Los materiales semiconductores con un amplio ancho de banda se destacan de los semiconductores comunes por su transparencia óptica en el rango espectral visible, pues mantienen la capacidad de manipular sus propiedades eléctricas a través del dopaje con otros elementos. En particular, semiconductores como el óxido de indio y óxido de zinc, al ser dopados con estaño (ITO) y aluminio (AZO), respectivamente, presentan una baja resistividad eléctrica que les permite ser usados como contactos eléctricos transparentes (TCO). Los TCO actualmente son usados en varias aplicaciones tecnológicas. Por ejemplo, en celdas solares de hétero uniones de silicio, el ITO es usado como contacto transparente en las superficies frontal y posterior. Estas celdas solares ya se encuentran en el mercado y han alcanzado récords de eficiencia de hasta 26.6% en el laboratorio. El uso más común de los TCO es, tal vez, en pantallas de cristal líquido (las LCD), en las que los contactos eléctricos con una amplia área que permita el paso de la luz visible son necesarios. Asimismo, estos materiales se pueden encontrar en vidrios inteligentes para controlar activamente la opacidad de ventanas; en dispositivos emisores de luz, como LED y OLED; recubrimientos transparentes calentadores, para descongelar los parabrisas de cabinas de aviones comerciales; y como contacto transparente frontal en dispositivos electroluminiscentes (EL).

Al dopar los TCO con tierras raras (TR) o metales de transición (MT) es posible añadir propiedades adicionales nuevas sin comprometer su transparencia óptica ni conductividad eléctrica. Esto depende principalmente de la concentración del dopante adicional y de la cantidad de oxígeno en el material. En el caso del dopaje con TR es posible añadir propiedades luminiscentes con una alta pureza espectral y, así, abrir aplicaciones para dispositivos de emisión de luz de bajo voltaje en el color verde (Tb), rojo (Eu) y azul (Tm). Por otro lado, en el caso del dopaje con ciertos MT, es posible agregar la capacidad de absorción física o reacción química con gases específicos, lo que altera la resistividad del material en presencia de uno de los gases de interés.

En este marco, el presente proyecto se centra en el estudio de películas delgadas de materiales multifuncionales dopados con TR y MT. La investigación busca evaluar el impacto del dopaje con TR y MT en las propiedades optoelectrónicas de los TCO para aplicaciones en dispositivos electroluminiscentes de bajo voltaje y dispositivos sensores de gases de amonio y acetona, respectivamente. En particular, los materiales multifuncionales que se pretenden estudiar son el óxido de indio dopado con estaño (ITO), el óxido de zinc dopado con aluminio (AZO) y dopados con tulio (ITO: Tm y AZO: Tm) y cromo (ITO: Cr y AZO: Cr).

El Tulio (Tm) es una tierra rara que posee líneas de emisión importantes que abren la capacidad de aplicar el material en dispositivos electroluminiscentes de luz blanca aprovechando la emisión ultravioleta (295 nm), violeta (380 nm) y azul (480 nm) del Tm combinada para excitar fósforos que emiten luz en el espectro amarillo de manera similar a la tecnología de LED blancos actuales. Materiales como ITO y AZO dopados con Tm, debido a su baja resistividad eléctrica y transparencia óptica, pueden ejercer la función de material luminiscente en el diseño de dispositivos electroluminiscentes de corriente directa y bajo voltaje, alternativa de bajo costo y bajo consumo energético. El principal objetivo en esta línea no es solo lograr la emisión de las TR en estas matrices, sino hacer ingeniería de las propiedades del material matriz para obtener una emisión eficiente optimizando los mecanismos de excitación sin comprometer dramáticamente las propiedades eléctricas y ópticas del material.

Por otro lado, reportes recientes muestran que el dopaje con Cr y/o Cu en ITO o matrices similares como el ZnO resultan en propiedades interesantes para la detección de gases como amonio, acetona y oxígeno. Por ejemplo, el amonio (NH3) es un gas incoloro con un olor agudo, cuyas principales fuentes son combustión, amonificación y nitrificación de plantas químicas y vehículos motorizados. El NH3 es utilizado extensivamente en la industria fertilizante y la exposición a su estado gaseoso es dañino para la salud humana. En concentraciones de alrededor de 100 ppm afecta la piel, los ojos y el sistema respiratorio humano; mientras que en concentraciones mayores a las 400 ppm puede producir vómitos y dolores de cabeza. El NH3 es peligroso para la salud humana, así como dañino para el medio ambiente, por lo que sensores que detecten la presencia de NH3 en el ambiente de manera continua son necesarios. Por otro lado, la acetona es un compuesto orgánico volátil considerado seriamente peligroso para el cuerpo humano. Es ampliamente utilizada como solvente y como biomarcador en el aliento de pacientes con diabetes. Esto hace que el desarrollo de nuevos materiales multifuncionales para la aplicación en detectores de gases de bajo costo sea un campo muy activo en la comunidad científica. En particular se busca mejorar las propiedades de absorción de gases manteniendo una buena conductividad eléctrica y que esta cambie dramáticamente en presencia del gas en cuestión.

