Responsable: LUIS ESCOBAR ALARCON

Objetivos:

Preparar y caracterizar películas delgadas de materiales multicomponente tales como: TiSiN, TiAlN, Co:TiO2, Bi:FeO (BiFeO3), utilizando la configuración de depósito reactivo por laser pulsado de haces cruzados (RCBPLD por sus siglas en inglés) y estudiar la relación entre las propiedades de los depósitos, con los parámetros del plasma utilizado para su formación.

Antecedentes:

La técnica de ablación láser, también conocida como PLD (Pulsed Laser Deposition), se ha convertido en una técnica muy atractiva para la formación de películas delgadas de alta calidad con propiedades nuevas o mejoradas y ha sido utilizada en los últimos años para preparar películas delgadas de una amplia variedad de materiales, desde metales hasta óxidos complejos. La técnica consiste esencialmente en producir un plasma utilizando radiación láser de alta potencia, la cual al ser enfocada sobre un material sólido (el blanco) durante períodos de tiempo cortos (típicamente algunos nanosegundos) permite que inicialmente se funda la superficie del blanco, luego se vaporiza y finalmente el gas se ioniza para producir una mezcla de iones y electrones, resultando un plasma. Una de las ventajas del uso de plasmas con especies de alta energía cinética, es que permite la obtención de películas delgadas de alta densidad y buena adherencia al substrato, adicionalmente, permite crecer películas delgadas con estructura cristalina, aún en substratos a baja temperatura. Por otro lado, el uso de especies con bajas energías permite la formación de materiales porosos así como de materiales nanoestructurados. Es importante señalar que los parámetros del plasma, principalmente especies que lo componen, densidad y energía cinética, tienen una influencia directa en las propiedades de las películas formadas, tales como: composición, fase, estructura, entre otras; por lo que es fundamental establecer cuidadosamente las condiciones que permitan obtener el material con las propiedades adecuadas para la aplicación que se propone. Adicionalmente, los parámetros de plasma se podrían utilizar para establecer un mecanismo de control que garantice la obtención de resultados reproducibles. Otra característica importante de la técnica de ablación láser, radica en el hecho de que se puede trabajar básicamente a cualquier presión, desde presiones del orden de 5x10-6 Torr (alto vacío) hasta presiones de algunas centenas de Torr, en atmósferas reactivas o inertes; esto último ha permitido la preparación de películas delgadas de óxidos complejos, lo cual sería muy difícil de lograr con técnicas convencionales.

La versatilidad de la técnica ha permitido variantes de la configuración convencional con el propósito de mejorar alguna propiedad de los materiales preparados, recientemente en nuestro grupo de trabajo, hemos propuesto una alternativa a la configuración convencional de PLD, que hemos denominado RCBPLD (Reactive Crossed Beam Pulsed Laser Deposition), en la cual se hacen interaccionar dos plasmas producidos a partir de dos blancos diferentes en una atmósfera reactiva. Esta es la técnica de depósito que utilizamos en nuestro trabajo, ablacionando en un caso blancos de Ti y blancos de Si y Al en atmosfera de nitrógeno, para formar TiSiN o bien TiAlN respectivamente; el otro experimento en que trabajamos involucra la ablación de un blanco de TiO₂ por un lado, y simultáneamente de Co, en presencia de una atmósfera de oxigeno o en alto vacío, en este caso la idea es formar compuestos ternarios de composición variable o bien compositos basados en Ti, Co y O. El tercer experimento consiste en la ablación de Fe₂O₃ o Fe y simultáneamente Bi con el propósito de obtener películas nanoestructuradas de oxido de hierro modificadas con bismuto. Es importante señalar que los estudios de caracterización del plasma resultan fundamentales, debido a que las propiedades del material depositado dependen fuertemente de los parámetros de plasma utilizados durante el depósito y para esto es necesario realizar el estudio de los plasmas producidos bajo diferentes condiciones experimentales, con el propósito de obtener películas delgadas con las propiedades físicas y químicas, que desde un punto de vista funcional, permitan mejorar el desempeño de los recubrimientos obtenidos.

