UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE COAHUILA MATERIA: INCORPORACIÓN DE LOS MATERIALES. DOCENTE: Dra. LETICIA ARIZBETH MENDOZA RAMIREZ CARRERA: NANOTECNOLOGÍA ÁREA MATERIALES 5 NAMA A TRABAJO DE UNIDAD EQUIPO 1 EVAPORACIÓN TÉRMICA. INTEGRANTES LUGO ALVAREZ KEVIN ALEJANDRO. IGNACIO EMANUEL ZAMORA HERNÁNDEZ. LUIS CARLOS CERDA DE LA CRUZ. JENNYFER PAOLA RODRIGUEZ MORLES. BRITTNY MICHELLE SOL. JIMENEZ AGUILAR JESUS ENRIQUE. 27/01/2021 SALTILLO, COAHUILA. ÍNDICE: Introduccion…………….………………………...…………………………...2 1.-EVAPORACIÓN TÉRMICA…………………………………..3 1.1 Limitaciones de la evaporación térmica…………………………...4 2.- Evaporación térmica por vacío ……………………………………..4 2.1.- Ventajas y posibilidades……………………………………………..4 2.2.- Evaporación por calentamiento mediante resistencia………...4 2.3.- Evaporación por calentamiento mediante haz de electrones...5 3.- Epitaxia ……………………………………………………...6 3.1.- Epitaxia molecular…………………………………………………….6 3.2.- Epitaxia iónica…………………………………………………………7 3.3 Epitaxia electrones……………………………………………………..7 4.- Procesos y descripción…………………………………....7 4.1.- Concentración………………………………………………………...7 4.2.- Viscosidad……………………………………………………………..8 4.3.- Formación de espuma……………………………………………….8 4.4.- Sensibilidad a la temperatura………………………………………8 5.- Materiales y procesos……………………………………..8 6.- Ejemplos …………………………………………………….9 6.1.- Evaporación térmica del Sb2S3…………………………………...9 6.2.- Evaporación térmica del CuS……………………………………...9 Conclusiones ……………………………………………………………….12 Referencias………………………………………………………………….13 1 INTRODUCCIÓN Los distintos procesos de la evaporación térmica, ha sido de gran ayuda para distintos procesos que gracias a la ciencia se han ido complementando para así facilitar y dar resultados más precisos y correctos. esta propiedad es ampliamente utilizada para distintas aplicaciones y aunque se ha hablado bastante sobre ellos, hay un campo de gran interés de investigación, ya que siguen siendo considerados como materiales del futuro. Los distintos materiales que presentan las mismas especificaciones pero que actúan bajo diferentes efectos, son los materiales que responden a diferentes La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, El vapor del material termina condensado en forma de lámina d.elgada sobre la superficie fría del substrato y las paredes de la cámara de vacío Normalmente la evaporación se hace a presiones reducidas. Con el objeto de evitar la reacción del vapor con la atmósfera del ambiente. Gracias a los avances de la ciencia, las distintas modificaciones van cada vez en cambio, proponiendo nuevos métodos o evolucionando sus parámetros para que pueda tener un mejor funcionamiento con opciones que contribuyan a su mejor funcionamiento de los distintos procesos para la evaporación térmica. 2 1.- EVAPORACIÓN TÉRMICA La evaporación Térmica es un proceso físico de deposición en fase vapor (PVD), normalmente en alto vacío (10-5 torr o valores de vacío superiores), en el cual átomos o moléculas alcanzan un substrato desde una fuente térmica de vaporización sin colisiones en la cámara de depósito. El material se coloca sobre una fuente calentada por una corriente eléctrica producida por una resistencia directa, radiación, corrientes parásitas, haz de electrones, rayo láser o descarga de arco. Las partículas aterrizan sobre el substrato normalmente. Este método incluye sublimación cuando el sólido pasa directo a fase vapor y evaporación cuando se pasa de líquido a vapor. El vapor se expande dentro de la cámara que contiene al sustrato, y posteriormente condensa en el substrato que se mantiene a menor temperatura.[1] La evaporación térmica es un procedimiento en el cual el material que se quiere evaporar, en este caso silicio, se calienta en ultra alto vacío hasta alcanzar un presión de vapor suficientemente alta, de forma que una fracción apreciable de átomos y moléculas pasa al estado de vapor y se condensa en forma de capa delgada en un sustrato situado frente a la fuente. La evaporación se produce al pasar una corriente eléctrica a través de una navecilla de tungsteno que se calienta hasta altas temperaturas. Se utiliza W porque es uno de los materiales con una temperatura de fusión más elevada lo que permite evaporar casi cualquier otro tipo de materiales. Utilizando una máscara móvil (o shutter) se puede impedir que el material evaporado llegue a la superficie del sustrato hasta que las condiciones deseadas estén estabilizadas. La evaporación se realiza por lo tanto en una presión residual por debajo de 7,5x10-7 Torr. En estas condiciones las partículas evaporadas recorren trayectorias rectilíneas suficientemente grandes como para alcanzar el sustrato ya que el método de evaporación térmica es un método direccional. Para favorecer un crecimiento de 3 composición y espesores uniforme a lo largo de la superficie del sustrato, que en nuestro caso podría llegar a ser de 10 cm de diámetro, se rota el sustrato durante todo el proceso de evaporación. 