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Nanostructured ZnO films obtained by Electrophoretic Deposition of tailored ZnO nanoparticles

 

María Verde Lozano
Universidad Autónoma de Madrid, 17 Junio 2013

 

Directores:
Dr. Amador Caballero Cuesta

Dra. Begoña Ferrari Fernández


Los materiales basados en ZnO y en particular las láminas de ZnO con morfología controlada han sido objeto en los últimos años de numerosas investigaciones. El renovado interés por las láminas de ZnO surge por la gran variedad de aplicaciones tanto potenciales como actuales que presentan, entre las que destacan como conductor transparente sustituto del ITO, en aplicaciones para células solares de última generación o como generadores piezoeléctricos a escala submicrónica para dispositivos electrónicos. Así mismo, las características de estos materiales vienen definidas tanto por el método de conformado como por las características del propio ZnO, que a su vez dependen del método de síntesis empleado: el ZnO presenta hábitos de crecimiento cristalino diferenciados que dan lugar a una multitud de morfologías con diferentes ratios superficie/volumen y que a su vez modifican las propiedades del material. Por esta razón el uso de distintos métodos de síntesis enfocados en la obtención de partículas de ZnO con morfologías concretas es uno de los puntos que más interés recaba actualmente. Por otra parte, la mayor parte de los métodos empleados habitualmente para la obtención de láminas de ZnO con morfologías controladas consisten en técnicas evaporativas (por ejemplo PVD, CVD, MOCVD, PLD, etc.), con un alto coste, tanto energético como económico y una complicada escalabilidad.

Así pues, teniendo en consideración el estado del arte, la presente tesis se plantea como una aproximación a la obtención de capas o láminas de ZnO con morfología controlada mediante el uso de una técnica sostenible, de bajo coste y con elevado potencial de escalado como es la deposición electroforética (EPD). Con este fin, en esta tesis se propusieron tres objetivos principales: la síntesis de nanopartículas de ZnO con morfología controlada mediante un método sostenible en medio acuoso, el conformado de dichas partículas en láminas orientadas mediante EPD y el crecimiento de láminas de ZnO con morfología controlada mediante diversas aproximaciones.

Para la consecución del primer objetivo se empleó como método de síntesis la precipitación directa a partir de suspensiones acuosas de acetato de zinc. De esta forma se obtuvieron distintos polvos con morfologías y tamaños controlados (< 100 nm) mediante un cuidadoso control de las etapas de lavado y secado. Este proceso demostró ser igualmente útil para la obtención de materiales dopados con Co2+, verificando la incorporación del cobalto en la red de la wurtzita y obteniéndose partículas de tamaño nanométrico (< 10 nm).

El uso de suspensiones estables es un requisito necesario para el objetivo de conformado mediante EPD. Por tanto, la estabilización coloidal en medio acuoso de los distintos polvos se llevó a cabo mediante el uso de un polielectrolito catiónico (polietilenimina, PEI) de gran peso molecular, con el fin de incrementar el rango de pH de trabajo (limitado por factores tanto químicos como coloidales) y facilitar su deposición catódica. Se postuló la formación de una estructura polielectrolito-nanopartícula en forma de medusa que dirigiría la orientación de las partículas durante la electroforesis y junto la hidrodinámica, favorecería la orientación de las partículas durante la deposición. De esta forma se obtuvieron láminas transparentes y flexibles de ZnO con espesores en el entorno de los ~ 50 nm y densidades de empaquetamiento cercanas al 100 %. Se determinó que la naturaleza del electrodo, en concreto su rugosidad, tiene una elevada influencia en el rendimiento de la deposición, puesto que afecta al área de conducción real. La delgadez de dichas láminas hizo necesario la optimización de métodos indirectos para la caracterización de la masa depositada, usándose la espectroscopía ultravioleta-visible y la elipsometría para su estimación.

Finalmente, se estudió el uso de la EPD pulsada, la EPD en medios no acuosos y el crecimiento hidrotermal con el fin de obtener láminas de ZnO de mayor grosor y morfología controlada.

Tribunal:

Dr. Vicente Fernández, Universidad Autónoma de Madrid.

Dra. Yolanda Castro, Instituto de Cerámica y Vidrio, CSIC.

Dra. Carmen Galassi, Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici-CNR, Italia.

Dra. Darja Lisjak, Jozef Stefan Institute, Eslovenia

Dr. Marco Peiteado, Universidad Politécnica de Madrid.