Preparación, Caracterización y Modelización de Cristales Fotónicos

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Índice
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Capítulo3. Estudiodelacoplamientodeunaláminadelgadayun
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Capítulo4.Estudiodeloscristalesfotónicoscoloidalesaplicadosa
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Capítulo6.Fabricacióndeceldassolaresbasadasencristales
coloidales................................................................................................................ͳ͵͹
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Apéndice1.
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Apéndice2.
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Conclusionesgenerales......................................................................................ͳͷ͹
Listadepublicaciones........................................................................................ͳͷͻ
Capítulo1.Introducción.
1. Loscristalesfotónicos.
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Figura 1: Fotografía de (a) una mariposa cuyas alas poseen una ordenación
tridimensional en su composición, (b) una pluma de un pavo real y (c) representación
tridimensionaldecristalesfotónicosuni,bi,ytridimensionales.
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Figura 2: Estructura de bandas de un cristal fotónico 3D compuesto por esferas de aire
distribuidasenunaestructuracúbicacentradaenlascaras(fcc)enunmediodeíndicede
refracción3.5.Enestediagramaseharepresentadoelcocientedea/O,dondeaesellado
delaceldacúbicaconvencionaly Oeslalongituddeondadelaradiaciónincidente,para
diferentesdireccionesdelvectordeondasenelcristal.
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MétodosdeFabricación
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Figura 3. Fotografías de SEM de cristales fotónicos 3D fabricados mediante: (a) dip
coating, (b) estructura bidimensional de cilindros de aire en una matriz de GaAs, (c) ,
litografíaelectrónica,(d)holografía,(e)escrituradirectacontintay(f)manipulacióncon
nanorobot. Imágenes extraídas de las referencias [7], [21], [13], [15], [18] y [19],
respectivamente.
2. Loscristalesfotónicoscoloidales.
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Figura 4. Algunos métodos de fabricación de cristales fotónicos coloidales: (a)
sedimentación, (b) método de confinamiento entre placas plano paralelas y (c)
cristalizaciónporconfinamientoenpatronessuperficiales.
La sedimentación, ȏʹʹǡ ʹ͵Ȑ ‡•“—‡ƒ–‹œƒ†‘ ‡ Žƒ ˆ‹‰—”ƒ ͶȋƒȌǡ ‡• —‘ †‡ Ž‘•
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El método de cristalización entre láminas plano paralelas. ȏʹ͸Ȑ  ‡•–‡
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La cristalización coloidal mediante confinamiento en superficies con un
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El método de Langmuir Blodgett ȏʹͻǡ ͵ͲȐ …‘•‹•–‡ ‡ Žƒ ˆ‘”ƒ…‹× †‡
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Figura5.(a)Esquemadelmétododeautoensambladoinducidoporevaporación(EISA).
(b)Fotografíadeunópaloartificialdeesferasdesílicede200nmdediámetromediante
EISA.(c)Fotografíarealizadamediantemicroscopíaelectrónicadebarrido(SEM)deun
cortetransversaldelópaloartificialdescritoen(b).
Elautoensambladoinducidoporevaporacióndelsolvente‘EISAȋ†‡Ž‹‰Ž±•ǡ
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3. Propiedadesópticasdecristalesfotónicoscoloidales.
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Figura 6. (a) Espectro de reflectancia especular de un ópalo artificial constituido por
esferasdelátex.(b)Estructuradebandasdelanteriormentecitadocristalcoloidalenla
dirección *L.Enamboscasossehanempleadounidadesreducidasparalalongitudde
onda,ƒ/O,dondeƒeselparámetroderedyOlalongituddeondaincidente.
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4. Losópalosinversos
Figura 7. Imágenes obtenidas con microscopía electrónica de barrido de (a) un cristal
coloidaldeesferasdepoliestirenode500nmdediámetroy(b)unópaloinversoresultante
trasinfiltrarnanocristalesdeóxidodetitanioyeliminarlamatrizpolimérica.
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5. Defectosencristalesfotónicoscoloidales.
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6. Aplicacionesdecristalesfotónicoscoloidales.
Figura 8. Recopilación de imágenes de algunos dispositivos o aplicaciones propuestos
cristalescoloidales.(a)Papelfotónico,(b)radiaciónláseratravésdeunópalo,(c)sensor
dehuellasdigitalesy(d)lentillasqueincluyenunsensordeglucosa.Fotografíasextraídas
delasreferencias:[71],[72],[73]y[74].
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7. Objetivosdeestatesis.
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8. Referencias
ͳǤ
Š–ƒƒǡǤǡEnergyBand ofPhotonsandLowEnergyPhotonDiffractionǤ
Š›•Ǥ‡˜Ǥǡ19ͳͲȋͳͻ͹ͻȌ
ʹǤ
ƒ„Ž‘‘˜‹–…Šǡ Ǥǡ Inhibited Spontaneous Emission in SolidState Physics
andElectronicsǤŠ›•‡˜‡––ǡ58ʹͲȋͳͻͺ͹Ȍ
͵Ǥ
‘Šǡ Ǥǡ Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric
SuperlatticesǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥ‡––Ǥǡ58ʹ͵ȋͳͻͺ͹Ȍ
ͶǤ
‘–‘‹ǡǤǡTheoryofLightPropagationinStronglyModulatedPhotonic
Crystals:RefractionlikeBehaviorintheVicinityofthePhotonicBandGapǤ
Š›•Ǥ‡˜Ǥǡ62ͳ͸ȋʹͲͲͲȌ
ͷǤ
‘•ƒƒǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Photonic Crystals for Micro Lightwave Circuits Using
WavelengthDependent Angular Beam SteeringǤ ’’ŽǤ Š›•Ǥ ‡––Ǥǡ 74 ͳͲ
ȋͳͻͻͻȌ
͸Ǥ
ƒ…Ž‡‘†ǡǤǤǡThinFilmOpticalFiltersǤ͵”†‡†Ǥͳͻͺ͸ǡ‘†‘ǣ•–‹–—–‡
‘ˆŠ›•‹…•—„Ž‹•Š‹‰Ǥ
͹Ǥ
—‡”–‡•ǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ Photonic Crystals from Ordered Mesoporous Thin
FilmFunctionalBuildingBlocksǤ†˜Ǥ—…Ǥƒ–‡”Ǥǡ17ͺȋʹͲͲ͹Ȍ
ͺǤ
Š‘‹ǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ Mesoporous Bragg Stack Color Tunable SensorsǤ ƒ‘
‡––Ǥǡ6ͳͳȋʹͲͲ͸Ȍ
ͻǤ
‹ǡǤǡ‡–ƒŽǤǡADielectricOmnidirectionalReflectorǤ…‹‡…‡ǡ282ͷ͵ͻͶ
ȋͳͻͻͺȌ
ͳͲǤ
‡ŽŽ‡”ǡ Ǥǡ ǤǤ —–‡”ǡ ƒ† ǤǤ ‘„‹•‘ǡ Structural Features of Oxide
CoatingsonAluminumǤǤŽ‡…–”‘…Š‡Ǥ‘…Ǥǡ100ͻȋͳͻͷ͵Ȍ
ͳͳǤ
ŠŽ‹”ǡ Ǥǡ Electrolitic Shaping of Germanium and SiliconǤ ‡ŽŽ ›•Ǥ ‡…ŠǤ
‘—”Ǥǡ35ʹȋͳͻͷ͸Ȍ
ͳʹǤ
—•…ŠǡǤǡ‡–ƒŽǤǡ‡†•Ǥ Photonic Crystals: Advances in Design,Fabrication,
andCharacterizationǤʹͲͲͶǡǦ‡”Žƒ‰
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‘†ƒǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Full ThreeDimensional Photonic Bandgap Crystals at
nearInfraredWavelengthsǤ…‹‡…‡ǡ289ͷͶ͹ͻȋʹͲͲͲȌ
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Š‡Ž‘‘˜ǡǤǡ‡–ƒŽǤǡNearInfraredYablonoviteLikePhotonicCrystalsby
FocusedIonBeam Etching of Macroporous SiliconǤ ’’ŽǤ Š›•Ǥ ‡––Ǥǡ 77
ͳͻȋʹͲͲͲȌ
ͳͷǤ
ƒ’„‡ŽŽǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Fabrication of Photonic Crystals for the Visible
SpectrumbyHolographicLithographyǤƒ–—”‡ǡ404͸͹͹͵ȋʹͲͲͲȌ
ͳ͸Ǥ