Objetivo general

El objetivo principal es el estudio del impacto del dopaje con tulio (Tm) y cromo (Cr) en las propiedades  optoelectrónicas de películas delgadas de materiales multifuncionales novedosos a base de óxido de indio dopado con estaño (ITO) y óxido de zinc dopado con aluminio (AZO) con miras a aplicaciones en dispositivos electroluminiscentes de bajo voltaje (Sector Energía) y sensores de gases como amonio (sectores salud y agropecuario) y acetona (sector salud).

Objetivo específico 1

Adquisición del equipo y puesta en marcha

Objetivo específico 2

Deposición de películas delgadas de ITO y AZO dopadas con Tm y Cr

Objetivo específico 3

Caracterización estructural y optoelectrónica

Objetivo específico 4

Evaluación de la capacidad de detección de acetona del ITO: Cr y AZO: Cr

El elipsómetro espectral de ángulo variable (VASE) formaría parte del conjunto de equipos de envergadura para la

investigación científica del Centro de Caracterización de Materiales (CAM-PUCP), el cual es un laboratorio de clase

mundial que actualmente aloja equipos complementarios como microscopía electrónica, difracción de rayos X, espectroscopía micro-Raman y fluorescencia de rayos X, los cuales están a disposición de toda la comunidad de investigación en nuestro país (e.g. la colaboración científica reciente entre la PUCP y la UNSA). En particular, el CAM-PUCP y todo su equipamiento se constituye como una contribución con el Programa Nacional Transversal de Ciencia y Tecnología de Materiales 2016-2021 del CONCYTEC. El VASE constituye una combinación única con los equipos en el CAM-PUCP para realizar análisis integrales cuantitativos y no destructivos de las características superficiales y propiedades ópticas de todo tipo de materiales y recubrimientos. No existe actualmente en el Perú un VASE todavía.

Con el VASE es posible estudiar la rugosidad superficial de diversos materiales con resolución nanométrica, medir el espesor de películas nano y micrométricas, medir el color, determinar el índice de refracción de sistemas multicapas y filtros interferenciales, entre otros. Durante los dos últimos años, en nuestro laboratorio, como parte de las actividades de investigación, hemos desarrollado estrategias para extraer constantes ópticas de películas delgadas sin utilizar modelos de dispersión, aprovechando varias medias espectrales con diferentes ángulos de incidencia [Tej18]. Esto último fue desarrollado en el marco de una colaboración científica cuyo intercambio se financió inicialmente por el programa DAAD-CONCYTEC, contrato 037-2017-FONDECYT, entre la PUCP y el HZB para caracterizar materiales con aplicaciones fotovoltaicas.

La adquisición del equipo contribuiría con el desarrollo de proyectos de investigación e innovación. Las líneas de investigación en las que este equipamiento sería empleado se vinculan directamente con las prioridades de investigación de CONCYTEC, pues dentro del marco del proyecto propuesto se estudiarán materiales multifuncionales con aplicaciones en dispositivos de emisión de luz de bajo voltaje (energía) y aplicaciones en dispositivos para la detección de gases como amonio (salud y agropecuario) y acetona (salud).