1.1 Limitaciones de la evaporación térmica De forma genérica, las capas crecidas por evaporación térmica presentan algunas limitaciones: -Baja energía de las especies de crecimiento, que pueden dar lugar a capas poco densas y poco adherentes -Inhomogeneidad de la composición del depósito cuando se evaporan compuestos o aleaciones, debido a la descomposición del material o bien a la diferente presión de vapor de los componentes. -Difícil control de la velocidad de evaporación al no tener absoluto control sobre la temperatura del evaporador. [2] 2.- Evaporación térmica por vacío La evaporación al vacío es una operación unitaria que consiste en concentrar una disolución mediante la eliminación del solvente por ebullición. En este caso, se lleva a cabo a una presión inferior a la atmosférica. Así, la temperatura de ebullición es sustancialmente inferior a la correspondiente a presión atmosférica, lo que conlleva un gran ahorro energético. La evaporación al vacío supone un gran avance en el tratamiento de efluentes líquidos, permitiendo de forma eficiente, limpia, segura y compacta tratar efluentes que mediante técnicas fisicoquímicas o biológicas no es viable. Al mismo tiempo, en las técnicas de evaporación térmica la energía media de llegada de los átomos de vapor a la superficie del sustrato suele ser baja (del orden de kT, es decir décimas de eV) lo cual puede afectar seriamente la morfología de las capas, resultando frecuentemente un material poroso y poco adherente.[3] 2.1.- Ventajas y posibilidades -Reducción drástica del volumen de residuo líquido (lo que supone ahorro en gestión de residuos). -Concentración de residuos corrosivos o incrustantes. -Reutilización del agua recuperada. -Implementación de sistemas de vertido cero 2.2.- Evaporación por calentamiento mediante resistencia En la técnica de deposición mediante evaporación, el calentamiento del material hasta la fusión se lleva a cabo mediante el paso de corriente eléctrica a través de un filamento o placa metálica sobre el cual se deposita el material (efecto Joule). El 4 material en forma de vapor se condensa entonces sobre el substrato. También se usan otras formas de calentamiento como el de inducción mediante una bobina de RF rodeando un crisol de grafito o de BN, donde se funde el material que se quiere evaporar. El montaje de la técnica es simple, y resulta muy apropiada para depositar metales y algunos compuestos de bajo punto de fusión (Al, Ag, Au, SiO, etc.). Los metales típicos usados como resistencia de calentamiento son el tantalio (Ta), molibdeno (Mo), wolframio o tungsteno (W) los cuales presentan una presión de vapor prácticamente nula a la temperatura de evaporación (Tevap = 1000-2000 °C). Cuando se utiliza un filamento en forma de hélice enrollada sobre el material, es conveniente que el material evaporante moje el metal.[4] 2.3.- Evaporación por calentamiento mediante haz de electrones Esta técnica está basada en el calentamiento producido por el bombardeo de un haz de electrones de alta energía sobre el material a depositar. El haz de electrones es generado mediante un cañón de electrones, el cual utiliza la emisión termoiónica de electrones producida por un filamento incandescente (cátodo). Los electrones emitidos, en forma de corriente eléctrica, son acelerados hacia un ánodo mediante una d.d.p. muy elevada (kilovolts). El ánodo puede ser el propio crisol o un disco perforado situado en sus proximidades (cañones auto- acelerados). A menudo se incluye un campo magnético para curvar la trayectoria de los electrones, situando el cañón de electrones por debajo de la línea de evaporación . Debido a la posibilidad de focalización de los electrones es posible obtener un calentamiento muy localizado (puntual) sobre el material a evaporar, y con una alta densidad de potencia de evaporación (varios KW). Esto permite un control de la velocidad de evaporación, desde valores bajos hasta muy altos y, sobre todo, la posibilidad de depositar metales de alto punto de fusión (p.e. W, Ta, C, etc.). El hecho de tener el crisol refrigerado evita problemas de contaminación producida por el calentamiento y la desgasificación de las paredes de la cámara de vacío. En la 5 figura se da un esquema del equipo de evaporación por bombardeo electrónico utilizado en el laboratorio.