‡—„‡Žǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Direct Laser Writing of ThreeDimensional Photonic
CrystalTemplatesforTelecommunicationsǤƒ–Ǥƒ–‡”Ǥǡ3͹ȋʹͲͲͶȌ
ͳ͹Ǥ
‘ŽŽǡǤǡ‡–ƒŽǤǡPoresinIIIVSemiconductorsǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ15͵ȋʹͲͲ͵Ȍ
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‡ˆ‡”‡…‹ƒ•
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WritingofThreeDimensionalWebsǤƒ–—”‡ǡ428͸ͻͺͳȋʹͲͲͶȌ
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ƒ”…‹ƒǦƒ–ƒƒ”‹ƒǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Nanorobotic Manipulation of Microspheres
foronChipDiamondArchitecturesǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ14ͳ͸ȋʹͲͲʹȌ
ʹͲǤ
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DimensionalPhotonicCrystalsǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ13͸ȋʹͲͲͳȌ
ʹͳǤ
Š‘™ǡǤǡ‡–ƒŽǤǡThreeDimensionalControlofLightinaTwoDimensional
PhotonicCrystalSlabǤƒ–—”‡ǡ407͸ͺͲ͹ȋʹͲͲͲȌ
ʹʹǤ
•–”ƒ–‘˜ǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ Optical Spectroscopy of Opal Matrices with Cds
Embedded in Its Pores: Quantum Confinement and Photonic Band Gap
EffectsǤ—‘˜‘ ‹‡–‘‘…Ǥ–ƒŽǤ ‹•Ǥ Ǧ‘†‡•Ǥ ƒ––‡” –Ǥ‘ŽǤŠ‡Ǥ
Š›•ǤŽ—‹†•Žƒ•ƒ•‹‘’Š›•Ǥǡ17ͳͳǦͳʹȋͳͻͻͷȌ
ʹ͵Ǥ
ƒ›‘”ƒŽǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ 3d LongRange Ordering in an Sio2 Submicrometer
SphereSinteredSuperstructureǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ9͵ȋͳͻͻ͹Ȍ
ʹͶǤ
‹‰—‡œǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Evidence of Fcc Crystallization of Sio2 NanospheresǤ
ƒ‰—‹”ǡ13ʹ͵ȋͳͻͻ͹Ȍ
ʹͷǤ
‘Ž‰ƒ†‘ǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Electrophoretic Deposition to Control Artificial Opal
GrowthǤƒ‰—‹”ǡ15ͳͶȋͳͻͻͻȌ
ʹ͸Ǥ
ƒ”ǡ ǤǤǡ Ǥ ‹ǡ ƒ† Ǥ ‹ƒǡ Crystallization of Mesoscale Particles over
LargeAreasǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ10ͳ͵ȋͳͻͻͺȌ
ʹ͹Ǥ
‹ǡ Ǥǡ ǤǤ ‹ƒǡ ƒ† ǤǤ Š‹–‡•‹†‡•ǡ Two and ThreeDimensional
CrystallizationofPolymericMicrospheresbyMicromoldinginCapillariesǤ
†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ8͵ȋͳͻͻ͸Ȍ
ʹͺǤ
ƒ‰ǡ ǤǤǡ Ǥ ‹‰—‡œǡ ƒ† ǤǤ œ‹ǡ Opal Circuits of Light Planarized
MicrophotonicCrystalChipsǤ†˜Ǥ—…–Ǥƒ–‡”Ǥǡ12͸Ǧ͹ȋʹͲͲʹȌ
ʹͻǤ
—Ž†ƒǡ ǤǤ ƒ† Ǥ ‹‡‡ǡ Langmuir Films of Monodisperse 0.5MuM
Spherical Polymer Particles with a Hydrophobic Core and a Hydrophilic
ShellǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ6ͶȋͳͻͻͶȌ
͵ͲǤ
‡…—Ž—•ƒǡǤƒ†Ǥƒ˜ƒ‹‡ǡSynthesisofColloidalCrystalsofControllable
Thickness through the LangmuirBlodgett TechniqueǤ Š‡Ǥ ƒ–Ǥǡ 15 ʹ
ȋʹͲͲ͵Ȍ
͵ͳǤ
‘ƒ‘˜ǡ Ǥ
Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ (2+1)Dimensional Photonic Crystals from
LangmuirBlodgettColloidalMultilayersǤ’’ŽǤŠ›•Ǥ‡––Ǥǡ89ͶȋʹͲͲ͸Ȍ
͵ʹǤ
‹ƒ‰ǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ SingleCrystal Colloidal Multilayers of Controlled
ThicknessǤŠ‡Ǥƒ–‡”Ǥǡ11ͺȋͳͻͻͻȌ
͵͵Ǥ
‘””‹•ǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ Opaline Photonic Crystals: How Does SelfAssembly
Work?Ǥ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ16ͳ͸ȋʹͲͲͶȌ
ʹͲ
ƒ’À–—Ž‘ͳ
͵ͶǤ
Š‹‹ǡǤ
ǤǡǤǤ‹ƒ—”‘ǡƒ†ǤǤ”ƒ—ǡSlowVerticalDepositionof
Colloidal Crystals: A LangmuirBlodgett Process? ƒ‰—‹”ǡ 22 ͳͷ
ȋʹͲͲ͸Ȍ
͵ͷǤ
‘œƒ‘ǡ Ǥ ƒ† Ǥ ‹‰—‡œǡ Growth Dynamics of SelfAssembled Colloidal
CrystalThinFilmsǤ23ʹͲȋʹͲͲ͹Ȍ
͵͸Ǥ
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ʹͲȋʹͲͲͳȌ
͵͹Ǥ
‘‰ǡ Ǥǡ Ǥ ‹–ƒ‡˜ǡ ƒ† ǤǤ œ‹ǡ Colloidal Crystal Films: Advances in
UniversalityandPerfectionǤǤǤŠ‡Ǥ‘…Ǥǡ125ͷͲȋʹͲͲ͵Ȍ
͵ͺǤ
‹ƒ‰ǡ Ǥ ƒ† ǤǤ …ƒ”Žƒ†ǡ LargeScale Fabrication of WaferSize
Colloidal Crystals, Macroporous Polymers and Nanocomposites by Spin
CoatingǤǤǤŠ‡Ǥ‘…Ǥǡ126ͶʹȋʹͲͲͶȌ
͵ͻǤ
‹Š‹ǡǤǡǤ…ƒƒǡ ƒ† Ǥ ‹‰—‡œǡ Oriented ColloidalCrystal Thin Films
by SpinCoating Microspheres Dispersed in Volatile MediaǤ †˜Ǥ ƒ–‡”Ǥǡ
18ͳ͹ȋʹͲͲ͸Ȍ
ͶͲǤ
•–”ƒ–‘˜ǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ Photonic Band Gaps in 3d Ordered Fcc Silica
MatricesǤŠ›•Ǥ‡––Ǥǡ222ͷȋͳͻͻ͸Ȍ
ͶͳǤ
‹––Ž‡ƒǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ Optical Properties of Planar Colloidal Crystals:
DynamicalDiffractionandtheScalarWaveApproximationǤŠ‡Š›•ǡ
111ͳȋͳͻͻͻȌ
ͶʹǤ
ƒŽ‹•–‡‘Ǧ‘’‡œǡ ǤǤ ƒ† Ǥ ‘’‡œǡ HighEnergy Optical Response of
ArtificialOpalsǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥǡ70͵ȋʹͲͲͶȌ
Ͷ͵Ǥ
‹‰—‡œǡ Ǥǡ Ǥ ‹–ƒ‡˜ǡ ƒ† ǤǤ œ‹ǡ Band Spectroscopy of Colloidal
PhotonicCrystalFilmsǤ’’ǤŠ›•Ǥ‡––Ǥǡ84ͺȋʹͲͲͶȌ
ͶͶǤ
ƒ”…‹ƒǦƒ–ƒƒ”‹ƒǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Optical Diffraction and HighEnergy
Features in ThreeDimensional Photonic CrystalsǤ Š›•Ǥ ‡˜Ǥ ǡ 71 ͳͻ
ȋʹͲͲͷȌ
ͶͷǤ
–‡ˆƒ‘—ǡ Ǥǡ Ǥ ƒ‘’ƒ’ƒ•ǡ ƒ† Ǥ ‘†‹‘•ǡ Heterostructures of
Photonic Crystals: Frequency Bands and Transmission CoefficientsǤ
‘’—–ǤŠ›•Ǥ‘—Ǥǡ113ͳȋͳͻͻͺȌ
Ͷ͸Ǥ
ƒ”†ǡ ǤǤ ƒ† ǤǤ ‡†”›ǡ A Program for Calculating Photonic Band
Structures and Green's Functions Using a NonOrthogonal Fdtd MethodǤ
‘’—–ǤŠ›•Ǥ‘—Ǥǡ112ͳȋͳͻͻͺȌ
Ͷ͹Ǥ
‘”ƒ†‘ǡǤǤǡǤǤ‡’‹‡ǡƒ†Ǥ‹‰—‡œǡEffectofExtinctionontheHigh
EnergyOpticalResponseofPhotonicCrystalsǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥǡ75ʹͶȋʹͲͲ͹Ȍ
ͶͺǤ
‘”ƒ†‘ǡǤǤǡ‡–ƒŽǤǡInterplaybetweenCrystalSizeandDisorderEffectsin
theHighEnergyOpticalResponseofPhotonicCrystalSlabsǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥǡ
76ʹͶȋʹͲͲ͹Ȍ
ʹͳ
‡ˆ‡”‡…‹ƒ•
ͶͻǤ
‘”ƒ†‘ǡǤǤǡ‡–ƒŽǤǡPhysicalOriginoftheHighEnergyOpticalResponseof
ThreeDimensionalPhotonicCrystalsǤ’–Ǥš’”‡••ǡ15ʹ͸ȋʹͲͲ͹Ȍ
ͷͲǤ
ƒŽ‹•–‡‘Ǧ‘’‡œǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ Slow to Superluminal Light Waves in Thin 3d
PhotonicCrystalsǤ’–Ǥš’”‡••ǡ15ʹ͵ȋʹͲͲ͹Ȍ
ͷͳǤ
”ƒ•ƒ†ǡ Ǥǡ Ǥ ‘Ž˜‹ǡ ƒ† Ǥ ‹––Ž‡ƒǡ Superprism Phenomenon in
ThreeDimensionalMacroporousPolymerPhotonicCrystalsǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥǡ
67ͳ͸ȋʹͲͲ͵Ȍ
ͷʹǤ
‘œ—‡”ǡ ǤǤǡ ǤǤ ƒ—•ǡ ƒ† Ǥ ‰—˜ƒǡ Photonic Bands Convergence
ProblemswiththePlaneWaveMethodǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥǡ45ʹͶȋͳͻͻʹȌ
ͷ͵Ǥ
‘””‹•ǡ ǤǤ ƒ† ǤǤ Žƒ•‘˜ǡ Chemical Approaches to ThreeDimensional
SemiconductorPhotonicCrystalsǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ13͸ȋʹͲͲͳȌ
ͷͶǤ
—„”ƒƒ‹ƒǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Ordered Macroporous Materials by Colloidal
Assembly: A Possible Route to Photonic Bandgap MaterialsǤ †˜Ǥ ƒ–‡”Ǥǡ
11ͳͷȋͳͻͻͻȌ
ͷͷǤ
Žƒ…‘ǡǤǡ‡–ƒŽǤǡLargeScaleSynthesisofaSiliconPhotonicCrystalwitha
CompleteThreeDimensionalBandgapnear1.5MicrometresǤƒ–—”‡ǡ405
͸͹ͺͷȋʹͲͲͲȌ
ͷ͸Ǥ
‹‰—‡œǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Photonic Bandgap Engineering in Germanium Inverse
OpalsbyChemicalVaporDepositionǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ13ʹͳȋʹͲͲͳȌ
ͷ͹Ǥ
‹‰—‡œǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Mechanical Stability Enhancement by Pore Size and
Connectivity Control in Colloidal Crystals by LayerbyLayer Growth of
OxideǤŠ‡Ǥ‘—ǤǡʹʹȋʹͲͲʹȌ
ͷͺǤ
‹‰Š–ǡǤǤǡ‡–ƒŽǤǡPhotonicBandGapGuidanceinOpticalFibersǤ…‹‡…‡ǡ
282ͷ͵ͻ͵ȋͳͻͻͺȌ
ͷͻǤ
ƒ‹–‡”ǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ TwoDimensional Photonic BandGap Defect Mode