En particular, el VASE se adquiere en el marco de varias líneas de investigación que actualmente se desarrollan en la PUCP en colaboración con otras universidades. Por ejemplo, en el caso de las investigaciones en la línea de películas delgadas de carburo de silicio amorfo hidrogenado (a-SiC:H), con miras a aplicaciones fotoelectroquímicas para la producción de hidrógeno asistida por luz solar (147-2017-FONDECYT), el VASE permitirá realizar una caracterización de las propiedades ópticas y de superficie de los materiales para evaluar el efecto de la corrosión en el ancho de banda, los estados electrónicos de Urbach, así como la difusión de oxígeno y su efecto en estas propiedades. Luego, en el caso de la línea de investigación enfocada en el desarrollo de superficies y materiales para implantes, el sistema VASE será empleado en la evaluación de propiedades tales como la rugosidad y el espesor, para correlacionar la información obtenida con características de biocompatibilidad y capacidad de oseointegración. Esta línea de investigación es la continuación y resultado del Círculo de investigación 2 de CONCYTEC (2015-2017), que fue liderado por la UNMSM en colaboración con la UPCH y la PUCP. Esta colaboración se mantiene vigente y forma parte de las actividades de investigación colaborativa entre el doctor Francisco Rumiche (PUCP), el doctor Justiniano Quispe (UNMSM) y la doctora Yilen Tang (UPCH), quienes estudian biomateriales, como hidroxiapatita, y evalúan la capacidad de la misma para servir de recubrimiento sobre implantes de titanio para mejorar su oseointegración.

Institución Responsable del Equipamiento

Pontificia Universidad Católica del Perú

RUC: 20155945860

Tipo de entidad: Universidad

Régimen: Privado

Tipo de organización: Sin fines de lucro

Departamento: Lima

Provincia: Lima

Distrito: San Miguel

Dependencias: Departamento de Ciencias, Laboratorio de Ciencias de los Materiales, Departamento de Ingeniería, Centro de Caracterización de Materiales y Departamento de Ciencias, Grupo de Materiales y Energías Renovables.

Instituciones Asociadas

Universidad Nacional de San Agustín

RUC: 20163646499

Tipo de entidad: Universidad

Régimen: Público

Departamento: Arequipa

Provincia: Arequipa

Distrito: Arequipa

Entidad Colaboradora de interés de uso

Universidad Nacional Mayor de San Marcos

RUC: 20148092282

Tipo de entidad: Universidad

Régimen: Público

Departamento: Lima

Provincia: Lima

Distrito: Lima

Universidad Nacional de Ingeniería

RUC: 20172356720

Tipo de entidad: Universidad

Régimen: Público

Departamento: Lima

Provincia: Lima

Distrito: Rímac

Universidad de Ingeniería y Tecnología

RUC: 20103840369

Tipo de entidad: Universidad

Régimen: Privado

Departamento: Lima

Provincia: Lima

Distrito: Barranco

Universidad Peruana Cayetano Heredia

RUC: 20110768151

Tipo de entidad: Universidad

Régimen: Privado

Departamento: Lima

Provincia: Lima

Distrito: San Martin De Porres

Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco

RUC: 20172474501

Tipo de entidad: Universidad

Régimen: Público

Departamento: Cusco

Provincia: Cusco

Distrito: Cusco

Investigador Principal

Nombres:: Jorge Andrés

Apellido paterno: Guerra

Apellido materno: Torres

Entidad: Pontificia Universidad Católica del Perú

Dependencia: Departamento de Ciencias, Laboratorio de Ciencias de Los Materiales

Coinvestigadores

Nombres: Francisco Aurelio

Apellido paterno: Rumiche

Apellido materno: Zapata

Grado académico: Doctorado

Entidad: Pontificia Universidad Católica del Perú

Dependencia: Departamento de Ingeniería, Centro de Caracterización de Materiales

Nombres: Jan Amaru

Apellido paterno: Palomino

Apellido materno: Tofflinger

Grado académico: Doctorado

Entidad: Pontificia Universidad Católica del Perú

Dependencia: Departamento de Ciencias, Grupo de Materiales y Energías Renovables

Nombres: David Gregorio

Apellido paterno: Pacheco

Apellido materno: Salazar

Grado académico: Doctorado

Entidad: Universidad Nacional de San Agustín

Dependencia: Departamento Académico de Física

Nombres: Rolf

Apellido paterno: Grieseler

Grado académico: Doctorado

Entidad: Pontificia Universidad Católica del Perú

Dependencia: Departamento de Ciencias, Laboratorio de Ciencias de Los Materiales

Coordinador Administrativo

Nombres: Angélica

Apellidos: Tinco

Entidad: Pontificia Universidad Católica del Perú

Equipamiento Mayor

Un equipo mayor es un equipo altamente sofisticado de un valor superior a S/. 600,000.00 que, por la relevancia de su uso en la investigación científica, tiene la capacidad de generar impacto regional y/o nacional en relación con la disponibilidad de tecnología. Así, la adquisición de este equipo permitirá cubrir necesidades de acceso a tecnologías de investigación de alto costo que, por un lado, no se encuentran suficientemente desarrolladas o están por debajo de estándares nacionales y que, por el otro, aún no se encuentran disponibles en la región o en el país.