[5] 3.- Epitaxia Crecimiento epitaxial: Es el crecimiento ordenado de una capa monocristalina que mantiene una relación definida con respecto al substrato cristalino inferior. La utilidad del crecimiento epitaxial: fabricación de capas semiconductoras de calidad. Para muchas aplicaciones la oblea es únicamente un soporte mecánico. Sobre ella se crecen una o más capas de un material que preserva la estructura del monocristal y de conductividad apropiada (epitaxia).La epitaxia es un modo de controlar de manera precisa el perfil de dopaje para optimizar dispositivos y circuitos y el grosor de la capa epitaxial puede según la aplicación. De menor espesor para aplicaciones de alta velocidad. De mayor espesor para aplicaciones de potencia. Se caracteriza por realizarse a temperatura inferior a la de fusión del material. El crecimiento epitaxial, puede dividirse en dos categorías muy amplias: -Homoepitaxial: la capa que crece es químicamente similar al substrato. Es la epitaxia más simple e involucra la extensión de la red del substrato en una red de material idéntico. -Heteroepitaxial: Es la capa que crece y difiere en términos químicos con estructuras cristalinas, simetría o parámetros de red con espectro al substrato.[6] 3.1.- Epitaxia molecular El crecimiento epitaxial molecular se produce en alto vacío. El aspecto más importante del crecimiento molecular es la baja proporción de deposición. lo cual permite un crecimiento epitaxial controlado. Hay que mencionar que cuan mejor es el vacío con el que se trabaja, mucho mejor es el crecimiento, siendo necesario trabajar en UHV para conseguir un crecimiento con un nivel de defectos mínimo. 6 Diferentes parámetros como temperatura, flujo molecular, y dinámica molecular afectan la calidad, velocidad y éxito del crecimiento.[7] 3.2.- Epitaxia iónica La epitaxia iónica se refiere al crecimiento de una fase de igual estructura cristalina bajo la superficie del cristal semiconductor, En este proceso, los iones son implantados a una alta energía y dosis para poder crear una capa de una segunda fase, además de ser necesario controlar la temperatura para evitar que la estructura cristalina del objetivo se destruya. La orientación de la capa puede ser manipulada hasta conseguir que coincida con la del objetivo, aunque la estructura exacta y el parámetro de red sean muy diferentes 3.3 Epitaxia electrones Durante esta operación, se observa el crecimiento de las películas cristalinas mediante la técnica denominada difracción de electrones. puesto que esta técnica, a diferencia de la difracción de rayos X sólo analiza la superficie de la muestra. Las capas de estructuras complejas de diferentes materiales se fabrican de este modo. Este control ha permitido el desarrollo de estructuras nanoestructuradas. En la actualidad, estas capas son una parte importante de los dispositivos semiconductores, entre los que se incluyen los diodos láser y los diodos emisores de luz.[8] 4.- Procesos y descripción. Parámetros de diseño de evaporadores Características del líquido que se concentra. La solución práctica a un problema de evaporación está profundamente afectada por el carácter del líquido que se concentra. Precisamente es la gran variedad de características de dichos líquidos lo que amplía esta operación desde una sencilla transmisión de calor hasta un problema complejo. Debido a la gran variedad de propiedades de las disoluciones, se han desarrollado diferentes tipos de evaporadores. 4.1.