Propiedades Ópticas de los Semiconductores Binarios II-VI: ZnSe y CdSe.

Saludos estimados amigos de #stem-espanol. Estoy de vuelta luego de un par de semanas debido a problemas en mi PC.

Hoy quiero compartir con ustedes algunas bases teóricas sobre los Semiconductores binarios II-VI. En un post anterior estudiamos al semiconductor CdTe y describimos sus propiedades ópticas (Ver Aquí). En este post, les presentaré las curvas correspondientes a las propiedades ópticas de los semiconductores binarios ZnSe y CdSe.

Las propiedades ópticas, es decir, las constantes dieléctricas real e imaginaria, el índice de refracción, el coeficiente de extinción, el coeficiente de absorción óptica y la Refrectividad óptica son obtenidos a través de los parámetros Psi y Delta adquiridos por la técnica experimental Elipsometría Espectroscópica para muestras masivas de espesor específico.

^{Figura 1. Gif elaborado con la Ayuda de Microsoft Power Point 2010 y Microsoft GIF Animator. Autor: Daiver Juarez, @djredimi2.}

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PARA RECORDAR:

En una primera aproximación para saber si un material es un sólido cristalino empleamos la Regla de Pamplin. Es decir, la siguiente relación:

Donde la sumatoria se desarrolla con igual al número total de elementos que compone al material, es el número de átomos de algún elemento que lo compone y es el número de electrones de valencia de dicho elemento.

Recordemos que, la existencia de esta relación implica que además de los cristales formados por la unión de átomos de elementos del grupo IV, también se formaran cristales por la combinación de elementos de dos o más grupos diferentes, dando origen a los semiconductores binarios, ternarios, cuaternarios, etc. Esto implica, que existe una cantidad infinita de combinaciones posibles para la formación de un cristal, a través de la unión sistematizada de elementos de diferentes grupos.

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SEMICONDUCTORES BINARIOS.

Los semiconductores binarios son materiales compuestos formados por la unión de dos elementos de diferente grupo y donde su resultante cumple con la Regla de Pamplin. Esto implica que existe un equilibrio químico formado por la unión del anión-catión. Donde el anión es el elemento que se encuentra cargado negativamente (tiene menos de 4 electrones de valencia), y el catión el cargado positivamente (tiene más de 4 electrones de valencia). Los grupos más comunes son:

Catión – Anión
II – VI
III – V

Demostración de la regla de Pamplin:
Para los semiconductores binarios II-VI, =2, además sabiendo para los elementos del grupo II y VI tenemos 2 y 6 electrones de valencia respectivamente, y que ambos aportan 1 átomo, desarrollamos la sumatoria y tenemos:

Y para los binarios III-V, al igual que para los II-VI, sólo que tenemos que los elementos del grupo III y V tienen 3 y 7 electrones de valencia respectivamente, lo que resulta en:

Esto demuestra que los compuestos pertenecientes a estos grupos poseen estructura cristalina donde a su vez estos se caracterizan por presentar propiedades de materiales semiconductores.

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SOBRE LOS SEMICONDUCTORES II-VI.

Un semiconductor binario II-VI se forma por la unión entre un elemento del grupo 2 (IIA-metales alcalinotérreos) o del grupo 12 (IIB-metales volátiles), y un elemento del grupo 16 (VIB-no metales calcógenos) (Figura 1). Los materiales de este grupo poseen potenciales aplicaciones en optoelectrónica debido a sus altas brechas de energía, tales como en diodos LED’s y diodos láser de altas energías.

Para considerar:
Los materiales ZnSe y CdSe fueron sintetizados por el Instituto venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC) en conjunto con la Universidad de los Andes (ULA) y proporcionados al Dr Giovanni Marín [Ref. 1] para su posteriores estudios. Los datos experimentales fueron tomados en el Instituto Zuliano de Investigaciones Tecnológicas (INZIT) [Ref. 2], con la ayuda de la técnica de Elipsometría Espectroscópica. Esta técnica consistió en el uso de un Elipsómetro M-2000X, el cual está provisto de: fuente FLS-300 de arco de xenón de 75W que opera en el intervalo espectral de 1,2416703 - 5,035049 eV de Energía y una muestra masiva de espesor específico y llevada a calidad óptica. Para más información visite este post.

Finalmente, estos datos experimentales fueron analizados en el laboratorio LEIMN del IVIC-Zulia por mi autoría [Ref. 3], para cumplir con investigaciones previas a la realización del Trabajo Especial de Grado (TEG).

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SEMICONDUCTOR ZnSe.

El Seleniuro de Zinc es un sólido cristalino compuesto por átomos de Zn (grupo IIB) y átomos de Se (Grupo VIA) en una proporción 1:1. Rara vez se encuentra en la naturaleza como en el mineral "stilleite". Se puede obtener generalmente ZnSe en las estructuras cristalinas wurzite y zincblende.

Las propiedades ópticas por Elipsometría Espectróscopica del ZnSe fueron estudiadas por primera vez en Japón por Sadao Adachi y Tsunemasa Taguchi en 1991. A través de la medida de función dieléctrica encontraron cuatro (4) puntos críticos, en el rango de energía desde 1.5 hasta 5.3 eV, para describir la estructura de bandas del material. Donde 2.67 eV es el valor de la transición fundamental. Además, emplearon el modelo de función dieléctrica para ajustar las curvas resultantes.