Nombre del equipo mayor

Elipsometro espectral de ángulo variable

Descripción condiciones técnicas

La elipsometría espectral es una técnica óptica que caracteriza la reflexión y/o transmisión de la luz a través de muestras para diferentes longitudes de onda. La característica principal de esta técnica radica en que mide el cambio de la polarización de la luz después de reflejarse (o transmitirse) en una muestra. Esto hace que esta técnica sea particularmente sensible a la información de la superficie de los materiales bajo estudio, en contraste con otras técnicas espectroscópicas (como la espectrofotometría). Por otro lado, con la capacidad de medir para diferentes ángulos de incidencia (elipsometría espectral de ángulo variable-VASE) es posible caracterizar una amplia gama de materiales y determinar propiedades como índice de refracción, coeficiente de absorción, espesor (de una capa o multicapas), rugosidad y anisotropías.

Lugar donde se instalará el equipo

Entre los equipos que aloja el CAM-PUCP se encuentran los siguientes: un difractómetro de rayos X, espectrómetro micro-Raman, espectrómetro de fluorescencia de rayos X, espectrómetro UV-VIS y un microscopio electrónico de barrido, este último está equipado con un espectrómetro de cátodo luminiscencia y un EDS para el análisis elemental, entre otros. El VASE, el cual sería el primero de su tipo en nuestro país, estará a disposición no solo de la comunidad de investigación PUCP, sino, al igual que todos los equipos que aloja el CAM-PUCP, a disposición de todos los investigadores, grupos de investigación, instituciones académica y empresas interesadas en desarrollar proyectos colaborativos de investigación.

El CAM-PUCP posee un sistema de UPS de alta capacidad para todos sus ambientes y equipos. Cabe indicar que el CAM-PUCP no solo cuenta con la infraestructura apropiada para alojar al sistema VASE, sino también con planes de mantenimiento y seguridad implementados.

Equipamiento secundario

Un equipo secundario es un equipo que asegura el correcto funcionamiento y operatividad del equipo mayor. Estos equipos pueden ser necesarios para la preparación de muestras, para que el ambiente esté controlado, entre otras condiciones. Ej.: termocicladores, cámaras de flujo laminar, aire acondicionado, estabilizadores de energía, computadoras, etc.

Nombre del equipo secundario

Sistema antivibraciones con estabilización activa

Descripción:

Es una plataforma especializada para el aislamiento del equipo de vibraciones del ambiente. Consiste en una plataforma de acero suspendida sobre aisladores neumáticos con control electrónico. El sistema se auto nivela y atenúa vibraciones de baja frecuencia provenientes del edificio y movimientos sísmicos menores.

Proyección de uso

Enfoque en el proyecto de investigación en el que está enmarcado. Sin embargo, a nivel interno y externo de la PUCP, existen otros proyectos que se verían beneficiados con el potencial de caracterización superficial del VASE.

De hecho, los investigadores de la presente propuesta también se encuentran involucrados en distintos proyectos internos y externos como se detalla a continuación. Considerando ello, se estima 60% de uso interno y 40% externo.

Detalle de los posibles usuarios y respectivos temas:

• German Comina (UNI), caracterización películas delgadas depositadas por spry pirolisis
• Abel Gutarra (UNI), caracterización de minerales
• Justiniano Quispe (UNMSM), caracterización de películas delgadas magnéticas de algunos nanómetros de espesor.
• Carlos Landauro (UNMSM), Yileng Tay (UPCH) y Francisco Rumiche (PUCP), caracterización de películas delgadas de hidroxiapatita para el desarrollo de implantes dentales con mejor oseointegración.
• Juan Carlos Gonzáles (UTEC), caracterización de películas delgadas de materiales anisotrópicos depositados por sputtering
• David Pachecho (UNSA) y Wilmer Alexe Sucasaire Mamani (UNSA), caracterización de películas delgadas de ITO: Cr e ITO: Fe depositadas por sputtering
• Jan Amaru Palomino (PUCP) y Jorge Dulanto (PUCP), caracterización de recubrimientos de AlN para la pasivación de Silicio
• Álvaro Tejada (PUCP), Lars Korte y Florian Ruske (HZB), caracterización de películas delgadas de perovskita (colaboración con el HZB)
• Paul Llontop (PUCP) y Jorge Andrés Guerra (PUCP),, caracterización de películas delgadas de ITO y AZO dopadas con Tb
• María del Carmen Mejía (PUCP), Francisco Rumiche (PUCP) y Jorge Andrés Guerra (PUCP), caracterización de contactos de ITO sobre a-SiC:H(p) y Al sobre a-SiC:H(p) y caracterización de cambios en la superficie de SiC:H(p) debido a la exposición a medios corrosivos