LaserǤ…‹‡…‡ǡ284ͷͶʹͳȋͳͻͻͻȌ
͸ͲǤ
‹ǡ ǤǤ ƒ† ǤǤ ‹ǡ Sensitivity to Termination Morphology of Light
CouplinginPhotonicCrystalWaveguidesǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥǡ69ͳͻȋʹͲͲͶȌ
͸ͳǤ
˜‘ ”‡›ƒǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Diffraction Properties of TwoDimensional
PhotonicCrystalsǤ’’ŽǤŠ›•Ǥ‡––Ǥǡ83ͶȋʹͲͲ͵Ȍ
͸ʹǤ
‹ŽŽƒǡǤǡ‡–ƒŽǤǡPhotonicCrystalSensorBasedonSurfaceWavesforThin
FilmCharacterizationǤ’–Ǥ‡––Ǥǡ27ͺȋʹͲͲʹȌ
͸͵Ǥ
”ƒ†ŠƒǡǤǤǡƒ”Šƒǡǡƒ†
ǤǤƒ–•‘ǡImpurityModesintheOptical
StopBandsofDopedColloidalCrystalsǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥǡ54ͳͻȋͳͻͻ͸Ȍ
͸ͶǤ
ƒ–‡•ǡǤƒ†Ǥ‹ƒǡPhotonicBandGapPropertiesofOpalineLatticesof
SphericalColloidsDopedwithVariousConcentrationsofSmallerColloidsǤ
’’ŽǤŠ›•Ǥ‡––Ǥǡ78ʹͳȋʹͲͲͳȌ
ʹʹ
ƒ’À–—Ž‘ͳ
͸ͷǤ
‡–”‡ƒ—Ž–ǡǤǡ‡–ƒŽǤǡRefractiveIndexPatternsinSiliconInvertedColloidal
PhotonicCrystalsǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ15ͳͶȋʹͲͲ͵Ȍ
͸͸Ǥ
‡‡ǡ ǤǤǡ ǤǤ ”—œ‹•›ǡ ƒ† ǤǤ ”ƒ—ǡ MultiPhoton Polymerization
of Waveguide Structures within ThreeDimensional Photonic CrystalsǤ
†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ14ͶȋʹͲͲʹȌ
͸͹Ǥ
‹‡ǡǤǤǡǤ
ƒ”…‹ƒǦƒ–ƒƒ”‹ƒǡƒ†ǤǤ”ƒ—ǡEmbeddedCavitiesand
Waveguides in ThreeDimensional Silicon Photonic CrystalsǤ ƒ–Ǥ
Š‘–‘‹…•ǡ2ͳȋʹͲͲͺȌ
͸ͺǤ
Šƒ‘ǡǤǤǡ‡–ƒŽǤǡTheFabricationofPhotonicBandGapMaterialswitha
TwoDimensionalDefectǤ’’ŽǤŠ›•Ǥ‡––Ǥǡ82ʹͳȋʹͲͲ͵Ȍ
͸ͻǤ
ƒŽƒ…‹‘•Ǧ‹†‘ǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Engineered Planar Defects Embedded in OpalsǤ
†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ16ͶȋʹͲͲͶȌ
͹ͲǤ
‡–”‡ƒ—Ž–ǡǤǡ‡–ƒŽǤǡDielectricPlanarDefectsinColloidalPhotonicCrystal
FilmsǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ16ͶȋʹͲͲͶȌ
͹ͳǤ
—†‘—œ‹ǡ Ǥ ƒ† ǤǤ ‹ƒǡ Photonic Papers and Inks: Color Writing with
ColorlessMaterialsǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ15ͳͳȋʹͲͲ͵Ȍ
͹ʹǤ
Š—‘˜ǡǤǤǡ‡–ƒŽǤǡTunable,GapStateLasinginSwitcbableDirections
forOpalPhotonicCrystalsǤ†˜Ǥ—…–Ǥƒ–‡”Ǥǡ12ͳȋʹͲͲʹȌ
͹͵Ǥ
”•‡ƒ—Ž–ǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ From Colour Fingerprinting to the Control of
PhotoluminescenceinElasticPhotonicCrystalsǤƒ–Ǥƒ–‡”Ǥǡ5͵ȋʹͲͲ͸Ȍ
͹ͶǤ
Ž‡š‡‡˜ǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ Photonic Crystal GlucoseSensing Material for
Noninvasive Monitoring of Glucose in Tear FluidǤ Ž‹Ǥ Š‡Ǥǡ 50 ͳʹ
ȋʹͲͲͶȌ
͹ͷǤ
‡‡ǡ Ǥ ƒ† ǤǤ •Š‡”ǡ Photonic Crystal Chemical Sensors: Ph and Ionic
StrengthǤǤǤŠ‡Ǥ‘…Ǥǡ122͵ͻȋʹͲͲͲȌ
͹͸Ǥ
”•‡ƒ—Ž–ǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ A Polychromic, Fast Response Metallopolymer Gel
Photonic Crystal with Solvent and Redox Tunability: A Step Towards
PhotonicInk(PInk)Ǥ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ15͸ȋʹͲͲ͵Ȍ
͹͹Ǥ
”•‡ƒ—Ž–ǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ PhotonicCrystal FullColour DisplaysǤ ƒ–Ǥ
Š‘–‘‹…•ǡ1ͺȋʹͲͲ͹Ȍ
͹ͺǤ
Ž‡‹•…ŠŠƒ‡”ǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ RedoxTunable Defects in Colloidal Photonic
CrystalsǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ17ʹͲȋʹͲͲͷȌ
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Capítulo2.
Simulacióndelarespuestaópticadecristales
fotónicoscoloidalesenelrangodebandasbajas:
Laaproximacióndeondasescalares.
1. Introducción
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2. Laaproximacióndeondasescalares.
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26
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28
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Figura 1. Representación de la parte (a) real y (b) imaginaria del vector de ondas
complejo calculado para un cristal coloidal de esferas de poliestireno (n = 1.59) de
diámetroI=670nm.
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3. Simulacióndelaspropiedadesópticasdeunópaloartificial.
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30
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Figura 2. (a) Espectros de reflectancia experimental (en negro) y simulado (en rojo),
mediantelaaproximaciónescalar,deuncristalcoloidalconstituidopor17monocapasde
esferas de poliestireno (índice de refracción n = 1.59 y diámetro I = 790nm). (b)
Diferenciaentreambosespectros,calculadacomolarestaalcuadradodelvalordecada
curvaalcuadrado.
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Figura 3. Espectros de Log(1/T), dónde T es la transmitancia, experimentales (a) y
teóricos(b),deunprocesodeinfiltracióndeuncristalcoloidaldeesferasdesílicederadio
140conunpolímerodeíndicederefracciónn=1.35.[9]
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4. Modelizacióndeabsorciónópticaydesorden.
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Figura 4. Espectros de reflectancia especular (a) y espectros de intensidad de luz
dispersada D=1RT (b) calculados mediante la aproximación escalar considerando un
cristal coloidal constituido por 17 monocapas de esferas de poliestireno (índice de
refracciónn=1.59+iEydiámetro I=670nm)dondeelvalor Etomalosvalores:0(línea
negra),0.001(línearoja),0.05(líneaverde),0.01(líneaazul)y0.1(líneaceleste).
Simulacióndeabsorciónóptica
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Figura 5. (a) En línea punteada negra se ha reproducido la fotocorriente experimental
obtenidadeunaceldasolardecolorantedereferencia,extraídadelareferencia[13].En
línea roja se muestra el espectro de absorción teórico de una celda solar de referencia
obtenido con la SWA (b) Parte imaginaria, E(O), del índice de refracción complejo
empleadoparasimularlaabsorciónópticadelcolorantedelaceldaanterior.
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5. Cálculodecamposyvelocidaddegrupo.
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36
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Figura6.Espectrosdereflectanciaespecular(a)eíndicedegrupo(b),cocienteentrela
velocidad de los fotonesen el medioy en el vacío, calculados mediante la aproximación
escalarparauncristalcoloidalconstituidopor17monocapasdeesferasdepoliestireno
(índice de refracción n = 1.59 y diámetro I = 670nm). O1, O2 y O3 son las longitudes de
onda, 1.5, 1.61 y 1.71Pm respectivamente, a las que se ha calculado la distribución
espacialdelcampoeléctricodelafigura7.
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Figura 7. Distribución espacial del cuadrado del campo eléctrico, IEI2, en un cristal
coloidalconstituidopor17monocapasdeesferasdepoliestireno(índicederefracciónn=
1.59 y diámetro I = 670nm)calculado en tres longitudes de onda diferentes O1, O2 y O3,
señaladasenelespectrodereflectanciadelafigura6ycorrespondientesa,(a) O1,borde
dealtaenergía,(b)O2,máximodelpicodereflexióny(c)O3,bordedebajaenergía.
6. Simulacióndeestructurasqueincorporanópalosartificiales.
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7. Conclusiones.