A continuación se mostrarán las curvas correspondientes a la experimentación plasmada en este post para la muestra ZnSe de espesor específico. Para Psi, Delta y las constantes dieléctricas real e imaginaria en función de la energía del haz de luz polarizado tenemos la figura 2.

^{Figura 2. Parámetros Psy y Delta y constantes dieléctricas real (e1) e imaginaria (e2) en función de la energía, para la muestra de ZnSe de espesor específico. Autor: [Ref 1 y 2], Edición: [Ref 2] Daiver Juarez con la ayuda del software Origin 6.1.}

Y, para el coeficiente de extinción e índice de refracción y para el coeficiente de absorción y la reflectividad en función de la energía del ZnSe, tenemos la figura 3.

^{Figura 3. Coeficiente de extinción (k) e Índice de refracción (n) y Coeficiente de absorción (alfa) y Reflectividad (R) en función de la energía, para la muestra de ZnSe de espesor específico. Autor: [Ref 1 y 2], Edición: [Ref 2] Daiver Juarez con la ayuda del software Origin 6.1.}

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SEMICONDUCTOR CdSe.

El Seleniuro de Cadmio, también es un sólido cristalino pero, a diferencia del ZnSe, está compuesto por átomos de Cd (grupo IIB) como anión. Se puede obtener generalmente CdSe en las estructuras cristalinas wurtzite, sphalerite y rock-salt(sal de roca).

Por otra parte, Susumu Ninomiya en compañía de Sadao Adachi fueron los encargados de estudiar por primera vez las propiedades ópticas del CdSe por Elipsometría Espectroscópica en 1995. En un rango de energía desde 1.2 a 5.3 eV, lograron observar cinco (5) puntos críticos, siendo 1.74 eV el valor de la transición fundamental. Mediante el uso de las relaciones Kramers-Kronig determinaron los puntos críticos en la función dieléctrica.

Ahora, les mostraré las curvas experimentales para los parámetros Psi y Delta y las constantes dieléctricas real e imaginaria en función de la energía para la muestra de CdSe de espesor específico (figura 4).

^{Figura 4. Parámetros Psy y Delta y constantes dieléctricas real (e1) e imaginaria (e2) en función de la energía, para la muestra de CdSe de espesor específico. Autor: [Ref 1 y 2], Edición: [Ref 2] Daiver Juarez con la ayuda del software Origin 6.1.}

Finalmente, para el coeficiente de extinción e índice de refracción y para el coeficiente de absorción y la reflectividad en función de la energía del CdSe, tenemos la figura 5.

^{Figura 5. Coeficiente de extinción (k) e Índice de refracción (n) y Coeficiente de absorción (alfa) y Reflectividad (R) en función de la energía, para la muestra de CdSe de espesor específico. Autor: [Ref 1 y 2], Edición: [Ref 2] Daiver Juarez con la ayuda del software Origin 6.1.}

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Discusiones Finales.

En el presente Post se expone una breve introducción a los semiconductores binarios II-VI, en los cuales tomamos el ZnSe y el CdSe. Con el propósito de mostrar las propiedades ópticas de los respectivos materiales, se presentan las curvas de los parámetros Psi y Delta, Las constantes dieléctricas real e imaginaria, así como el coeficiente de absorción y la Reflectividad óptica en función de la energía y resultantes de la experimentación de Elipsometría Espectroscópica.

Como venimos discutiendo sobre las relaciones de dispersión óptica, decidí mostrarles previamente los resultados de estos materiales, pero con la finalidad de aplicarles el método que hemos desarrollado "La modificación del ajuste Lorentziano" de este post.

En un siguiente post, estaremos describiendo este ajuste, mediante la plataforma del software OriginLab.

Saludos mis estimados compañeros de #stem-espanol y #steemstem.

Lic. Daiver Juarez

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POST RECOMENDADOS.

• FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO: Introducción a los Semiconductores.
• ELIPSOMETRÍA ESPECTROSCÓPICA (SE). Propiedades ópticas del semiconductor CdTe.
• Determinación de las relaciones de Dispersión Óptica de cristales Semiconductores. Ajuste Lorentziano.
• Una modificación al ajuste Lorentziano de la función dieléctrica compleja de cristales Semiconductores.

REFERENCIAS.

[1] Dr Giovanni Marín. Investigador IVIC. Correo: [email protected].
[2] Instituto Zuliano de Investigaciones Tecnológicas (Twitter del INZIT).
[3] Tesista (En ese momento) Daiver E. Juarez R. del LEIMN en IVIC-Zulia. Correo: [email protected]. Usuario Steem: @djredimi2.

• J. A. Woollam et al., “Overview of Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE), Part I: Basic Theory and Typical Applications”, SPIE Proc. CR72, 1999.
• Safa Kasap. "Handbook of Electronic and Photonic Materials". Editorial Springer handbooks, 2006.
• Sadao Adachi and Tsunemasa Taguchi. (1991). "Optical properties of ZnSe". Japan, Gunma University. Physical Review B. The American Physical Society. P.9569-9577.
• Susumu Ninomiya and Sadao Adachi. (1995). "Optical properties of cubic and hexagonal CdSe". Japan, Gunma University. American Instituye of Physics. J. Appl. Phys. 78 (7).

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