López.

SEES CINVESTAV-IPN

CINVESTAV-IPN

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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

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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

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Síntesis de coloides

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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.

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• 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.

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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

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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

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Efectos del tamaño de la

partícula

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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

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Efectos de tamaño: niveles de

energía

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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

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Algunos resultados en CdTe

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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.

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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)

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Caracterización óptica: absorbancia

y fotoluminiscencia

Rango de absorción: 400 – 610 nm Rango de emisión: 542 – 560 nm

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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

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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

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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

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Algunos resultados en CdS

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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

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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

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Colaboradores y

Estudiantes

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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

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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

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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.

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Gracias por su atención