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8. Referencias
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DimensionalPeriodicDielectricStructuresǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥ‡––Ǥǡ64ͳͳȋͳͻͻͲȌ
ʹǤ
‹––Ž‡ƒǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ Optical Properties of Planar Colloidal Crystals:
DynamicalDiffractionandtheScalarWaveApproximationǤŠ‡Š›•ǡ
111ͳȋͳͻͻͻȌ
͵Ǥ
ƒ”Šƒǡƒ†
ǤǤƒ–•‘ǡAnalyticalExpressionfortheOptimizedStop
BandsofFccPhotonic CrystalsintheScalarWaveApproximationǤŠ›•Ǥ
‡˜Ǥǡ54ͳͳȋͳͻͻ͸Ȍ
ͶǤ
Š—‰ǡ ǤǤǤ ƒ† ǤǤ •ƒ‹ǡ Surface Effects and Band Measurements in
PhotonicCrystalsǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥǡ48ͳͷȋͳͻͻ͵Ȍ
ͷǤ
ƒ––ƒǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Effective DielectricConstant of Periodic Composite
StructuresǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥǡ48ʹͲȋͳͻͻ͵Ȍ
͸Ǥ
‹‰—‡œǡ Ǥǡ ǤǤ ƒ‰ǡ ƒ† ǤǤ œ‹ǡ Optical Properties of Colloidal
Photonic Crystals Confined in Rectangular MicrochannelsǤ ƒ‰—‹”ǡ 19
ͺȋʹͲͲ͵Ȍ
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SelfAssembledPhotonicCrystalsǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ76ͳʹȋʹͲͲͲȌ
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ElectromagnéticaǤͳͻͻ͸ǣ††‹•‘Ǧ‡•Ž‡›„‡”‘ƒ‡”‹…ƒƒǡǤǤ
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PrecisionUsingPolyelectrolyteMultilayersǤƒ‰—‹”ǡ21ʹȋʹͲͲͷȌ
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Finite Size ThreeDimensional Photonic Crystals in the nearInfrared
SpectralRegionǤ’’ŽǤŠ›•Ǥ‡––Ǥǡ86ͷȋʹͲͲͷȌ
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at a Planar Defect State in Three Dimensional Photonic CrystalsǤ ’’Ǥ
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ͳ͵Ǥ
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Photocurrent in DyeSensitized Titanium Dioxide Photoelectrodes
CoupledtoPhotonicCrystalsǤǤǤŠ‡Ǥ‘…Ǥǡ125ʹͲȋʹͲͲ͵Ȍ
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the Electromagnetic Mode Density in Finite, OneDimensional, Photonic
BandGapStructuresǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥǡ53Ͷȋͳͻͻ͸Ȍ
42
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PropagationinFinitePhotonicBandGapStructuresǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥǡ6303
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44
Capítulo3.
Estudiodelacoplamientodeunalámina
delgadayuncristalfotónicocoloidal.
1. Introducción.
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Figura 1. Esquema del proceso seguido para la fabricación de defectos superficiales en
cristales coloidales. Se encuentran esquematizados (a) un cristal coloidal, (b) un cristal
fotónicocoloidalinfiltrado,(c)uncristalfotónicocoloidalinfiltradoenexceso,enelqueel
materialexcedenteseacumulaenlasuperficiedelmismo,y(d)unaestructuraresultante
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2. Fabricación de láminas dieléctricas sobre ópalos artificiales
mediantedeposiciónquímicaenfasedevapor.
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silicio.
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Figura3.Imágenesdemicroscopíaelectrónicadebarridodeuncristalcoloidalinversode
sílice sobre cuya superficie se ha crecido una capa de sílice por exceso en el proceso de
infiltración.
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InfiltracióndesiliciomedianteCVD
Figura4.Esquemadeunalíneadedeposicióndesilicio.
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Figura5.Imágenesdemicroscopíaelectrónicadebarridodeuncristalcoloidalinversode
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enelprocesodeinfiltración.
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3. Caracterización óptica de una lámina dieléctrica acoplada a
lasuperficiedeuncristalcoloidal.
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Influenciadelespesordelacapasuperficial
Figura6.Reflectanciaespeculardemuestrasqueposeenuntamañofijodecristalcoloidal
yungrosordeláminasuperficialvariable.(a)Reflectanciaespeculardeuncristalcoloidal
deesferasdepoliestirenoinfiltradoconsíliceyconunaláminadieléctricadeesteúltimo
material en su superficie. De arriba abajo, el grosor de dicha lámina es de D=0 (línea
punteada), 405, 420 y 430nm (en línea continua). Todos los cristales están construidos
con esferas del mismo diámetro (I = 375nm) y cuentan con el mismo número de
monocapas (T = 20 MC). (b) Espectros de reflectancia teóricos calculados empleando la
SWAdeuncristalfccconstituidopor20monocapasdeesferas(n=1.59)conun60%desu
volumen de poro ocupado por sílice ( n = 1.45) y sobre el cual se ha considerado una
lámina dieléctrica de este último material cuyo grosor varia (de arriba a abajo) desde
D=350nm hasta 470nm, con un incremento de 10nm. La línea punteada representa el
espectro teórico de un cristal sin defecto en la superficie. Las líneas gruesas resaltan
aquellosvaloresteóricosquesimulanlascurvasexperimentalesmostradasen(a).Estos
espectroshansidodesplazadosporclaridad.
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Influenciadeltamañodelcristalcoloidal
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Figura 7. Reflectancia especular de muestras que presentan un grosor fijo de lámina
superficialperotamañodecristalcoloidalvariable.(a)Reflectanciaespeculardecristales
coloidalesdepoliestireno,infiltradosconsíliceycuyacapasuperficialdeeseóxidoesde
405nmdegrosor.Dearribaabajo,loscristalesestánformadospor30,22y16monocapas
deesferasdediámetro I=375nm.(b)Espectrosdereflectanciaespecularsimuladoscon
la SWA considerando estructuras compuestas por una red fcc de esferas con índice de
refracción n =1.59 y todas ellas con el mismo grado de infiltración (ff = 60%) de un
material cuyo índice de refracción es n=1.45 y acopladas a una capa superficial de este
mismo material de 405nm. Los tamaños de estos cristales coloidales varían desde 14
(abajo) a 30 monocapas (arriba), con un intervalo de 2 monocapas. La línea punteada
representalareflectanciaobtenidaparauncristalformadopor45monocapasdeesferas
y 405 nm de grosor de lámina en superficie. Las líneas gruesas se han empleado para
resaltaraquellascurvasqueajustanlosespectrosexperimentales.Losespectroshansido
desplazadosporclaridad.
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Influenciadelcontrastedieléctrico
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Figura 8. Espectro de reflectancia experimental (a) y teórico (b) de un cristal coloidal
inversodesíliceconcavidadesdediámetro I=375nmconunaláminadeesteóxidoenla
superficiedegrosorD=600nm.(c)Espectroteóricodereflectanciadeunaláminadelgada
desílicede600nm,comprendidaentreunmediodeíndicen=1(aire)yunmediofinalde
índicen=1.05(índicederefracciónpromediodelcristalinverso).
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Figura9.Espectrosdereflectanciaespecularexperimentales(ennegro)ysimuladas(en
rojo) de cristales coloidales infiltrados con óxido de titanio o silicio, con una lámina
superficialdelcorrespondientematerial.(a)Cristalcoloidaldeesferasdesílice(n=1.425
y diámetro I = 378 nm), constituido por T = 9 monocapas de esferas, una fracción de
llenado de TiO2 (n = 2) del ff = 5% y una capa en la superficie de grosor D = 20nm. (b)
Cristalcoloidaldeesferasdesílice(n=1.425ydiámetro,I=526nm),constituidoporT=
11 monocapasde esferas,una fracción de llenado deSi amorfo(n =3.8)ff =30%y una
capa en la superficie de D = 150nm. En ambas gráficas, las curvas situadas en verde
correspondenalosespectrosteóricosdecristalescoloidalesdelasmismascaracterísticas
quelosdescritosanteriormente,perosinunaláminasuperficial.Denuevo,losespectros
hansidodesplazadosporclaridad.Enamboscasos,TiO2ySi,unaflechamuestralacaída
enelpicodereflectanciaasociadoalapresenciadelaláminasuperficial.
Distribuciónespacialdelcampoeléctrico
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Figura 10. Distribución espacial de la intensidad del campo eléctrico (__ʹ) para tres
longitudesdeondadiferentes,incidiendosobreuncristalcoloidaldeesferasdesílice(n=
1.425 y diámetro, I = 526 nm) de 11 monocapas de grosor, infiltrado y recubierto con
silicioamorfo(n=3.8,ff=30%,capaensuperficiedegrosorD=150nm).Laslongitudes
deondasonO1=1.304μm,O2=1.414μmyO3=1.518μm.EstasO,hansidoseñaladascon
una flecha en el espectro de reflectancia insertado en la figura. El recuadro oscurecido
representaelgrosordelaláminadesilicio,queseparalaregióndelaizquierda(aire)del
mediodeladerecha(cristalcoloidal).
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Figura11.Distribuciónespacialdelaintensidaddelcampoeléctrico,__ʹ,calculadapara
treslongitudesdeondadiferentes,incidiendosobreuncristalcoloidaldeesferasdelátex
(n=1.59ydiámetro, I=374nm)de20monocapasdegrosor,infiltradoconsílice(n=
1.45, ff = 60%) y con una capa en superficie de D=430nm de grosor de este último
material. Las longitudes de onda son O1 = 0.876 μm, O2 =0.945 μm y O3 = 0.929 μmy se
encuentranseñaladasconunaflechaenelespectrodereflectanciainsertadoenlafigura.
Elrecuadrooscurecidorepresentaelgrosordelaláminadesílice.
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Característicasdelasresonanciassuperficiales
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Figura 12. (a) Variación de la posición espectral calculada de la longitud de onda
asociada a un modo superficial Os con el grosor del cristal coloidal (en número de
monocapas).Asimismo,cadacurvarepresentadiferentesespesoresdeláminasuperficial
D. De abajo a arriba, D= 320, 340, 360 y 380 nm. (b) Evolución de Os al aumentar el
tamaño de la capa superficial que origina la aparición del modo resonante. Todos las
simulacionesserealizaronparauncristalcoloidalde20monocapasdeesferasdesílice(n
=1.43ydiámetro I=526nm)infiltradoconsilicioamorfo(n=3.8yfraccióndellenado
del poro ff = 30%), donde la lámina superficial de este último material tiene grosor
variableD.
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Figura13.(a)Distribuciónespacialdelaintensidaddelcampoeléctrico,__ʹ,enuncristal
coloidaldeesferasdesílice(n=1.425ydiámetroI=526nm)de11monocapasdegrosor,
infiltrado (ff = 30%) y recubierto (lámina de grosor D= 150nm) con silicio (n =3.8). La
longituddeondaparalacualsecalculódichamagnitud, O=1.414μm,seindicaenlínea
punteadaen(b)elespectrodereflectanciaespecularcorrespondienteadichaestructura.
Estas mismas magnitudes, distribución espacial de _E_2 en O = 1.414 μm y su
correspondienteespectrodereflectancia,semuestranen(c)y(d),paraunaestructurade
lasmismascaracterísticasquelaanteriorperodondeelcristalcoloidalestáformadopor
100monocapasdeesferas.
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Figura 14. Variación espectral del máximo de la distribución espacial de __ʹ para dos
cristales coloidales de sílice (n = 1.425 y diámetro, I = 526 nm), infiltrado con silicio
amorfo (n = 3.8, ff = 30%) y con una capa en superficie de D=150nm de grosor de este
últimomaterial.Loscírculosenblancosecorrespondenauncristalde11monocapasde
esferasyloscírculosennegro,auncristalformadopor100monocapas.