Primer elipsómetro espectral de ángulo variable en el Perú para la caracterización de materiales multifuncionales

Tipo de proyecto: Investigación aplicada

Sectores: Salud

Tipo de sector: General

Área de conocimiento OCDE: Ciencias naturales

Sub área de conocimiento OCDE: Ciencias físicas

Disciplina de conocimiento OCDE: Física de la materia

Departamento: Lima

Provincia: Lima

Distrito: San Miguel

Descripción

En esta propuesta evaluamos el efecto del dopaje con tierras raras (TR) y metales de transición (MT) en las propiedades optoelectrónicas de óxidos transparentes conductores para aplicaciones en dispositivos electroluminiscentes de corriente directa y bajo voltaje (energía); y los dispositivos sensores de gases de amonio (salud y agropecuario) y acetona (salud), respectivamente. Los materiales multifuncionales a estudiar son el óxido de indio dopado con estaño (ITO), el óxido de zinc dopado con aluminio (AZO), dopados con tulio (ITO: Tm y AZO: Tm) y cromo (ITO: Cr y AZO: Cr).

Las películas delgadas de ITO, AZO, ITO: Tm, AZO: Tm, ITO: Cr y AZO: Cr son depositadas por Sputtering. Para esto se disponen de dos magnetrones, uno con un objetivo de ITO (o AZO) y el otro con el objetivo de Tm (o Cr). De esta manera se codeposita el material variando el porcentaje de dopaje a través de la potencia del segundo magnetrón y/o por la geometría del sistema de deposición [Gue16].

Las propiedades optoelectrónicas de estos materiales y el impacto sobre estas debido al dopaje con Tm y Cr son evaluadas a través de las constantes ópticas obtenidas por elipsometría espectral de ángulo variable (VASE) sin usar modelos de dispersión, como ha sido demostrado anteriormente por nuestro grupo en otras películas delgadas de materiales semiconductores [Tej18], y por medidas de resistividad usando el método de Van Der Pauw.

Finalmente, las propiedades luminiscentes del AZO: Tm e ITO: Tm son evaluadas por espectroscopía de luminiscencia bajo excitación de luz con longitud de onda de 325 nm, correspondiente a la emisión de un láser de He-Cd con el que se cuenta. La emisión de luz es evaluada después de tratar térmicamente las muestras dopadas con Tm, para así evaluar la activación del Tm en estas matrices [Gue16]. A su vez, la variación en la resistividad de AZO: Cr e ITO: Cr en presencia de acetona gaseosa es estudiada bajo diferentes condiciones de temperatura y para distintas concentraciones de Cr.

A través de la adquisición de la técnica de elipsometría espectral de ángulo variable, y en el marco de las colaboraciones con instituciones nacionales e internacionales, esperamos generar impacto en el capital humano que se entrena en la caracterización avanzada y estudio de recubrimientos funcionales y materiales semiconductores.

El personal, compuesto por estudiantes y docentes, será entrenado en el sitio por especialistas en la materia y habrá oportunidad de llevar a cabo capacitaciones en temas más avanzados en las instalaciones de la empresa en París, Francia. Con ello, se buscará incrementar el número de personal calificado en la caracterización óptica de alto nivel de películas delgadas, recubrimientos funcionales y materiales semiconductores y metálicos. Todos estos son de uso permanente en dispositivos de alto impacto tecnológico en múltiples áreas, como láseres, LED, sensores y celdas solares. Estas áreas de desarrollo se encuentran dentro de las líneas de investigación que desarrollamos en nuestro grupo, así como en los distintos grupos de investigación de las entidades colaboradoras.

Este equipamiento será aprovechado también para fortalecer áreas de investigación en materiales biocompatibles, como hidroxiapatita; para mejorar la oseointegración de implantes (UPCH y PUCP); recubrimientos metálicos y superconductores (UNMSM); caracterizar materiales nanoestructurados con aplicaciones ambientales y energéticas (UNI y UNSM); estudiar materiales con aplicaciones fotovoltaicas y fotoelectroquímicas (UNI, HZB y PUCP); entre otras.