CRECIMIENTO, PROPIEDADES ESTRUCTURALES, TÉRMICAS Y ÓPTICAS DEL Ag(In0.6Ga0.4)5Te8
(Growth, structural, thermal and optical properties of Ag(In0.6Ga0.4)5Te8.)
Durán, Larissa
Laboratorio de Ciencia de Materiales, Departamento de Física. Facultad Experimental de Ciencias, Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela.
duranlarissa@hotmail.com
Castro, Jaime
Laboratorio de Ciencia de Materiales, Departamento de Física. Facultad Experimental de Ciencias, Universidad del Zulia. Maracaibo, Venezuela.
Jcastro@luz.edu.ve
RESUMEN
En el presente trabajo, el compuesto Ag(In0.6Ga0.4)5Te8 es obtenido por fusión directa de la mezcla estequiométrica de los elementos constituyentes. Los datos de difracción de rayos X en polvo, indexados con el programa TREOR 90, muestran un cristal de estructura tetragonal a temperatura ambiente, con parámetros de celda unidad de a=b= 6.1130 Å y c= 12.1736 Å. De acuerdo con las medidas de Análisis Térmico Diferencial (ATD), este cristal presenta dos picos bien definidos de calentamiento y enfriamiento que no coinciden con el comportamiento esperado para el sistema de aleaciones Ag(In1-xGax)5Te8. Se utilizaron medidas de Reflectividad para estimar los valores de la brecha de energía a temperatura ambiente, una directa y otra indirecta, con valores de 1.39 y 1.12 eV, respectivamente. La conductividad del Ag(In0.6Ga0.4)5Te8 resultó ser tipo p.
Palabras clave: Semiconductores de vacantes ordenadas, Brecha de energía, Reflectividad, Análisis Térmico Diferencial.
ABSTRACT
In the present work, the compound Ag(In0.6Ga0.4)5Te8 is obtained by direct fusion of the estoichiometric mixture of constituent elements. The data of the X-ray powder diffraction, indexed with the program TREOR 90, show a single-phase crystal with tetragonal structure at room temperature, with unit cell parameters of a=b= 6.1130 Å and c= 12.1736 Å. In accordance with Differential Thermal Analysis (DTA) measurements, this crystal show two well defined peaks of heating and cooling, that are in discordance with the Ag(In1-xGax)5Te8 systems expected behavior. Reflectivity measurements were used to obtain the energy band gaps at room temperature, one direct and another indirect, with 1.39 and 1.12 eV, respectively. The Ag(In0.6Ga0.4)5Te8 conductivity was measured and resulted p-type.
Key words: Ordered vacancies semiconductors, Energy band gap, Reflectivity, Differential Thermal Analysis.
INTRODUCCIÓN
El rendimiento académico de los estudiantes universitarios, según Guzmán (2012), constituye un factor imprescindible para valorar la eficacia de la educación superior; además es considerado el más claro indicador de la calidad educativa en la enseñanza universitaria. Tomando en cuenta la limitación de los recursos gubernamentales para la educación superior pública, se hace necesario realizar investigaciones sobre el desempeño estudiantil, las cuales informaran sobre la realidad estudiantil, representando un insumo valioso en la toma de decisiones para las instituciones universitarias y, para el Estado, un indicador de inversión.
Las medidas de materiales basados en plata, teniendo una gran concentración de plata (alrededor de 24%), muestran que estos compuestos son altamente sensibles al estrés óptico y térmico, además podrían ser útiles para aplicaciones con dispositivos ópticos electrónicos y celdas solares [1].
Hasta ahora, la información del diagrama de fases del sistema Ag2Te-Ga2Te3 ha estado limitada, aunque Palatnik et al [2] han reportado la existencia de AgGa5Te8 y soluciones sólidas en la vecindad de Ga2Te3.
Estudios similares se han realizado, siendo reportada la existencia de Ag9GaTe6 y otras fases no estequiométricas en el sistema Ag2Te-Ga2Te3 [3]. Julien, C. et al [4] han reportado propiedades ópticas y eléctricas del AgGaTe2 y AgGa5Te8. Sin embargo, hay muy poca información al respecto debido a la dificultad en el crecimiento de cristales de buena calidad.