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4. Efectodeunaláminadieléctricaconfinadaenelvolumendeun
cristalcoloidal.
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Figura15.(a)Espectrodereflectanciaespeculary(b)índicedegrupo,cocienteentrela
velocidad de grupo y la velocidad de la luz en el vacío, calculados para una red fcc de
esferasdeíndicederefracciónn=1.59ydediámetro I=720nm.Elgrosordelcristales
de 50 monocapas. Las líneas gruesas corresponden a un cristal en el cual se ha
consideradoundefectoplanardegrosor220nmydeíndicederefracciónn=1.75,entrela
25ªy26ªmonocapasdeesferas.Lalíneapunteadaen(a)correspondeauncristaldelas
mismascaracterísticasperosindefecto.Lasflechasindicanlaslongitudesdeonda para
las cuales se ha calculado la distribución espacial del campo eléctrico (mostradas en la
parteinferiordelafigura),siendoestas O1=1.681 Pm(c)y(d) O2=1.715 Pm.Ladistancia
aumentaalolargodeladirecciónperpendicularalosplanos[111].Elprincipioyelfinal
de cada cristal se encuentran resaltados por líneas verticales discontinuas. Estas
simulacionessehanrealizadoempleandolaSWA.
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5. Fabricación de defectos planares en el volumen de cristales
fotónicoscoloidales.
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Figura 16: Imágenes de SEM de una sección transversal de defectos planares en el
volumen de cristales fotónicos coloidales. (a) Monocapa de esferas de poliestireno
embebidas en un cristal coloidal de esferas de PMMA, fotografía extraída de [13]. (b)
Cristalcoloidaldesíliceconunaláminadenanocristalesdeóxidodetitanio[12](c)Ópalo
inversodesíliceconundefectoplanardeestematerial.[15].(d)Cristalcoloidaldesílice
cuyo defecto en el volumen está fabricado a partir de una multicapa de polielectrolito..
[20]
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Figura 17. Esquema del proceso seguido para la fabricación de defectos planares en el
volumen de cristales coloidales. (ac)Proceso de fabricación de un cristal coloidal
infiltrado y con una lámina dieléctrica en superfície, (d) deposición de un nuevo ópalo
crecido sobre la estructura anterior, (e) lámina dieléctrica encerrada entre dos ópalos
infiltradosy(f)láminadieléctricaencerradaentredosópalosinversos.
La fabricación de defectos planares mediante spin coating ȏͳʹȐ ’‡”‹–‡ ‡Ž
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Figura18.(ae)Esquemadelprocesoseguidoparalafabricacióndedefectosplanaresen
el volumen de cristales coloidales mediante spin coating de una suspensión coloidal. (f)
Distribuciones de tamaño de los coloides empleados y (g) representación del diámetro
máximodeagregado,w,quepuedepenetraratravésdeloshuecosqueformanesferasde
diámetroDtriangularmenteempaquetadas.
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6. Caracterización óptica de una lámina dieléctrica en el volumen
deuncristalcoloidal.
Figura 19. Resultados teóricos (línea roja) y experimentales (línea negra) de cristales
coloidales con una lámina dieléctrica en el volumen. Se muestran los espectros de
transmitancia(a)ymedidasdeíndicedegrupo(b)obtenidosenópalosformadospor14
monocapas de esferas de látex de 690nm de diámetro y un defecto planar de 350nm,
situadoentrelaséptimayoctavamonocapas.Lapreparacióndeestetipodeestructuras
seencuentradescritaenlareferencia[12].
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Figura 20. Espectros de reflectancia experimental (en negro) y teórico (en rojo) de (a)
ópalosartificialesdelátexcondefectosplanaresensuvolumenfabricadosmedianteCVD
de sílice y (b) ópalo de sílice en cuyo interior se ha fabricado una lámina de polímero
medianteelmétododelasláminaspolielectrolíticas.
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7. Conclusionesytrabajofuturo.
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8. Referencias
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CompleteThreeDimensionalBandgapnear1.5MicrometresǤƒ–—”‡ǡ405
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StopBandsofDopedColloidalCrystalsǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥǡ54ͳͻȋͳͻͻ͸Ȍ
ͺǤ
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MoldingtheFlowofLightǤͳͻͻͷǡ”‹…‡–‘‹˜‡”•‹–›”‡••ǡ”‹…‡–‘ǡ
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Polyelectrolyte Multilayer Patterning: Direct Transfer of LayerbyLayer
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at a Planar Defect State in Three Dimensional Photonic CrystalsǤ ’’Ǥ
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Capítulo4.
Estudiodelaaplicacióndecristalesfotónicos
coloidalesencélulassolaresfotovoltaicas.
1. Introducción
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2. Laceldasolardecolorante.
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Figura1.Esquemadeunaceldasolardeóxidodetitanioconcolorante.
(a) Substratoconductortransparente.
(b) Láminadeóxidodetitanionanoestructuradosensibilizadoconcolorante.
(c) Electrolitobasadoenparesredox,típicamenteI3/I.
(d) Substratoconductortransparenterecubiertoporunafinapelículadeplatino.
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Figura2.(a)EspectrodeabsorcióndelcolorantederuteniopolipiridiloN535empleado
enesteestudio.(b)Diagramadelosnivelesdeenergíasdelosdistintoscomponentesde
unaDSSCtípica.
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Incremento de la eficiencia de las celdas solares de colorante mediante
métodosópticos.Antecedentes.
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CristalesfotónicoscoloidalesyDSSC.Antecedentes.
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Figura3.Fotocorrienteobtenidaenfuncióndelalongituddeonda,obtenidaenunacelda
solar de óxido de titanio sensibilizada con colorante, donde el electrodo de trabajo está
estructuradoenformadeuncristalfotónicoinversodeóxidodetitanio.Estosresultados
han sido extraídos de la referencia [4]. La zona sombreada corresponde al rango de
longitudesdeondaasociadosalbordedebajaenergíadelpseudogapfotónicoyenelcual
seesperabaencontrarelincrementoenlafotocorriente.
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Figura 4. Esquema de las distintas configuraciones de cristal coloidal y celda solar que
vamosaestudiarenestecapítulo.Másconcretamente,(a)unaDSSCtípica;(b)unaDSSC
conunelectrododetrabajocomoeldescritoenlareferencia[4],unópaloinversoseguido
deunaláminadeTiO2nanoestructurado,ambossensibilizadosconelcolorante;(c)una
DSSCbasadaenunópaloinversodeTiO2dopadoconcolorante;yporúltimo(d)unaDSSC
donde a la película de óxido sensibilizado le sigue un ópalo inverso de un material sin
absorciónóptica.
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3. Respuesta óptica de un ópalo inverso fabricado con ncTiO2
sensibilizadoconcolorante.
Figura 5. Esquema de (a) una celda solar estándar y de (b) una celda solar donde el
materialabsorbenteestáestructuradoenformadecristalfotónicoinverso.
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Figura 6 (a) Estructura de bandas a lo largo de la dirección *L de una estructura fcc
formadaporcavidadesesféricasdeíndicederefracciónn=1.433(electrolito)ydiámetro
I=220nmqueseencuentranenunmediodeíndicederefracciónn=2.25(óxidodetitanio
porosoembebidaconelectrolito,aligualqueen[4]).Espectrosdereflexión(b),absorción
(c)ycocienteentrelavelocidaddelaluzenvacíoylavelocidaddegrupo(vg)(d)deun
cristal fotónico de las características anteriormente descritas. Las simulaciones se
realizaronteniendoencuentaqueelmedioincidenteyfinalteníanuníndicederefracción
den=1.45(vidrio)yn=1.433(electrolito),respectivamente.Parasucomparación,seha
incluidoenlínearojaelcorrespondienteespectrodereflexión,absorciónycociente c/vg
de una celda solar de colorante típica, con el mismo grosor y la misma cantidad de
materialabsorbentequeelópaloinverso.
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4. Respuesta óptica de un cristal fotónico coloidal inverso
acoplado a una lámina de ncTiO2 sensibilizado con
colorante.
Figura 7. Esquema de las celdas solares a estudiar en esta sección. (a) Celda solar
estándar. (b) Bicapa de ncTiO2 sensibilizada con colorante, formada por un cristal
fotónico inverso y una gruesa lámina de nanocristales. Las flechas indican las dos
iluminaciones que consideraremos en este estudio. Flecha amarilla: incidencia desde el
electrododetrabajo.Flecharoja:Incidenciadesdeelcontraelectrodo.
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Figura 8. (a) Variación espectral de la corriente fotogenerada medida, extraída de la
referencia [4], correspondiente a una celda solar compuesta por una bicapa (ópalo
inverso + lámina) de óxido de titanio sensibilizado cuando se ilumina desde el
contraelectrodo (representada por círculos). Se muestra también la que se obtuvo al
iluminar una celda de referencia sin estructurar (cuadrados). Las curvas en (b) y (c)
muestran la absorción teórica para la bicapa descrita en la referencia [4], para luz
incidente desde el contraelectrodo (b) y desde el electrodo de trabajo (c). En (d) se
encuentra representada la absorción promediada para celdas solares constituidas por
bicapas (ópalo inverso+lámina) en las que los ópalos presentan un grosor comprendido
entre3y17monocapasdeesferasylosgrosoresdelasláminasvaríandesde6,5a7,5μm,
cuando el sistema se ilumina desde el contraelectrodo. En (b), (c) y (d) la línea roja
representalaabsorcióncalculadaparaunaceldasolarestándarquecontienelamisma
cantidad de material absorbente que en la celda solar cuyo electrodo de trabajo tiene
estructuradebicapa(ópalolámina).
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Figura9.(a)Espectrodereflexión,(b)espectrodeabsorcióny(c)índicedegrupo(c/vg)
deunaláminadeóxidodetitanionanocristalinade7μmdegrosordepositadasobreun
ópalo inverso del mismo óxido y constituido por 17 monocapas de esferas, todo ello
embebidoporunelectrolitodeíndicederefracciónn=1.433.Parasucomparación,(a)el
espectrodereflexión,(b)eldeabsorcióny(c)elíndicedegrupo(c/vg)deunaDSSCconel
mismo grosor y misma cantidad de material absorbente, se muestran también en línea
roja.O1yO2secorrespondenconlongitudesdeondaparalascualesseobservaunmáximo
yunmínimoenlaabsorción.
