Reporte audiovisual de la fabricación del semiconductor CdS

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@iamphysical


Ya lo he reportado en la comunidad científica desde hace 2 años, la síntesis y caracterización del semiconductor binario CdS y su importante participación en la fabricación de dispositivos optoelectrónicos, como fotoresistencias o celdas solares. En este artículo voy a presentar una memoria audiovisual para mostrarles algunos detalles de los cristales de CdS depositados sobre sustratos de vidrio con las técnicas de Baño Químico y Recubrimiento por Centrifugación.
### Introducción ####
La técnica de Deposición por Baño Químico (Chemical Bath Deposition technique) es un proceso químico que permite la liberación de los iones metálicos de Cadmio Cd2+ y Azufre S2- cuando actúa el Hidróxido de Amonio como *agente complejante*. En las experiencias que he realizado en el Laboratorio de Nanosíntesis (aproximadamente 200 ensayos) es importante controlar el tiempo y temperatura de deposición, pH de la solución, concentración de los reactivos y las proporciones en que se mezclan para formar el Sulfuro de Cadmio.



Recordemos que la metodología abarca al menos 4 o 5 etapas para obtener una película delgada de CdS de alta calidad cristalina: 1. Incubación: preparación líquida de la fuente de Cd y el complejante para la disociación de iones, también se procura dar tiempo necesario para estabilizar la temperatura a la cual se realizarán las otras etapas. En el siguiente video puedes observar este primer paso en desarrollo. 2. Nucleación: luego de agregar la fuente de Azufre, se comienzan a activar los procesos para la adherencia de los iones de Cd y S o las moléculas de CdS sobre el sustrato de vidrio y también en las paredes del vaso de precipitados. También incluyo un video para ver con detalle este proceso y el siguiente. 3. Deposición: la película de CdS puede ir creciendo a medida que los iones de Cd y S se vayan conglomerando sobre el sustrato mediante los procesos de difusión, nucleación de esos iones, mientras que las fuerzas de Van der Waals hacen el trabajo de unirlos para el crecimiento de los cristales de CdS. 4. Decantación de cristales de CdS hacia el fondo del beaker. 5. Finalización: por supuesto, si se agota la fuente de Cd, S o ambos iones, pues inevitablemente culmina la etapa de crecimiento y esto va ligado a la concentración de los reactivos que hemos utilizado.
etapas de nucleación, adherencia, deposición y crecimiento de los cristales de CdS sobre el sustrato de vidrio ocurren en un tiempo determinado por experimentos anteriores y varía desde 5 minutos hasta 45 minutos para darle el tiempo necesario para el "consumo" de los reactivos iniciales, según la concentración aplicada. Este último punto nos trae como consecuencia la sobresaturación de la solución de deposición y la mayor decantación de cristales de CdS que se forman en agregados y se precipitarán.

El control del pH entre 10,5 y 12,5 se logra al usar el Hidróxido de Potasio KOH y que sirve para disociar los iones de S, complejar los iones de Cd y facilitar la nucleación del CdS sobre el sustrato de vidrio



La coloración naranja es la más ajustada a lo reportado por otros grupos de investigación y que correspondería al CdS, pero también es importante señalar que las variaciones desde el amarillo claro hasta el naranja oscuro tiene cierta relación con el espesor de las películas delgadas de CdS, por lo que también deberíamos esperar una pequeña diferencia en los valores de la brecha de energía de estas muestras.
A simple vista podemos observar una película homogénea que cubre completamente el sustrato de vidrio, pero en muchas otras ocasiones no sucede tal como lo esperamos, así que en esta sección les presento 2 videos y un gif con algunas fotografías tomadas con una cámara adaptada a un microscopio óptico común, con magnificaciones de 10x, 40x y 100x. Se observan algunos cristales de CdS sobre los sustratos de vidrio con diferentes tamaños de granos y con diferentes morfologías que están relacionadas a las variaciones en los parámetros de síntesis iniciales y que he indicado al inicio de esta publicación.

Espero que esta memoria histórica que aglomera varias de las experiencias de laboratorio puedan servir de referencia a otros investigadores que realizan trabajos similares. Con dedicación y esmero he podido hacer estos ensayos con la finalidad de encontrar las condiciones óptimas de fabricación de capas delgadas que aumenten la eficiencia de conversión de energía en prototipos de celdas solares y con procedimientos que tiendan a disminuir los costos de producción de los mismos dispositivos.
### Referencias [1] [Chemical Bath Deposition of CdS and PbS](https://www.researchgate.net/publication/335106930_Chemical_Bath_Deposition_CBD_Technique_focused_to_CdS_PbS_Thin_Films) [2] [Deposición de películas delgadas a bajas temperaturas](https://www.hindawi.com/journals/ijp/2018/4549154/) [3] [Méodos y técnicas de fabricación de películas delgadas](https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/spin-coating#:~:text=Spin%20coating%20technique%20is%20used,and%20leaving%20a%20uniform%20layer.) [4] [Películas delgadas de CdTe/CdS/ITO](https://cimav.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1004/9) [5] [Síntesis de películas delgadas de Sulfuro de Cadmio](http://www.repositorioinstitucional.uson.mx/handle/unison/302)

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Saludos Dr. Giovani @iamphysical, detrás de cada ensayo se nota la experiencia, vivencia, y el dominio en torno a las técnicas de fabricación de semiconductores, un reporte audiovisual de utilidad teórica y procedimental.

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