Con respecto al diagrama de fases del sistema Ag2Te-In2Te3, éste ha sido descrito por varios autores [1,5,6,7], mostrando la existencia de al menos seis diferentes fases intermedias en el extremo rico en indio del sistema pseudo binario mencionado. Sin embargo, sólo los compuestos AgInTe2, Ag3In97Te147 y AgIn5Te8 han sido confirmados por más de un autor.
En el presente trabajo se reportan las propiedades de una solución sólida de Ag(In0.6Ga0.4)5Te8 de los extremos del AgGa5Te8 y AgIn5Te8, realizando un conjunto completo de medidas, todas sobre muestras provenientes de un mismo lingote obtenido por una técnica sencilla de crecimiento.
Detalles Experimentales
El compuesto ternario Ag(In0.6Ga0.4)5Te8 fue preparado por fusión directa de la mezcla estequiométrica de los elementos constituyentes con un grado de pureza de 5N, en ampolla de cuarzo evacuada (≈10-6 torr). La cápsula fue previamente recubierta de grafito por medio de pirolisis con acetona, para prevenir la adhesión del lingote a la cápsula [8].
Para minimizar el riesgo de explosión debido a las reacciones exotérmicas entre los elementos del grupo III y el teluro, la cápsula fue lentamente calentada desde algunos grados por debajo del punto de fusión del teluro. La temperatura alcanzada fue de 1050 ◦C en un horno vertical de una sola zona de temperatura constante.
Manteniendo esta temperatura por 24 h, fue agitada la cápsula para que los elementos ya fundidos se mezclaran adecuadamente. Finalmente se enfrió el horno hasta 600 ◦C a 5 ◦C/h, realizando recocido térmico a esta temperatura por 3 días y dejándolo enfriar por inercia.
La medida de la difracción de rayos x en polvo fue realizada usando un difractómetro Siemens D5005 con el ánodo de cobre (α2/α1=0.5) y geometría de Bragg-Brentano. El patrón de difracción fue obtenido para 5◦≤2θ≤100◦ con un paso de 40.0 s y un paso angular de 0.02◦.
Para la determinación de posibles transiciones de fase y el punto de fusión del compuesto estudiado se realizó el Análisis Térmico Diferencial, utilizando un equipo Shimadzu DTA-50 y polvo de alúmina (α-Al2O3) como material de referencia inerte. La muestra fue previamente encapsulada al vacío para evitar la pérdida de material a altas temperaturas.
La Tramitancia fue medida a temperatura ambiente e incidencia normal, usando un espectrofotómetro de fibra óptica Ocean Optics modelo SD2000. Para esto, la muestra fue reducida a un espesor de 45μm y pulida a calidad óptica con polvo de alúmina de 1, 0.3 y 0.05 μm, sucesivamente.
Las medidas de Reflectividad a temperatura ambiente se realizaron con el espectrofotómetro ya descrito, utilizando una esfera integradora. Se tomó un trozo del cristal cortado del lingote, puliéndose a calidad óptica una cara de un paralelepípedo de aproximadamente 4 mm2 de superficie y 1mm de espesor. Los valores de Transmisión y Reflectividad fueron utilizados para calcular las brechas de energías de la muestra.
Resultados experimentales y discusión
El patrón de difracción para Ag(In0.6Ga0.4)5Te8 es mostrado en la figura 1. Se observa una única fase con estructura tetragonal, coincidiendo con la estructura reportada para los extremos [1,4,6,7,9,10].
El programa computacional Treor 90 fue utilizado para indexar la posición de los picos registrados en el patrón de difracción, así como evaluar los parámetros de la celda unidad a=b y c y los índices de Miller (hkl), que son mostrados en la Tabla 1.
Los parámetros de red están en buen acuerdo con el comportamiento esperado al sustituir Galio por Indio en la proporción seleccionada, es decir, se encuentra entre los valores obtenidos para el AgGa5Te8 y AgIn5Te8 [1,3,9].
El valor de las temperaturas de transición de fase para el compuesto se determinó por el criterio del onset extrapolado de la temperatura [11]. Se obtuvo una temperatura por cada velocidad de calentamiento y enfriamiento (10, 15 y 20 ◦C/min), el valor final de la temperatura asociada a la transición, resultó de extrapolar a 0 ◦C/min las temperaturas obtenidas a distintas velocidades de calentamiento.
