Noticio

Algunos materiales emiten luminiscencia cuando son irradiados por una fuente de energía. La emisión puede ser en el rango visible, ultravioleta e infrarroja, dependiendo de las características del tipo de material. La luminiscencia puede recibir distintos nombres debido a la fuente de radiación, es decir, si al irradiar con fotones (UV, rayos X, etc) un material y emite luz, se le llama fotoluminiscencia. También la radiación del material puede generarse por reacciones químicas, el cual se llama quimioluminiscencia, si la excitación es una corriente eléctrica se llama electroluminiscencia y por sonido se llama sonoluminiscencia. Por otro lado, si la radiación incidente son electrones se le llama catodoluminiscencia (CL), que es uno de los temas que trataremos en este texto.

La CL de los materiales se basa principalmente en la teoría de bandas que describen las características de un material como conductor, semiconductor y aislante. Para un conductor, la banda de conducción y la banda de valencia se traslapan, esto implica en que este tipo de material tenga electrones libres que pueden ser fácilmente desplazados al aplicar un campo eléctrico. En un semiconductor, la banda de conducción y de valencia están separadas por un estrecho energético, conocido como banda prohibida con un valor máximo de 3.5 eV. Para los aislantes, la banda prohibida es mayor a los 3.5 eV, un ejemplo es el SiO2 que tiene un ancho de banda prohibido de 9 eV. El fenómeno de CL aparece cuando un electrón situado en la banda de valencia salta a la banda de conducción por la energía absorbida proveniente del haz de electrones. Sin embargo, cuando el electrón regresa a la banda de valencia, libera la energía en forma de luz debido a que no la puede conservar y es equivalente a la energía de la banda prohibida

Las corrientes inducidas por el haz de electrones (EBIC, pos siglas en inglés) requiere de un campo eléctrico formado por la acumulación de carga en la interfaz de la unión abrupta de un semiconductor tipo p y un semiconductor tipo n. Este campo eléctrico se modela a través de la concentración de cargas en las regiones p y n de la unión. Al incidir el haz de electrones en el dispositivo se producen pares electrón-hueco. Si el par electrón hueco es generado cercano a la unión pn, el campo eléctrico separará esas cargas induciendo una corriente. Es un proceso similar cuando la luz del sol incide en una celda solar para producir corriente eléctrica.

Un microscopio electrónico de barrido (MEB) es un instrumento que tiene una muy buena fuente de electrones. Es bien sabido el funcionamiento de un MEB que consiste en un barrido de un haz de electrones focalizado en la superficie de la muestra, con un tamaño de punto de 3 nm. Durante el barrido, el haz de electrones va excitando toda la muestra dependiendo de la resolución espacial que va de 1 a 10 nm, dependiendo de las condiciones del microscopio. La radiación que se obtiene de la interacción entre el haz de electrones y la materia brinda una gran información de las características de la muestra bajo observación, como la emisión de electrones secundarios, electrones retrodispersados, catodoluminiscencia, EBIC, rayos X (EDS), etc. y cada una de esas señales tiene su propia técnica de adquisición. En el Centro de Investigaciones en Óptica, A.C, se implementaron dos instrumentos en el MEB dedicados a la caracterización de materiales y dispositivos fotónicos desarrollados por los investigadores del CIO. Estos instrumentos son para obtener imágenes y espectros de CL y un mapeo de corrientes inducidas por el haz de electrones. La información que se puede obtener de la CL es, además del espectro de luminiscencia, obtener imágenes monocromáticas de materiales luminiscentes. Esto nos permite determinar la posición de iones y defectos emisores de luz a una longitud de onda con la resolución del MEB.

Figura1. Ejemplo de catodoluminiscencia de una muestra de silicio poroso. a) Partícula de silicio poroso obtenida por electrones secundarios. b) Imagende catodoluminiscencia mostrando los defectos luminiscentes a 410 nm. c) Espectro de catodoluminiscencia.

En la figura 1, se muestra el mapeo y el espectro de luminiscencia de una partícula de silicio poroso. En la figura 1b podemos apreciar la imagen monocromática donde muestra los defectos que emiten con una longitud de onda de 410 nm. Estos defectos corresponden a enlaces débiles de oxígeno. La emisión de 550 nm corresponde a excitones atrapados en la estructura del SiO2. Con la información obtenida por la inducción de corriente, se puede mapear defectos internos en los dispositivos, realizar caracterización por fronteras de grano, determinar calidad de contactos de los dispositivos y determinar la profundidad de unión y longitud de difusión de los portadores minoritarios, muy útil para la caracterización de celdas solares.

En la figura 2 se muestra el mapeo de una celda solar con depósito de partículas luminiscentes de Wolframio dopadas con Europio con efecto down-conversion para mejorar la eficiencia de conversión energética. En la figura 2a se puede observar los defectos internos de la celda solar formados durante la fabricación. El perfil de corriente muestra las sombras creadas por las partículas depositadas en la parte derecha de la imagen. Para finalizar, el CIO tiene el microscopio electrónico de barrido más completo de México. Ya que cuenta con la capacidad tecnológica para realizar caracterizaciones de electrones secundarios y retrodispersados, EDS, CL, EBIC y un sistema de litografía electrónica que permite realizar patrones en áreas de 120 x 120 micras.

Figura2. Ejemplo de caracterización de una celda solar comercial por latécnica EBIC. a) Imagen obtenida por electrones secundarios. b) Mapeo de corrientes inducidas, los puntos negros son las partículas de W - EU creando sombras en la celda solar. La franja negra central es el contacto del dispositivo con un espesor de 150 um donde el haz de electrones no alcanza la unión pn.