Caracterización mecánica y estructural de microhilos de ZnO

BAJALES LUNA, NOELIA; ARCINIEGAS JAIMES, DIANA M.; BERCOFF, PAULA G.; BARZOLA-QUIQUIA, JOSÉ

Buenos Aires

Jornada; 1° Jornada interdisciplinaria de aplicaciones de fenómenos de superficie JIAFES; 2019

Laboratorio de Química de Sistemas Heterogéneos

El interés por generar nuevos materiales avanzados, que respondan a la creciente y masiva demanda tecnológica, ha impulsado el desarrollo de novedosos dispositivos portables y versátiles. Recientes estudios mostraron que los dispositivos semiconductores inorgánicos fabricados a partir de sustratos orgánicos flexibles, pueden aportar interesantes soluciones a las limitaciones de las tecnologías actuales. En este sentido, Sun y colaboradores diseñaron eficientes fotodetectores de radiación ultravioleta basados en microhilos de óxido de zinc (ZnO) embebidos en alcohol polivinil (PVAL) [1], componentes que resultan de fácil implementación y bajo costo comparados con los tradicionales, para aplicaciones similares. La excelente performance exhibida por estos materiales ha promovido la motivación por comprender con mayor detalle las propiedades mecánicas asociadas a las características estructurales de los microhilos de óxido de zinc, para otras potenciales aplicaciones.En virtud de estos antecedentes, en este trabajo se presentan resultados sobre el comportamiento mecánico y la estructura cristalina de microhilos de ZnO, sintetizados por un simple proceso carbotérmico [2], que tiene en cuenta la baja temperatura de fusión del Zn (~419 oC) y el alto punto de fusión del ZnO (1975 oC). La síntesis se realizó en un tubo de cuarzo, a 1150 oC y en atmósfera de aire, utilizando como precursora una pastilla compactada de ZnO y grafito (con una relación de masas 1:1). Este método se basa en las siguientes reacciones:2ZnO (s) + C (s) → 2Zn (g) + CO2 (g) , 2Zn (g) + O2 (g) → 2ZnO (s).En la Figura 1 se muestra una imagen de los hilos de ZnO luego de su síntesis, donde se los puede observar organizados en arreglos de distintas longitudes, superpuestos entre sí, formando una varilla de diámetro milimétrico.De los hilos obtenidos, que tienen diámetros del orden de los 15 micrómetros, y longitudes de hasta varios milímetros, se seleccionó un grupo para este estudio. Los hilos fueron adheridos a un sustrato de SiN/Si utilizando un barniz adecuado para fijarlos en un solo extremo, dejando libre el otro. La caracterización estructural se realizó usando microscopía confocal, de barrido, espectroscopía Raman y difracción de rayos X. Por otra parte, se usó microscopía de fuerzas atómicas (en modo intermitente y en aire) para caracterizar la topografía de los hilos. En los espectros Raman, medidos en distintos puntos del microhilo adherido, se puede identificar la banda característica del material. En efecto, la banda ubicada alrededor de los 437 cm-1 es considerada la huella digital del ZnO y corresponde al modo E2 [3]. Asimismo, los cambios observados en dicha banda, sugieren que existiría una correlación entre la deflexión mecánica y la respuesta vibracional del microhilo.[1]Sun, X.; Azad, F.; Wang, S.; Zhao, L.; Su, S. (2018). Low-Cost Flexible ZnO Microwires Array Ultraviolet Photodetector Embedded in PAVL Substrate. Nanoscale Research Letters, 13 (1), 277:1-8. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2701-4.[2]Cao, B. Q.; Lorenz, M.; Brandt, M.; von Wenckstern, H.; Lenzner, J.; Biehne, G.; Grundmann, M. (2008). p‐type conducting ZnO: P microwires prepared by direct carbothermal growth. Phys. Status Solidi RRL 2 (1) 37-39.[3]Cuscó, R. et al., Temperature dependence of Raman scattering in ZnO. (2007). Phys. Rev. B 75, 165202, 1-11.