La figura 2 muestra, a modo de ejemplo, el termograma del compuesto Ag(In0.6Ga0.4)5Te8, tanto en calentamiento como en enfriamiento a 20 ◦C/min. Se pueden observar dos picos bien definidos que no coinciden con el comportamiento esperado para una solución sólida intermedia de los extremos AgGa5Te8 y AgIn5Te8, a los cuales les ha sido reportadas una sola fase que se corresponde con el punto de fusión de estas aleaciones [1,3,5,6,10].
De la figura 3 se puede observar que de las temperaturas extrapoladas, la primera se corresponde a una transición sólido-sólido, producto de una ligera desviación de la composición, y el segundo pico se corresponde con el punto de fusión del compuesto, encontrándose dentro de los parámetros esperados con respecto a los extremos, cuyos puntos de fusión se corresponden con 750 ◦C y 700 ◦C para AgGa5Te8 y AgIn5Te8, respectivamente [1,3,5,6,10].
La Figura 4 muestra la Tramitancia versus la energía (hν) del Ag(In0.6Ga0.4)5Te8, donde se pueden observar dos transiciones ópticas: una alrededor de 1.3 eV, y otra alrededor de 1.1 eV. Sin embargo, el porcentaje de transmisión fue muy bajo, aproximadamente 1 %, por estar los valores de la brecha de energía muy cercanos al límite del detector y ser un material muy absorbente, dificultando la determinación del gap por medidas de absorción.
La Reflectividad de un compuesto es importante pues permite obtener la brecha de energía y las características de la electrónica [12,13,14,15]. A la Reflectividad medida en este trabajo se le aplicó el modelo propuesto por Díaz et al [15] para obtener las brechas de energía del compuesto en materiales con poca transmisión.
La figura 5 y 6 muestran los ajustes que se hicieron con las siguientes ecuaciones para obtener la brecha directa e indirecta, respectivamente:
Donde Ao= (n-1)2/(n+1)2 y Eg=A2’/A1’, siendo n la parte real del índice de refracción.
Donde Ao=(n-1)2/(n+1)2 y B’ = (B2c2h2)/[16π2(n+1)2].
CONCLUSIONES
Se obtuvo un lingote de buena calidad del compuesto Ag(In0.6Ga0.4)5Te8 por el método de fusión directa de cantidades estequiométricas de los elementos constituyentes. Los resultados de difracción de rayos X en polvo mostraron que a temperatura ambiente la muestra presenta una sola fase policristalina con estructura tetragonal.
Los parámetros que definen la celda unitaria, a=b y c, se determinaron indexando el patrón de difracción con el programa computacional Treor 90, y están de acuerdo al comportamiento esperado para una solución sólida intermedia de los extremos AgGa5Te8 y AgIn5Te8.
A partir del análisis térmico diferencial se encontró que el punto de fusión está alrededor de 701◦C, lo cual muestra que se encuentra dentro de los puntos de fusión reportado para los extremos; y aparece una transición de fase adicional que se corresponde con una transición sólido-sólido causada por una ligera desviación de la composición.
Con la medida de Tramitancia se pudo observar la presencia de dos transiciones ópticas que se corresponden con las brechas de energía directa e indirecta, a pesar de presentar un bajo porcentaje de transmisión.
Se determinaron los valores de los gaps de energía por medio de medidas de Reflectividad. Estos resultados coinciden con los valores esperados para una solución sólida intermedia de AgGa5Te8 y AgIn5Te8.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Apéndice
Figura 1.
Reflectividad versus hν para Ag(In0.6Ga0.4)5Te8.
Figura 2.
Termograma de Ag(In0.6Ga0.4)5Te8 en calentamiento a 20 ◦C/mi
Figura 3.
Extrapolación a 0 ºC/min de las temperaturas de transición de fase medidas al Ag(In0.6Ga0.4)5Te8, a distintas velocidades de calentamiento y enfriamiento.
Figura 4.
Tramitancia versus energía de Ag(In0.6Ga0.4)5Te8.
Figura 5.
Reflectividad versus 1/hν para Ag(In0.6Ga0.4)5Te8.
Figura 6.
Reflectividad versus hν para Ag(In0.6Ga0.4)5Te8.
Tabla1.
Datos cristalinos y de difracción de rayos x en polvo obtenidos para Ag(In0.6Ga0.4)5Te8..
