Espectroscopía Raman y absorción en el infrarrojo del semiconductor con vacancia

Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol

Creo que a estas alturas del partido ya se habrán dado cuenta de mi pasión por el estudio de los semiconductores!. No es para menos, ya son 24 años dedicados a esta línea de investigación y he tenido la suerte de contar con el apoyo de mi Tutor Syed Wasim en la licenciatura, maestría y doctorado, además de la disponibilidad de todos los equipos de medición que he mencionado en artículos anteriores.

Ya estamos avanzando en la caracterización de los semiconductores y ahora vamos a combinar la espectroscopia Raman y los semiconductores con vacancias para determinar el efecto que tienen las vacancias de cationes sobre los modos de vibración de la red cristalina.

Recuerdo fotográfico cuando daba una charla en la Universidad Industrial de Santander en Bucaramanga, Colombia (2014), sobre otros temas de caracterización.

Nuestra inquietud era saber qué efecto tenían las vacancias de cationes sobre las propiedades estructurales, ópticas y eléctricas de los semiconductores en relación a los materiales sin vacancias. Postulamos la siguiente hipótesis: si se tiene desorden estructural, las vibraciones de la red no van a ser las mismas, por lo que a medida que ese desorden se hace más grande, por la presencia de las vacancias, la interacción de los electrones y los excitones con los fonones debería disminuir.

Estudio de los modos de vibración en la red cristalina: espectroscopia Raman y absorción en el infrarrojo

Los modos de vibración de la red en el CuIn₃Te₅ se han obtenido del análisis combinado de los espectros de absorción en el infrarrojo {AI} y Raman {R}. La asignación de la simetría y el posible origen de los niveles de energía se realiza de manera similar como en el caso del CuInTe₂.

Realizamos el estudio de la dispersión Raman {R} para obtener una información de los modos de vibración en la red de este material. Se usó un espectrómetro XY Dilor equipado con un doble monocromador y un sistema de detección multicanal. La línea 488 nm del láser de Ar es utilizada como fuente de radiación con una potencia entre 2 mW y 10 mW. La resolución en los espectros es de aproximadamente 2 cm^-1, y se detecta en un rango de 45 a 290 cm^-1 » 5.6 a 36.0 meV (infrarrojo lejano).

Estimados amigos, se dan cuenta que el rango de energía es mucho menor que el valor de la brecha de energía ≈ 1 eV y esto se debe a que es el intervalo donde se dan la vibración, rotación y torsión molecular.

Los modos de vibración de la red cristalina creados por los defectos, también se estudian por absorción en el infrarrojo {IA}, usando un espectrómetro Perkin-Elmer FT-IR (Transformada de Fourier en el Infrarrojo), modelo 2000 en un rango de 350 a 7800 cm^-1 ≈ 43.4 a 967.0 meV.

En las siguientes figuras se presentan 1) el espectro Raman y 2) absorción en el infrarrojo a temperatura ambiente en el CIT:135 y se incluye el espectro del CIT:112 para verificar la influencia de las vacancias de cationes en estos materiales.

Figura 1: Espectro de {R} en CuIn₃Te₅ a 300 K. Se incluye el espectro de {R} del CuInTe₂ para comparación.

Figura 2: Espectro de {AI} en CuIn₃Te₅ a 300 K. Se incluye el espectro {AI} del CuInTe₂.

Se obtienen 14 modos por espectroscopia Raman y otros modos localizados en el espectro de absorción en el infrarrojo. Se descartan los niveles aceptores E_A y donores E_D, también las réplicas o combinaciones entre los picos.

Cuando se calcula la energía promedio de todos estos modos de vibración, se obtienen los siguientes valores: hν_p^{R+AI} = 53 meV para el CuIn₃Te₅ y hν_p^{R+AI} = 28 meV para el CuInTe₂. Estos resultados son del mismo orden de magnitud que hν_p = 63 meV (CIT:135) y hν_p = 23 meV (CIT:112) obtenidos del análisis del parámetro de inclinación σ en la cola de Urbach y con el ajuste del gráfico E_U vs. T. La pequeña diferencia confirma la suposición que, además de los modos Raman, existen otros modos localizados que se originan por los defectos de la red cristalina que también contribuyen en la formación de la cola de Urbach.

Tabla 1. Energía (en meV) de los modos Raman {R} y absorción en el infrarrojo {AI} observados en el CuIn₃Te₅ a 300 K y su posible asignación de la simetría. También se incluyen los valores del CuInTe₂ para comparación.

En conclusión, el análisis de la cola de Urbach combinado con sus correspondientes modos Raman y espectro de absorción en el infrarrojo constituye una herramienta muy importante para determinar la calidad de estos compuestos semiconductores que podrían ser utilizados en dispositivos electro-ópticos.

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Referencias y lectura recomendada:

• C. Rincón, S. M. Wasim, G. Marín, J. R. Huntzinger, A. Zwick and J. Galibert. Raman spectra of the chalcopiryte compound CuInTe₂. J. Appl. Phys., 85, 3925-3927 (1999).
• H. Neumann. Lattice vibrations in A^IB^IIIC₂^VI chalcopyrite compounds. Helv. Phys. Acta 58, 337 (1985).
• H. Tanino, T. Maeda, H. Fujikake, H. Nakanishi, S. Endo, and T. Irie. Raman spectra of CuInSe₂. Phys. Rev. B 45, 13323 (1992).
• C. Rincón, S. M. Wasim, G. Marín, J. M. Delgado, G. Sánchez-Pérez, L. Essaleh, and J. Galibert. Raman spectra of CuGa₃Te₅ ordered defect compound. Phys. Status Solidi B, 1600844 (2017).
○ Raman Spectroscopy
○ Influence of the laser in Raman spectroscopy