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Resumen
El presente documento recopila la información teórica y experimental sobre el material oxicarbonitruro de silicio y un novedoso método de síntesis por electrólisis. Se propone el uso de un precursor carbonado para depositar una película de SiOxCyNz sobre un sustrato de silicio cristalino, las reacciones que se llevan a cabo durante el proceso y el tratamiento térmico aplicado dan lugar a un material que presenta fotoluminiscencia verde asociado a defectos presentes en el mismo.
Palabras clave: Oxicarbonitruro de silicio, electrólisis, fotoluminiscencia.
Los semiconductores son materiales que presentan propiedades físicas peculiares y una conductividad media entre los conductores y los aislantes, que varía en función de la temperatura. El silicio es un material abundante en la corteza terrestre (aproximadamente 20%) que se encuentra en su mayoría como dióxido de silicio (SiO2) y silicatos, además es un semiconductor que es la base de la microelectrónica y es utilizado en diversos procesos industriales. Además, es un material de referencia en uso como electrodo en baterías elaboradas con base a litio con una capacidad teórica de 3579 mA.h-g-1 (Chen et al., 2025), que presenta cambios en su estructura (fractura) cuando se manipula en los procesos con litio. El silicio reacciona fácilmente con el oxígeno formando una delgada capa de SiOx que permite controlar la expansión del volumen, pero limita la conductividad, por lo que una alternativa es combinarlo con carbono, ya que este participa en la mejora de la conductividad eléctrica (Cui et al., 2022d).
Aquellos materiales con base a silicio, oxígeno y carbono son llamados oxicarburos de silicio (SiOxCy) y presentan aplicaciones en diodos emisores de luz blanca, capas dieléctricas, almacenamiento de hidrogeno y sensores de gas, (Hansda et al., 2024) (Meneses et al., 2024); este material resulta de la incorporación de carbono en la estructura de la red de silicio y sus propiedades pueden ser diseñadas y ajustadas variando la composición de los precursores y condiciones de procesamiento. Entre sus propiedades fisicoquímicas resalta una elevada estabilidad térmica, así como estabilidad en ambientes oxidantes o corrosivos y absorción de ondas electromagnéticas (Zhang B. et al., 2024)
Los métodos de síntesis más comunes para este material incluyen depósito químico en fase vapor (CVD) (Cui et al., 2022b), pirólisis (Chandra et al., 2019), depósito químico en fase vapor por plasma (PECVD) (Jin S.B. et al., 2013); (Socha et al., 2002), entre otros; estos equipos requieren aparatos sofisticados, precursores costosos y ambientes extremos, y los vuelve poco accesibles para un amplio estudio, afectando también a nivel industrial. En la literatura no se reporta un método de síntesis mediante electrólisis, lo que representa una oportunidad para desarrollar; este proceso consiste en aplicar energía externa a un sistema para llevar a cabo una reacción que de otro modo no podría darse, eso es, una reacción no espontánea. La corriente suministrada viaja a través de los electrodos y la solución, la energía disocia el precursor carbonado en iones positivos y negativos lo que permite la incorporación de los átomos al sustrato de silicio.
En el proceso de obtención se utilizó una celda en donde se coloca el sustrato de silicio cristalino (tipo p y resistividad 0.25 – 0.6 ohm-cm) en contacto con una lámina de aluminio, además de una solución precursora de carbono-nitrógeno y se cierra el circuito con un alambre de tungsteno, este sistema se conecta a una fuente de poder que suministrará una corriente por un determinado tiempo y finalmente se aplica tratamiento térmico a una temperatura de 900 °C, para el reacomodo de los átomos en la muestra, que da lugar a una preferente estructura cristalina del sistema. Este material presenta la combinación de tres sistemas óxido de silicio (SiOx), carburo de silicio (SiC) y nitruro de silicio (Si3N4), materiales que presentan una alta resistencia química y una potencial aplicación como barrera a la corrosión. La ilustración 1 presenta una micrografía obtenida mediante microscopia electrónica de barrido de SiOxCyNz/Si a una amplificación de 200x, en donde se observan formaciones tipo hojuela con un diámetro aproximado de 100 𝜇m y el análisis elemental indica la presencia de átomos de silicio, oxígeno, nitrógeno y carbono.
El estudio de la fotoluminiscencia es una propiedad de los materiales semiconductores que consiste en absorber energía y lograr un estado excitado el cual no es posible mantener, por lo que realiza una transición a un estado de menor energía y se emite radiación electromagnética, es decir, regresa a su estado fundamental liberando energía mediante la emisión de fotones. Se reporta la fotoluminiscencia blanca en muestras de SiOxCy que presentan enlaces con átomos de hidrógeno, así como también asociados a diferentes tipos de defectos presentes en el material como centros de deficiencia de oxígeno enlazado a silicio (O3≡Si….Si≡O3) (Si-ODSs), vacancias de oxígeno enlazado a átomos de silicio (Si-NOVs), vacancias de oxígeno enlazados con átomos de carbono (C-NOVs) y centros de huecos en átomos de oxígeno (NBOHCS) (≡Si-O∙) (Meneses et al., 2024), además la contribución de enlaces silicio-nitrógeno. La combinación de estos defectos da lugar a una emisión característica en un rango de longitud de onda determinada, la respuesta fotoluminiscente de este material (Ilustración 2) presenta una banda ancha de emisión de 450 a 600 nm centrada en 500 nm que corresponde a longitud de onda en la región visible y es asociada a centros de deficiencia de oxígeno enlazado a silicio.
El sistema de color CIE (Color calculator 7.59, OSRAM) modela la visión del color a partir de los datos obtenidos de fotoluminiscencia, con un diagrama de cromaticidad que muestra los límites de la percepción del color usando el parámetro de brillo (Y) que es una medida de la intensidad de la luz (luminancia) y las coordenadas de cromaticidad (x,y), enfocada a la sensibilidad normal del ojo humano. La ilustración 3 es el diagrama de color CIE, con un punto indicado en color negro de coordenadas aproximadas en (0.28, 0.43) que muestra de manera aproximada la emisión del material.
La investigación enfocada a la síntesis de materiales es una constante búsqueda debido a que cada parámetro de control durante el proceso agrega características novedosas a los materiales y de interés para la industria; se obtuvo el material SiOxCyNz/Si mediante un proceso de electrólisis y un tratamiento térmico; el proceso de electrólisis se realizó a temperatura ambiente con precursores que no representan un peligro derivado a residuos tóxicos. Una propuesta de aplicación de este material es para elaboración de leds y como absorbente de ondas electromagnéticas (EMW) aplicados en entornos adversos. En este método de síntesis se pueden agregar moléculas orgánicas para diseñar materiales específicos; lo que representa una alternativa accesible en equipo y precursores.
A Dr. N. Rutilo Silva González (IFUAP) por su apoyo en la caracterización de microscopia electrónica de barrido (SEM) realizada al material.
A Dr. J. Miguel Gracia Y Jiménez (IFUAP) por su apoyo en la caracterización de fotoluminiscencia realizada al material.
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