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Figura10.Representacióndeladistribuciónespacialdelaintensidaddelcampoeléctrico
absorbido por el colorante a dos longitudes de onda diferentes, (a) O1,= 0.615Pm, (un
mínimo en el espectro de reflexión) y (b) O2,= 0.622Pm (un máximo en el espectro de
reflexión).EnlíneanegrasemuestranlosresultadosparaunaDSSCconstituidaporuna
bicapa (ópalo inverso de 17 monocapas de esferas acoplado a una lámina de 7 micras,
ambasestructurasdeóxidodetitaniosensibilizadoconcolorante).Parasucomparación,
se ha incluido en línea roja el resultado del cálculo para una celda estándar. La línea
verticalrepresentalainterfaseentrelaláminadeóxidodetitanioyelópaloinversodel
mismomaterial.
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5. Optimización de los cristales coloidales incluidos en celdas
solares.
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Figura11.Esquemadelasceldassolaresanalizadasenestasección,quesecorresponden
con(a)unaceldasolarestándary(b)bicapadencTiO2sensibilizadoseguidodeunópalo
inverso.
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Figura12.(a)Espectrodeabsorcióndeunópaloinversodeóxidodetitanioconstituido
por 17 monocapas de esferas de diámetro (a) I =180nm o (b) I =230nm depositados
sobreunacapadeóxidodetitanioporosoysensibilizadoconcolorantede7Pmdegrosor
que se encuentra sobre un substrato transparente y conductor. El sistema se encuentra
embebido por un electrolito líquido (n = 1.34). Para su comparación el espectro de
absorcióndelaceldaestándarequivalenteseencuentranrepresentadosenlínearoja.(c)
Aumento en la densidad de fotocorriente (%) frente al diámetro I de las esferas que
constituyenelcristalcoloidal.
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6. Amplificación de la absorción de celdas solares empleando
multicapasdecristalesfotónicoscoloidales.
Figura13.Esquemadelasceldassolaresanalizadasenestasección.(a)unaceldasolar
estándar y celdas solares donde se ha incluido, tras el electrodo de óxido de titanio
sensibilizada,(b)1,(c)2o(d)3ópalosinversos,dediferenteparámetrodered.
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Figura14.(a)Espectrodereflexióndeunamulticapacompuestaportresópalosinversos
de17monocapascadaunoydiámetrosdeesferade I1=234nm, I2=204nmy I3=178nm.
(b) Espectros de reflexión independientes de cada ópalo inverso mencionado
anteriormente.
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Figura15.Espectrosdeabsorcióndeunaceldasolarsensibilizadaconcoloranteseguido
por(a)unópaloinversodeóxidodetitaniode17monocapascuyascavidadestienenun
diámetrodeI=202nm.(b)DosópalosinversosdeTiO2de17monocapascadaunoycuyas
cavidadestienendiámetrosde I1=220nmy I2=184nm,respectivamente.(c)Trescristales
coloidales inversos de TiO2 de 17 monocapas cada uno y diámetros de esfera de
I1=234nm, I2=204nm y I3=178nm, respectivamente. En todos los casos se muestra en
línearojaelespectrodeabsorcióndeunaceldaestándarparasucomparación.
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Figure 16. Mapa del incremento de densidad de fotocorriente ('Jsc (%)) para una celda
solar que contiene una lámina de óxido de titanio poroso, sensibilizado con colorante y
seguidoporunamulticapadeópalosinversos.Eldiámetrodelcristalubicadoenúltimo
lugarsefijóen I3=178nm,variandolosdiámetrosdelosotros2ópalosinverso(I1, I2).El
númerodemonocapasquecomponencadacristalcoloidalsefijóen17.
7. Conclusiones
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8. Referencias
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Š‡Ǥǡ108ʹͶȋʹͲͲͶȌ
ͺǤ
–ƒǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ Dynamics of Charge Separation and TrapLimited
Electron Transport in Tio2 NanostructuresǤ Ǥ Š›•Ǥ Š‡Ǥ ǡ 111 ͵͹
ȋʹͲͲ͹Ȍ
ͻǤ
ƒœ‡‡”—††‹ǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ Conversion of Light to Electricity by Cis
X2bis(2,2'Bipyridyl4,4'Dicarboxylate)Ruthenium(Ii) ChargeTransfer
Sensitizers (X = Cl, Br, I, Cn, and Scn) on Nanocrystalline Tio2
ElectrodesǤǤǤŠ‡Ǥ‘…Ǥǡ115ͳͶȋͳͻͻ͵Ȍ
ͳͲǤ
ƒ”—…Šǡ Ǥǡ A 2Level System as a Model for a Photovoltaic SolarCellǤ Ǥ
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ͳͳǤ
”‘‘ǡ ǤǤǡ ‡– ƒŽǤǡ Nanocrystalline DyeSensitized Solar Cells Having
MaximumPerformanceǤ”‘‰ǤŠ‘–‘˜‘Ž–ƒ‹…•ǡ15ͳȋʹͲͲ͹Ȍ
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‡”„‡”ǡ Ǥ ƒ† Ǥ —–Š‡”ǡ Computer Simulations of Light Scattering and
AbsorptioninDyeSensitizedSolarCellsǤ‘ŽǤ‡”‰›ƒ–‡”Ǥ‘ŽǤ‡ŽŽ•ǡ54
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•ƒ‹ǡǤǡTheoreticalStudyofApplicationofMultipleScatteringofLight
to a DyeSensitized Nanocrystalline Photoelectrochemical CellǤ Š‡Ǥ
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ThicknessǤŠ‡Ǥƒ–‡”Ǥǡ11ͺȋͳͻͻͻȌ
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‹•Š‹—”ƒǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Fabrication Technique for FillingFactor Tunable
Titanium Dioxide Colloidal Crystal ReplicasǤ ’’ŽǤ Š›•Ǥ ‡––Ǥǡ 81 ʹͶ
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DimensionalPhotonicCrystalǤǤ’–Ǥ‘…ǤǤǦ’–ǤŠ›•Ǥǡ20͹ȋʹͲͲ͵Ȍ
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”ƒ–œ‡Žǡ Ǥǡ Perspectives for DyeSensitized Nanocrystalline Solar CellsǤ
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‘œƒ‘ǡ Ǥ ƒ† Ǥ ‹‰—‡œǡ Growth Dynamics of SelfAssembled Colloidal
CrystalThinFilmsǤƒ‰—‹”ǡ23ʹͲȋʹͲͲ͹Ȍ
ʹͳǤ
Http://Rredc.Nrel.Gov.
ʹʹǤ
‹Š‹ǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ Surface Resonant Modes in Colloidal Photonic CrystalsǤ
Š›•Ǥ‡˜ǤǤǡ71ͳʹȋʹͲͲͷȌ
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‘œ—‡”ǡ ǤǤǡ ǤǤ ƒ—•ǡ ƒ† Ǥ ‰—˜ƒǡ Photonic Bands Convergence
ProblemswiththePlaneWaveMethodǤŠ›•Ǥ‡˜Ǥǡ45ʹͶȋͳͻͻʹȌ
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SphericalColloidsintoComplexandControllableStructuresǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ
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MultilayersǤ†˜Ǥƒ–‡”Ǥǡ13͸ȋʹͲͲͳȌ
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Capítulo5.
Fabricacióndecristalescoloidalespor
spincoating
1. Introducción
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Figura1.(a)Esquemadeunaceldasolardeóxidodetitaniosensibilizadaconcolorante
acopladaauncristalcoloidal.(b)Fotografíadedoselectrodosdeóxidodetitaniosobre
los cuales se intentó fabricar un film de cristal coloidal de esferas de látex de 300nm
medianteelmétododeEISA.[1]
2. Antecedentes.
Ž †‡•ƒ””‘ŽŽ‘ †‡ —‡˜ƒ• –±…‹…ƒ• †‡ …”‹•–ƒŽ‹œƒ…‹× †‡ …‘Ž‘‹†‡• ‡•ˆ±”‹…‘• †‡
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…‘‘ …”‹•–ƒŽ‡• ˆ‘–א‹…‘• –”‹†‹‡•‹‘ƒŽ‡•Ǥ ‹ ‡„ƒ”‰‘ǡ —ƒ †‡ Žƒ• ƒ›‘”‡•
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Figura 2. (a) Fotografía y (b) micrografía electrónica de barrido de una sección
transversal de un cristal coloidal obtenido por spin coating de una dispersión de
partículasdesílicedispersasenunmonómero.Fotografíasextraídasdelareferencia[5].
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3. Elprocesodespincoating.
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Figura 3. Esquematización de las etapas de la deposición mediante spin coating: (a)
deposición,(b)aceleración,(c)rotacióny(d)evaporación.
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4. Preparacióndedispersionesdepartículas.
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Figura 4. Esquemas de los distintos tipos de ángulo de contacto de un líquido sobre un
sólido(a)=0q,(b)0q<<90qy(c)>90q.(d)Esquematizacióndelasdistintastensiones
superficialesqueintervienenparaformarunagotadelíquidosobreunsólido.
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Disolvente
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Tabla 1. Valores de tensión superficial (J) y de presión de vapor (Pv) de los distintos
solventesempleadosenlacristalizacióncoloidalporspincoating.[19]
Sólido
JcS(mN/m)
Sólido
JcS(mN/m)
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5. Caracterización estructural de los films de sílice fabricados
mediantespincoating.
Figura 5. Representación del tamaño del cristal coloidal en monocapas, obtenido
mediante spin coating de (a) una dispersión de sílice al 30% en volumen en diferentes
mezclasdeetanolyEG,o(b)diferentesconcentracionesdesíliceenetanolúnicamente.En
todos los casos, los símbolos cuadrados y triangulares representan las distintas
orientacionesobservadasenlasmuestras,[100]y/o[111]respectivamente.Lascurvasdel
mismocolorpertenecenafilmsfabricadosconlamismadispersión.En(a)lostriángulosy
cuadrados rojos pertenecen a muestras obtenidas con dispersiones que contenían
SiO2:EG:EtOHconunarelación30:10:60%vol.Lostriángulosblancosrepresentanvalores
obtenidos en muestras fabricadas con dispersiones de SiO2:EG:EtOH con una relación
30:35:35%vol.Porúltimo,lostriángulosazulespertenecenadispersionesformadaspor
SiO2:EG:EtOH con una relación 30:56:14 % vol. Las curvas representadas en (e)
pertenecen a muestras fabricadas con dispersiones que contenían SiO2:EtOH con las
siguientes relaciones 50:50% vol. (triángulos y cuadrados azules), 30:70% vol.