H K L |
SST-OBS |
SST-CALC |
DELTA |
2TH-OBS |
2TH-CALC |
D-OBS |
1 0 1 |
0.019883 |
0.019882 |
0.000001 |
16.212 |
16.212 |
5.4628 |
1 1 0 |
0.031756 |
0.031757 |
0 |
20.53 |
20.53 |
4.3226 |
1 0 2 |
|
0.031894 |
|
|
20.575 |
|
1 1 2 |
0.047779 |
0.047772 |
0.000007 |
25.252 |
25.25 |
3.5241 |
1 0 3 |
0.051749 |
0.051913 |
0.000163 |
26.298 |
26.34 |
3.3862 |
2 0 0 |
0.063512 |
0.063514 |
0.000002 |
29.194 |
29.194 |
3.0566 |
2 1 0 |
|
0.079392 |
|
|
32.731 |
|
2 0 2 |
0.079533 |
0.079529 |
0.000004 |
32.761 |
32.76 |
2.7314 |
2 1 1 |
0.083439 |
0.083396 |
0.000042 |
33.579 |
33.57 |
2.6667 |
2 1 2 |
0.095411 |
0.095408 |
0.000003 |
35.984 |
35.984 |
2.4938 |
2 1 3 |
0.115441 |
0.115427 |
0.000014 |
39.725 |
39.723 |
2.2672 |
2 2 0 |
0.127026 |
0.127028 |
0.000001 |
41.759 |
41.76 |
2.1613 |
3 0 1 |
0.14691 |
0.14691 |
0 |
45.075 |
45.075 |
2.0097 |
3 1 2 |
0.174799 |
0.1748 |
0.000001 |
49.428 |
49.428 |
1.8424 |
2 2 4 |
0.191115 |
0.191089 |
0.000026 |
51.847 |
51.843 |
1.762 |
3 1 4 |
0.222873 |
0.222846 |
0.000027 |
56.341 |
56.337 |
1.6317 |
3 2 3 |
0.242461 |
0.242454 |
0.000007 |
58.997 |
58.996 |
1.5644 |
4 0 0 |
0.254046 |
0.2555 |
0.000009 |
60.534 |
60.535 |
1.5283 |
4 1 0 |
|
0.269934 |
|
|
62.604 |
|
4 0 2 |
0.270056 |
0.270071 |
0.000015 |
62.62 |
62.622 |
1.4823 |
4 1 1 |
0.273931 |
0.273938 |
0.000007 |
63.119 |
63.12 |
1.4718 |
3 3 2 |
0.301823 |
0.301828 |
0.000005 |
66.65 |
66.65 |
1.4021 |
4 1 3 |
0.305981 |
0.305968 |
0.000013 |
67.168 |
67.166 |
1.3926 |
4 2 4 |
0.38165 |
0.38163 |
0.00002 |
76.308 |
76.306 |
1.2469 |
5 0 1 |
0.400961 |
0.400965 |
0.000004 |
78.575 |
78.576 |
1.2165 |
5 1 2 |
0.428852 |
0.428855 |
0.000003 |
81.819 |
81.82 |
1.1763 |
5 2 1 |
0.464469 |
0.464479 |
0.00001 |
85.925 |
85.926 |
1.1303 |
5 2 3 |
0.49651 |
0.49651 |
0 |
89.6 |
89.6 |
1.0932 |
4 4 0 |
0.508103 |
0.508111 |
0.000008 |
90.929 |
90.929 |
1.0806 |
5 3 2 |
0.555878 |
0.555883 |
0.000006 |
96.416 |
96.417 |
1.0332 |
- = 6.113018 0.000100 Å ALFA = 90.000000 0.000000 DEG
- = 6.113018 0.000100 Å BETA = 90.000000 0.000000 DEG
- = 12.173699 0.001904 Å GAMMA = 90.000000 0.000000 DEG
UNIT CELL VOLUME = 454.92 Å3
NUMBER OF OBS. LINES = 27
NUMBER OF CALC. LINES = 30
F 20 = 70.(0.003651, 79)
M( 27)= 111 114 AV.EPS.= 0.0000148
F 27 = 56.(0.002924, 165)
M CF. J.APPL.CRYST. 1(1968)108
F CF. J.APPL.CRYST. 12(1979)60
0 LINES ARE UNINDEXED
M-TEST= 111 UNINDEXED IN THE TEST= 0