EVAPORACION TERMICA EQUIPO 1 (1)

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
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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.
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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]
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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
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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.
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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.
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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
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