(cuadradosblancos),20:80%vol.(triángulosycuadradosrojos)y10:90%vol.(triángulos
negros).Lasfotografíasobtenidasmediantemicroscopioelectrónicoexpuestasenelpanel
central,representanlasorientaciones(b)cuadrada,(c)mezcladecuadradayhexagonal,
y(d)hexagonal,observadasenlacarasuperiordelcristal.
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Figura 6. Imágenes de SEM de cristales coloidales cuyos planos (111) se encuentran
paralelosalsubstrato,fabricadosmedianteladeposiciónporspincoatingdedispersiones
quecontienen:(ad)partículasdesílicede440nmdediámetroal30%vol.,enEG:EtOHal
35:35%vol.,(e)y(f)esferasdesílicede600nmdediámetroal50%vol.enunamezclade
H2O:EGdel10:40%vol.avariasvelocidadesdegiro.(a)Superficiedeunamonocapade
esferasdesíliceempaquetadashexagonalmenteyobtenidaaunavelocidaddegiroZ=175
rps. También se muestran secciones transversales de (b) la anteriormente mencionada
monocapa,(c)unabicapaobtenidaaZ=125rpsy(d)3monocapasdeesferasobtenidasa
Z=75 rps. Las imágenes en (e) y (f) se corresponden con la vista superficial y sección
transversal de un cristal fotónico coloidal de 12 monocapas, crecido a Z=25 rps,
respectivamente.
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Figura7.ImágenesdeSEMdediferentesplanoscristalinosencontradosenlasuperficiey
seccióntransversaldeuncristalcoloidaldesíliceconladirección[100]perpendicularal
planodelsubstratoycrecidomediantespincoatingapartirdeunadispersióndeesferas
de sílice al 30% vol. en etanol. (a) Fotografía de la superficie de los planos (100). (bd)
Seccióndedistintoscristalescoloidalesmostrandolosdistintosplanosdeunaestructura
fcc respecto de su superficie, siendo estos (b) planos (100), (c) planos (111) y (d) los
planos(110).Lasvelocidadesalasquefuerondepositadoslosdistintoscristalesson:(a)y
(b) Z=25rps,(c) Z=50rpsy(d) Z=100rps.Parasucomparación,sehaincluidoencada
figuraunesquemadelasdiferentesvistasdelosplanosdeuncristalfccformadoporel
apilamientode7monocapasencuyasuperficieseobservaunplano(100).
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6. Caracterización óptica de los films de sílice fabricados
mediantespincoating.
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Figura8.(a)EstructuradebandasdeuncristaldeesferasdeSiO2(n=1.425)yestructura
fccenladirección*L.(be)Espectrosdereflectanciaobtenidosdeópalosdesílicecuyos
planos(111)seencuentranparalelosalsubstrato.Losespectrospresentadosen(b)yen
(c) se corresponden con cristales fabricados empleando una dispersión que contiene
SiO2:EG:H2Oenunarelaciónde50:40:10%vol.,depositadosa(b) Z=25rpsy(c) Z=100
rps. La muestra cuyo espectro se muestra en (d) se obtuvo con una dispersión de
SiO2:EtOH al 30:70% vol. depositada a Z=175 rps. El film cuyo espectro se muestra (e)
empleandounadispersióndeSiO2:EG:H2Oal50:40:10%vol.,depositadaa Z=175rps.(f)
Estructura de bandas de un cristal coloidal fcc en la dirección *X. (gj) Espectros de
reflectanciadeópalosorientadosenladirección[100],crecidosapartirdeunadispersión
de SiO2:EtOH al 30:70% vol., girando a (g) Z=25 rps, (h) Z=75 rps, (i) Z=100 rps y (j)
Z=175 rps. En línea roja se muestran los espectros teóricos correspondientes. Los
espectrossehanrepresentadoenunidades(a/O),dondeaeselparámetrodereddeuna
celda fcc convencional. En el panel inferior se muestran las fotografías de los cristales
coloidalesfabricadosporspincoating,eiluminadosporluzsolar.Lasfotosmuestranla
difracción en transmisión y en reflexión de ópalos orientados [111] en (k,l) y [100] en
(m,n), siendo los espectros de reflectancia correspondientes a estas muestras aquellos
representadosen(d)yen(i),respectivamente.
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Figura9.Espectrodereflexiónmedidoadiferentesdistancias(comoseindicaenlafigura)
delcentrode(a)uncristalcoloidalorientadoenladirección[111]obtenidodepositando
mediantespincoatingde200 PLdedispersiónquecontieneunarelacióndeSiO2:EG:H2O
del30:35:35%vol.,depositadoaZ=25rps,(b)uncristalcoloidalorientadoenladirección
[100] obtenido depositando mediante spin coating de 200 PL de dispersión con
proporcionesdeSiO2:EtOHde30:70%vol.aZ=75rps.Losespectroshansidodesplazados
porclaridad.Representacióndelespesorenfuncióndelavelocidadderotación, Z,para
(c) cristales orientados en la dirección [111] crecidos a partir de una dispersión que
contiene SiO2:EG:H2O en proporciones de 30:35:35% vol. y (d) cristales orientados en la
dirección [100] crecidos a partir de una dispersión que contiene SiO2:EtOH en relación
30:70% vol. La línea punteada corresponde al ajuste realizado empleando la expresión
teóricaT|Zb.
7. Cristalescoloidalesdepoliestirenofabricadosmediantespin
coating.
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Figura 10. (a) Espectros de reflexión medidos a diferentes distancias (indicadas en la
gráfica) delcentro de la muestra de un cristal coloidal de látex con orientación [111] y
obtenido a partir de una dispersión que contiene una relación de Látex:EtOH:H2O de
30:35:35%vol.depositadosaZ=25rps.Losespectrosfuerondesplazadosporclaridad.(b)
Grosor del cristal coloidal (μm) frente a la velocidad de rotación Z (rps) para films
crecidos empleando la anteriormente mencionada dispersión. El correspondiente ajuste
empleando la ecuación de spin coating se muestra en línea punteada, obteniéndose un
valordelparámetrob=0.59.(c)y(d)muestranimágenesdeSEMdelasuperficieexternay
laseccióndeunamuestracuyaspropiedadesópticasseencuentranen(a).
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Figura 11. Espectros de reflectancia especular adquiridos a 2, 4, 6 y 8 mm(de abajo a
arriba)delcentrodefilmsdecristalcoloidalobtenidosdedispersionesdeLatex:EtOH:H2O
al de 35:43.3:21.6%vol. depositados(a)girando a Z=25 rpshastaque elfilmse secara
completamente,(b)girandoaw=25rpsdurante10sydespuésdejandosecarlamuestra
enreposodentrodelrecintodelspincoater.
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Figura 12. (a) Fotografía de la difracción que exhibe un ópalo artificial de esferas de
poliestireno de 400nm de diámetro cuyos planos (100) se encuentran orientados
paralelamentealsubstrato.(b)Imagendemicroscopíaelectrónicadebarridodelcristal
coloidalanteriormentedescrito.
8. Defectosencristalescoloidalesfabricadosporspincoating.
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Figura 13. Imágenes tomadas mediante microscopía electrónica de barrido a distintos
aumentos de la superficie de una película de cristal coloidal de esferas de poliestireno,
fabricado a partir de una dispersión que contenía Látex:EtOH:H2O en proporciones de
35:43.4:21.6%vol.(a),(b)y(d).Enlafigura(c)seencuentranrepresentadoslosespectros
de reflectancia adquiridos a través de un objetivo 15x de las áreas indicadas con una
flecha.Lafotografíaincluidaen(a)setomóusandounmicroscopioópticoyunobjetivo
4x.
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9. Fabricacióndeópalosinversosdeóxidodetitanio.
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Figura14.Fotografíadevariosópalosinversosdeóxidodetitaniofabricadosapartirde
varios precursores, siendo estos de izquierda a derecha: nanopartículas de óxido de
titaniode2nmdediámetro(ncTiO2),tetraclorurodetitanio(TiCl4)ytetraisopropóxido
de titanio (TIPT), todos ellos infiltrados mediante spin coating en cristales fotónicos de
partículasdelátex(I=400nm)depositadosmedianteestemismométodo.(b)Respuesta
óptica medida en las distintas fasesde fabricación deun ópalo inverso dencTiO2 ,más
concretamente: espectros de reflectancia de (en línea negra) un ópalo de esferas de
poliestireno crecido por spin coating, (en línea discontinua) el mismo ópalo tras la
estabilizaciónconsílice realizada mediante CVD,(en líneas azules)distintos estadios de
infiltración con una dispersión de ncTiO2 mediante spin coating y por último, (en línea
roja)eldelópaloinversoobtenidoapartirdelacalcinacióndelamatrizdepoliestireno.
(c) y (d) son imágenes de microscopía electrónica de barrido de la superficie y de la
seccióntransversal,respectivamente,delamuestradescritaanteriormente.
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Figura 15. Fotografías de un ópalo inverso de óxido de titanio con los planos (100)
orientados paralelamente al substrato, como muestran las aspas de difracción que
exhibenlasmuestrastantoenaire(a),comoenetanol(b).
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10. Conclusionesytrabajofuturo.
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11. Referencias
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CrystalThinFilmsǤƒ‰—‹”ǡ23ʹͲȋʹͲͲ͹Ȍ
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FilmsǤ’’ŽǤŠ›•Ǥ‡––Ǥǡ92ͻȋʹͲͲͺȌ
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Colloidal Crystals, Macroporous Polymers and Nanocomposites by Spin
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LithographicPatterningofColloidalFilmsǤƒ‰—‹”ǡ24ͺȋʹͲͲͺȌ
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Connectivity Control in Colloidal Crystals by LayerbyLayer Growth of
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Photonic Crystals Made from Polymer and Silica Colloidal Crystal
TemplatesǤǤ’’ŽǤŠ›•Ǥǡ96ͳͳȋʹͲͲͶȌ
Capítulo6.
Fabricacióndeceldassolares
basadasencristalescoloidales.
1. Introducción
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2. Preparación de celdas solares sensibilizadas con colorante
combinadasconcristalescoloidales.