- Concentración Aunque la disolución que entra como alimentación de un evaporador puede ser suficientemente diluida teniendo muchas de las propiedades físicas del agua, a medida que aumenta la concentración de la disolución adquiere cada vez un carácter individualista. La densidad y la viscosidad aumenta con el contenido de sólido hasta que la disolución o bien se transforma en saturada o resulta inadecuada para una transmisión de calor adecuada. La ebullición continuada de una disolución saturada da lugar a la formación de cristales, que es preciso separar pues de lo contrario obstruyen los tubos. La temperatura de ebullición de la disolución puede también aumentar considerablemente al aumentar el contenido de sólido, de forma que la temperatura de ebullición de una disolución concentrada puede ser mucho mayor que la del agua a la misma presión. 7 4.2.- Viscosidad. Los líquidos muy viscosos tienden a reducir las velocidades de circulación y a reducir los coeficientes de transferencia de calor. Puesto que, en general, la viscosidad de una solución sometida a evaporación aumenta con la concentración, es de esperar que a medida que discurre la evaporación descienda la velocidad de transferencia de calor. 4.3.- Formación de espuma. Algunas sustancias orgánicas forman espuma durante la vaporización. Una espuma estable acompaña al vapor que sale del evaporador dando lugar a un importante arrastre. En casos extremos toda la masa de líquido puede salir con el vapor y perderse 4.4.- Sensibilidad a la temperatura. Muchos productos se dañan cuando se calienta a temperaturas moderadas durante tiempos relativamente cortos. En la concentración de estos productos se necesita técnicas especiales para reducir tanto la temperatura del líquido como el tiempo de calentamiento[9] 5.- Materiales y procesos. Los materiales que pueden aplicarse mediante las técnicas de evaporación térmica pueden ser elementos atómicos puros incluyendo metales y no metales, o pueden ser moléculas como los óxidos y nitruros. El objeto a ser recubierto suele denominarse sustrato y puede ser cualquier material como wafers de semiconductores, células solares, componentes ópticos, muestras de microscopía electrónica, rejillas portamuestras para muestras de microscopía y otros muchos ejemplos. La evaporación térmica requiere el calentamiento de un material sólido dentro de una cámara de vacío, elevando su estado hasta alcanzar una temperatura en la que se produzca vapor que eleve la presión. En el interior de la cámara de vacío, incluso una pequeña presión de vapor es suficiente para generar una nube de vapor dentro de la cámara. El material evaporado forma ahora un nuevo flujo de vapor, que al viajar por la cámara golpea el sustrato quedando adherido a él como un recubrimiento o película. Esta es una forma de deposición de película fina, que es una tecnología que aplica recubrimientos de materiales puros en condiciones de vacío sobre la superficie de distintos objetos. El espesor de los recubrimientos, también llamados películas suele quedar en el rango de angstroms a micras y pueden ser de un sólo material o de múltiples materiales estructurados en capas.[10] 8 6.- Ejemplos Como ejemplo a grandes rasgos de cómo se aplicaría el proceso de evaporación térmica en un proyecto se presentará una parte del proceso que se llevó a cabo en la caracterización de películas delgadas de cusbs2 por evaporación térmica para aplicación en celdas solares. primeramente, los que llevaron a cabo este proyecto escogieron los materiales que querían utilizar para la aplicación de celdas solares, en este caso escogieron realiza chalcostibita por sus propiedades de absorción de luz solar. La chalcostibita (cusbs2), es un compuesto formado por la unión de sulfuro de antimonio y cobre, que se propone para ser utilizado como capa absorbedora en celdas solares de película delgada. dentro de los procesos que se llevaron a cabo se realizó la técnica de evaporación térmica en el sulfuro de amonio y en el sulfuro de cobre: 6.1.- Evaporación térmica del Sb2S3 Para el depósito de las películas delgadas de Sulfuro de Antimonio se utilizó la técnica de evaporación térmica en alto vacío. El polvo evaporado fue el Sb2S3 con densidad 4.64 g/mL a 25°C de la marca Aldrich con 99.999% de pureza. El depósito se llevó a cabo con una presión de vacío de 10-5 Torr y se depositó sobre el substrato de vidrio Corning de 2.5 cm de ancho x 4.5 cm de alto a temperatura ambiente. 