El análisis de los patrones de difracción de rayos X en semiconductores

in #stem-espanol2 months ago

Los "difractogramas"

Giovanni Marín
21/06/2022

Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol

El análisis del patrón de difracción de los rayos X en muestras de semiconductores, ha sido una herramienta científica que nos proporciona la identificación inequívoca del material, es su huella dactilar obtenida del ordenamiento interno de los átomos que configuran su estructura cristalina de una forma única y particular.

Patrón de difracción de rayos X y equipo Bruker D8

En el campo de las Ciencias de los Materiales es una materia obligada el estudio de la estructura cristalina de los materiales sólidos que presentan un ordenamiento sistemático de los átomos que conforman el cristal. Se hace referencia también a las moléculas y al empaquetamiento que generan sus enlaces, así que en este artículo me referiré solamente a los materiales semiconductores en su estado cristalino para no extenderme en las explicaciones de un curso de Física del Estado Sólido.

Esta captura de pantalla corresponde a la representación gráfica de un patrón de difracción y que muchos físicos y químicos dedicados a la Cristalografía nos hemos empeñado en llamar DIFRACTOGRAMA. La mayoría de los datos vienen en estructura de programación X-Y, por lo que es muy común trabajar en las extensiones .TXT y .DAT, si se desea hacer un análisis más riguroso se requiere usar los datos originales en .RAW

El difractograma corresponde a una muestra de CuInTe2 etiquetada como CIT:550. En el eje X se representan los grados en 2θ y en el eje Y las cuentas o intensidad de los picos de difracción. En este artículo he usado el programa Crystallographica Search-Match para la identificación de la muestra estudiada, el cual realiza una búsqueda y comparación de la ubicación de los picos en 2θ con los que tiene guardados en su base de datos y posteriormente propone los candidatos para su posible identificación del material.

Las primeras opciones son las que tienen un mayor porcentaje de coincidencia con los picos de difracción. El porcentaje indicado puede ser el 100% para muestras muy cristalinas, sin fases secundarias o que el patrón de difracción de la base de datos sea el de mayor calidad cristalográfica. También existen varios patrones de difracción en la base de datos para un compuesto, por lo que queda a discreción y experiencia del analista cristalográfico en determinar los elementos constituyentes y la fórmula química de la muestra analizada. Un tips que nos puede ayudar, en las pestañas del borde superior existe una llamada Card Retrieval, la cual nos reduce el número de candidatos a los más posibles compuestos semiconductores.

Identificación del material semiconductor

Los resultados previos del análisis cualitativo y cuantitativo obtenidos con el Microscopio Electrónico de Barrido y la Espectrometría por Dispersión de Energías de Rayos X (EDX acoplado al SEM), corroboran la existencia de Cobre, Indio y Telurio en el material CuInTe2 CIT:500, así que este dato adicional me facilita la selección de los candidatos reducidos en la Tarjeta de Recuperación.

Como no estamos descubriendo un nuevo material, solamente realizamos un barrido en 2theta hasta los 70º, mientras que para el análisis estructural de nuevos materiales se debe realizar la toma de datos con mayor tiempo de adquisición, menor paso y llegar hasta 120º si es posible. Voy a presentar el patrón de difracción de la base de datos: PDF Nº 34-1498 Copper Indium Telluride Cu In Te2, que reproduce "casi a la perfección" el difractograma obtenido de mi muestra de semiconductor CIT:550

Si comparo con los 6 PDF que están incorporados en la base de datos, 3 de ellos concuerdan muy bien, mientras los otros 3 tienen un pequeño desplazamiento en los valores de 2theta y la intensidad de los picos de difracción son desiguales. Por otro lado, si alguna persona con mayor curiosidad científica analiza las otras composiciones podría afirmar que la tarjeta PDF Nº 51-804 Cu3 In5 Te9, presenta los mismos picos de mayor intensidad en ambos patrones y se esperaría que el material estudiado fuese Cu3In5Te9

Pudiera ir por buen camino, pero debería explicar el origen de los picos de difracción adicionales que se observan aquí, tal vez asociarlas al de una fase secundaria o una aleación binaria entre algunos de los elementos constituyentes: Cu-In, Cu-Te, In-Te

Nuevamente es importante la integración de todas las técnicas de caracterización disponibles, así que el análisis cuantitativo del EDX-SEM no libra de este problema al disponer de las siguientes proporciones atómicas: Cu = 26,26; In = 23,60 y Te = 50,14 que corresponden a la relación estequiométrica 1:1:2 y no a la del 3:5:9

Otro observador más osado se atrevería a señalar que el patrón de difracción signado como PDF Nº 24-362 CuIn5Te8 puede ser un candidato aceptable, pero podemos ver que existe un corrimiento hacia valores mayores de 2θ, lo que precisamente se explica con la definición de los Compuestos con Vacancias Ordenadas y la repetición de "n" unidades estructurales del CuInTe2 en la formación del CuIn5Te8.

Aportes de esta publicación.

Cuando vamos a realizar un trámite personal de importancia, lo primero que nos solicitan es nuestra cédula de identidad como documento de identificación, pero para cuestiones de mayor seguridad siempre se recurre a la huella dactilar, allí sí que no hay dudas sobre la autenticidad de la persona que realiza el trámite. Algo similar ocurre con el estudio de materiales, en la caracterización de los semiconductores de vieja data, así como los nuevos materiales, siempre se requiere validar la "identidad" del material bajo estudio y se recurre a la Difracción de Rayos X como herramienta complementaria en la identificación del elemento sólido y cristalino que disponemos para su posible aplicación en la fabricación de dispositivos optoelectrónicos.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

Microanálisis por dispersión de energías de rayos X (XEDS)

Estructura de los Materiales y Difracción de Rayos X
Estructura cristalina del cobre
Determinación de las estructuras cristalinas
Análisis de difracción de rayos X

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