Figura 1. Esquemas de las celdas solares de ncTiO2 sensibilizado con colorante con
distintasconfiguracionesdeelectrododetrabajo.(a)celdaestándar,(b)celdasolarcuyo
electrododetrabajoesunópaloinversodeóxidodetitaniosensibilizadoconcolorante,
(c) celda solar estándar que incluye un ópalo inverso tras el film de ncTiO2 y (d) celda
solar de colorante que incluye 2 ópalos inversos de distinto parámetro de red, tras el
electrododencTiO2.
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Electrodos formados por un film de ncTiO2 acoplados a uno o dos ópalos
inversos.
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Figura2.Imágenesobtenidasmediantemicroscopíaelectrónicadebarridodelasección
transversalde(a)unópaloinversodeóxidodetitanio,(b)y(c)unópaloinversodeóxido
de titanio sobre un film de ncTiO2 a distintos aumentos y (c) dos ópalos inversos
fabricadosapartirdeesferasdediámetros240nmy300nm,crecidossobreunfilmdenc
TiO2.
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3. Caracterizaciónópticadelasceldassolares.
Figura3.Fotografíasde(a)unópaloinversodeTiO2formadoporcavidadesesféricasde
300nmqueexhibedistintoscoloresdebidoaladifraccióndeBraggcuandoseencuentra
enaire(violeta)omojadoenetanol(verde).(b)DSSCqueincorporaunópaloinversode
TiO2formadoporcavidadesesféricasde240nmyllenoconelectrolito.
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Figura4.Espectrosdereflectanciaespecularde(a)unaláminadencTiO2de6,8micras
degrosordepositadosobreunsustratoconductor(b)unópaloartificialdepoliestireno(I
= 300nm) crecido sobre el electrodo anterior e iluminado desde el ópalo o (c) desde el
sustrato, (d) el sistema anterior tras infiltrar el cristal coloidal con la preparación de
tetraclorurodetitanioy(e)electrododetrabajoseguidodeuncristalinverso,resultado
de calcinar a 450qC la estructura infiltrada y sensibilizarla con el colorante, la
iluminacióndesdeelópalosemuestraenlíneanegraydesdeelsustratoenlínearoja.
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Figura5.Espectrosdereflectanciaespecularde(a)unaláminadencTiO2de7,8micras
de grosor depositado sobre un sustrato conductor y de (b) dos ópalos artificiales de
poliestirenodedistintosdiámetrosdeesfera(I1=240nmy I2=300nm)crecidossobreel
electrodo anterior e iluminado desde el ópalo o (c) desde el sustrato. (d) Espectro de
reflectancia del sistema anterior tras infiltrar, calcinar a 450qC y sensibilizar la
estructurailuminadodesdeelópalo.
4. Caracterizaciónfotoeléctricadelasceldassolares.
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Figura6.RespuestaespectraldelafotocorrientegeneradaenDSSCsllenasconelectrolito
yqueincluyencristalesfotónicosinversosendistintasconfiguraciones,comparadaconsu
correspondiente espectro de reflexión medido bajo incidencia normal. (a) Espectro de
reflexión(ennegro)deunópaloinverso(diámetrodelascavidades I=300nm)deTiO2
sensibilizadaconcolorante,comparadoconelfactordeaumento,J(enazul).(b)Espectro
dereflexión(ennegro)deunaDSSCquecontieneunópaloinverso(diámetro,I=240nm)
acopladoaunelectrodotípicodencTiO2sensibilizadoconcolorante,comparadoconel
factor de aumento, J (en azul). (c) Espectro de reflexión (en negro) de una DSSC que
incorporatraselelectrododeóxidodetitaniodosópalosinversosdedistintoparámetro
de red (diámetros, I = 300 nm y I = 240 nm) de TiO2 sensibilizada con colorante,
comparadoconelfactordeaumento, J(enazul).Entodosloscasos, Jsehacalculadoa
partir de la razón entre la IPCE (cociente entre el número de electrones generados y el
número de fotones incidentes) de la celda con la estructura fotónica (representadas en
(d), (e) y (f), en línea punteada roja) respecto de la IPCE de una celda estándar sin
estructuración alguna (representadas en (d), (e) y (f), en línea punteada negra). En el
caso de la DSSC constituida tan sólo por un ópalo inverso, la referencia fue escalada al
valordelaceldaconsideradaaunvalordondenoexisteinfluenciadelgapfotónico,enese
caso670nm.
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5. Conclusionesytrabajofuturo
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6. Referencias
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PhotocurrentinDyeSensitizedTitaniumDioxidePhotoelectrodes
CoupledtoPhotonicCrystalsǤǤǤŠ‡Ǥ‘…Ǥǡ125ʹͲȋʹͲͲ͵Ȍ
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‹Š‹ǡǤǡ‡–ƒŽǤǡSpectralResponseofOpalBasedDyeSensitizedSolarCellsǤ
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ƒ”„‡ǡǤǤǡ‡–ƒŽǤǡNanocrystallineTitaniumOxideElectrodesfor
PhotovoltaicApplicationsǤ‡”ƒ‘…ǡ80ͳʹȋͳͻͻ͹Ȍ
ͶǤ
‹‰—‡œǡǤǡ‡–ƒŽǤǡMechanicalStabilityEnhancementbyPoreSizeand
ConnectivityControlinColloidalCrystalsbyLayerbyLayerGrowthof
OxideǤŠ‡‘—ǡʹʹȋʹͲͲʹȌ
ͷǤ
‘”‡ǡǤǡ‡–ƒŽǤǡScatteringSphericalVoidsinNanocrystallineTio2
EnhancementofEfficiencyinDyeSensitizedSolarCellsǤŠ‡‘—ǡ
ͳͷȋʹͲͲͷȌ
͸Ǥ
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EfficiencyofDyeSensitizedTio2PhotoelectrochemicalCellsbyCoupling
toPhotonicCrystalsǤŠ›•Š‡ǡ109ͳ͵ȋʹͲͲͷȌ
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—ƒ‰ǡǤǤǡ‡–ƒŽǤǡChargeRecombinationinDyeSensitized
NanocrystallineTio2SolarCellsǤŠ›•Š‡ǡ101ͳͶȋͳͻͻ͹Ȍ
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‘‡Ž‹‰ǡǤǤǡ‡–ƒŽǤǡInfluenceofaTicl4PostTreatmenton
NanocrystallineTio2FilmsinDyeSensitizedSolarCellsǤǤŠ›•ǤŠ‡Ǥǡ
110͵ͻȋʹͲͲ͸Ȍ
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‹Š‹ǡǤƒ†Ǥ‹‰—‡œǡOriginofLightHarvestingEnhancementin
ColloidalPhotonicCrystalBasedDyeSensitizedSolarCellsǤŠ›•Š‡
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IncludingColloidalPhotonicCrystalMultilayersǤ’’ŽǤŠ›•Ǥ‡––Ǥ88ͳͻ
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Apéndice 1: Relación entre fracción de llenado y grosor
del recubrimiento en un proceso de infiltración capa a
capa.
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Figura1.Esquemadeloshuecostetraédricos(a)yoctaédricos(b)queaparecen
enunempaquetamientocompacto.
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Figura2.Fraccióndellenadodelporofrentealarazónentreelgrosordelrecubrimiento
yeldiámetrodelasesferasempleadas.
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Figura3.Esquemadeltamañomáximodeunaesferaquepuedecolocarseenelespacio
quedejantresesferasempaquetadashexagonalmente.
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Apéndice2:Aplicaciónaotrasceldassolares.
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Aumento de la fotoconductividad de láminas delgadas de silicio al acoplar
ópticamentecristalescoloidalesǤ
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Figura 3. (a) Esquema de un ópalo de sílice depositado sobre un film de Si
soportadosobreunvidrio.(b)Seccióntransversaldeunópaloartificial(esferas
de sílice de diámetro I=343nm) crecido sobre una lámina de aSi:H. (c)
Incremento de fotoconductividad, J, de la lámina anterior de aSiH acoplada
ópticamente a un ópalo artificial cuyo máximo de reflexión se encuentra en
410nm (línea punteada), (d) en 591nm y en (e) 740nm. En línea continua se
muestraelincrementodeabsorciónpredichomediantelaSWA.
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Referencias
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Semiconductors Optically Coupled to Photonic Crystals. †˜Ǥ ƒ–‡”Ǥǡ
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‹ƒ‰ǡ Ǥǡ ‡– ƒŽǤǡ SingleCrystal Colloidal Multilayers of Controlled
Thickness.Š‡Ǥƒ–‡”ǤǡͳͻͻͻǤ11ȋͺȌ
156
Conclusionesgenerales
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157
Listadepublicaciones
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dyesensitizedsolarcells.‘—”ƒŽ‘ˆŠ›•‹…ƒŽŠ‡‹•–”›ǡʹͲͲͺǤ112ȋͳȌǤ
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defects within selfassembled photonic crystals by spincoating. †˜ƒ…‡†
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Ǧ Ǥ ‹Š‹ǡ Ǥ …ƒƒ ƒ† Ǥ ‹‰—‡œǡ Oriented colloidalcrystal thin films by spin
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Ǧ Ǥ ‹Š‹ǡ Ǥ Ǥ ‘’‡œǦŽ…ƒ”ƒœ ƒ† Ǥ ‹‰—‡œǡ Full spectrum enhancement of the
light harvesting efficiency of dye sensitized solar cells by including colloidal
photoniccrystalmultilayers.’’Ž‹‡†Š›•‹…•‡––‡”•ǡʹͲͲ͸Ǥ88ȋͳͻȌǤ
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Growth of mesoporous materials within colloidal crystal films by spincoating.
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photoniccrystalbaseddyesensitizedsolarcells.‘—”ƒŽ‘ˆŠ›•‹…ƒŽŠ‡‹•–”›ǡ
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modesincolloidalphotoniccrystals.Š›•‹…ƒŽ‡˜‹‡™ǡʹͲͲͷǤ71ȋͳʹȌǤ
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ƒ†Ǥ‹‰—‡œǡTailoringphotoniccrystalswithnanometerscaleprecisionusing
polyelectrolytemultilayers.ƒ‰—‹”ǡʹͲͲͷǤ21ȋʹȌǤ
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‹–ƒ‡˜ǡ Dielectric planar defects in colloidal photonic crystal films. †˜ƒ…‡†
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