6.2 Evaporación térmica del CuS Para el depósito de las películas delgadas de Sulfuro de cobre se utilizó la técnica de evaporación térmica en alto vacío. El polvo evaporado fue el CuS a 25°C de la 9 marca Aldrich con 99.999% de pureza. El depósito se llevó a cabo con una presión de vacío de 10-5 Torr y se depositó sobre la película de Sb2S3 (600 nm) con un área de 2.5 cm de ancho x 4.5 cm con una temperatura de substrato de 150 °C durante el depósito. Se llevo a cabo una caracterización al material y a las películas antes y después de someterlos a la técnica de evaporación térmica, en la siguiente tabla se muestra las imágenes AFM (Microscopio de Fuerzas Atómica) de las caracterizaciones que se elaboraron, y se pueden observar así las diferencias o los cambios que se produjeron en el material después de someterlo a la técnica de evaporación térmica al vacío. 10 Microscopio de Fuerzas Atómica (AFM) Esta técnica ha sido esencial en el desarrollo de la nanotecnología para la caracterización y visualización de materiales a dimensiones nanométricas, con lo que tiene aplicaciones en multitud de ámbitos científicos: Física, ciencia de los materiales (empresas de pinturas, industria automovilística, etc.), microelectrónica, ingenierías, química, capas finas (análisis de rugosidad superficial), biología y medicina (obtención de imágenes tridimensionales de proteínas, ADN etc.).[11] 11 Conclusiones Podemos concluir que el procedimiento de evaporación térmica no ha dado los resultados esperados. Los tratamientos térmicos parecen ser los adecuados para que sea una manera más fácil y efectiva de llevar a cabo la evaporación, a través de los diferentes métodos que se puedan utilizar. ya que todo indica que se forman gotas de líquido, y algunas de las desventajas o limitaciones, es que el problema que más tienes es posiblemente en la selección de la temperatura de depósito y en el control del ritmo de evaporación, ya que suelen ser procedimientos algo complicados que llevan distintas causas y errores. a través de la nanotecnología se han implementados nuevas opciones de manejo, que gracias a esto ha sido para su mejor y posiblemente para que se llega a una precisión más exacta al momento del resultado, y que por lo tanto podría parecer una problemática en pocas palabras, pero para poder llegar a una solución, se tiene que realizar un estudio exhaustivo de todos los parámetros que se podrían controlar en el equipo experimental propuesto. 12 Referencias. 1.- Diana Joseline. (2019, marzo 7). EVAPORACIÓN TÉRMICA. Prezi. https://prezi.com/p/-ozdn31mvb4l/evaporacion-termica/ 2.- Víctor Arribas Pardo. (n.d.). Formación de nanoestructuras de silicio por evaporación térmica y pulverización catódica. Universidad autonoma de barcelona. https://ddd.uab.cat/pub/trerecpro/2012/hdl_2072_206256/PFC_VictorArribasPar do.pdf 3.- Candace K. Chan, Hailin Peng, Gao Liu, Kevin McIlwrath, Xiao Feng Zhang Nature Nanotechnology 3, 31-35 (2008) http://www.nature.com/nnano/journal/v3/n1/full/nanano.20007.421.html 4.- Françoi Flory, Ludovic Escoubas, Gerard Bergine J. Nanophoton. 5, 052502 (Aug 10, 2011) http://news.stanford.edu/news/2008/januaory9/nanowwire-099908.html 5.- Françoi Flory, Ludovic Escoubas, Gerard Bergine J. Nanophoton. 5, 052502 (Aug 10, 2011) http://news.stanford.edu/news/2008/januaory9/nanowwire-099908.html 6.- Eduardo Gallego Villalba. (n.d.). Crecimiento epitaxial. SILO.TIPS. https://silo.tips/download/crecimiento-epitaxial 7.- Jesús Herranz Zamorano. (2015). Crecimiento por Epitaxia de Haces Moleculares de puntos cuánticos de InAs sobre GaAs(001) con control en su lugar de formación para su integración en microcavidades ópticas. Universidad Complutense de Madrid. https://eprints.ucm.es/id/eprint/35621/1/T36836.pdf 8.- Miguel Ghebré Ramírez Elías. (2017, Noviembre). Crecimiento y caracterización de películas delgadas de AIGaAs sobre substratos de GaAs (6 3 1). Universidad Autónoma de San Luis Potosí. http://ninive.uaslp.mx/xmlui/bitstream/handle/i/2238/MCA1CCP00701.pdf?sequ ence=1&isAllowed=y 9.- Arturo Jimenez Carro. (2011, Marzo 31). Evaporisacion. slideshare. https://es.slideshare.net/arturo_jimenez/evaporacin-7471255 10.- Aname. (n.d.). Evaporacion Termica para SEM/TEM. Aname. https://microscopiaelectronica.com/equipos-preparacion/equipos-de-recubrimi ento-sem-tem/evaporadores-termicos.html#:~:text=Los%20materiales%20que %20pueden%20aplicarse,como%20los%20%C3%B3xidos%20y%20nitruros 11.- Scai. (n.d.). Microscopía de Fuerza Atómica y micro-Ramam. SCAI. http://www.scai.uma.es/areas/micr/afm/afm.html 13