Logros Obtenidos:

Propusimos una alternativa a la configuración convencional de PLD, en que se utilizan dos plasmas producidos simultáneamente a partir de materiales diferentes y que se ha denominado RCBPLD (Reactive Crossed Beam Pulsed Laser Deposition), para la síntesis de películas delgadas de materiales multicomponente, ya sea como materiales ternarios o compositos formados por dos fases diferentes, con composición variable. En cuanto a la generación de conocimiento, podemos destacar la publicación de 7 artículos de investigación en revistas de circulación internacional, la publicación de 1 capítulo de libro, así como la presentación de 16 trabajos en congresos de carácter internacional.

Artículos en revistas

1. M. A. Camacho-López, L. Escobar-Alarcón, M. Picquart, R. Arroyo, G. Córdoba, E., Haro-Poniatowski Micro-Raman study of the m-MoO2 to α-MoO3 transformation induced by cw-laser irradiation, Optical Materials, 33, 480-484 (2011).
2. M.A. Garcia-Lobato, Arturo I. Martinez, D. L. Perry, M. Castro-Roman, R. A. Zarate, L. Escobar-Alarcón; Elucidation of the Electrochromic Mechanism of Nanostructured Iron Oxide Films, Solar Energy Materials and Solar Cells, 95, 751-758 (2011).
3. Karen Esquivel, Francisco J Rodríguez, Luis G Arriaga, Enrique Camps, Alfonso Duran-Moreno, Luis Escobar-Alarcón, Luis A Godínez; Photo-electro-catalytic wastewater treatment using TiO2/ITO bilayers prepared on optical fibers by pulsed laser deposition, Journal of Environmental Engineering, 137, 355-362 (2011).
4. M.A. Garcia-Lobato, Arturo I. Martinez, M. Castro-Roman, C. Falcony, L. Escobar-Alarcón; Correlation between structural and magnetic properties of sprayed iron oxide thin films Physica B, Condensed Matter Vol. 406, 1496-1500, abril 1, 2011.
5. L. Escobar-Alarcón, V. Medina, Enrique Camps, S. Romero, M. Fernández, D. Solis-Casados, Microstructural characterization of Ti-C-N thin films prepared by reactive crossed beam pulsed laser deposition, Applied Surface Science, 257, 9033–9037 (2011).
6. K. Esquivel, Ma. G. García J., Luis Ortiz-Frade, F. J. Rodríguez, L. Escobar-Alarcón, M. Vega González, Luis A. Godínez; Titanium dioxide doped with transition metals (MxTi1-xO2, M: Ni, Co): synthesis and characterization for its future application as photo-anode, Journal of Nanoparticle Research, 13, 3313-3325 (2011).
7. J.C. Caicedo, G. Zambrano, W. Aperador, L. Escobar-Alarcón, E. Camps, Mechanical and electrochemical characterization of vanadium nitride (VN) thin films, Applied Surface Science, 258, 312–320 (2011).
8. E. Camps Carvajal, L. Escobar Alarcón; Capítulo V: “Caracterización por espectroscopía Raman de carbono amorfo y nitruro de carbono amorfo depositados por ablación láser”, del libro “Aplicaciones de la Espectroscopía Raman en la Caracterización de Materiales”, pp. 85-106. ISBN: 978-607-410-159-1. López M. A., Escobar A. L. Jiménez S. S., Eds., septiembre de 2011.

Aplicaciones:

La investigación en la preparación y caracterización de materiales en forma de película delgada es de primordial importancia debido a que entre sus resultados está la síntesis de nuevos materiales o bien de materiales con propiedades mejoradas, con aplicaciones potenciales en diversos campos. Adicionalmente, el trabajo de investigación realizado permitió obtener resultados originales, lo cual se reflejó en la publicación de artículos científicos en revistas especializadas de circulación internacional, así como la presentación de los mismos en congresos de carácter internacional.

Vinculación:

Se colabora con investigadores del Departamento de Química del ININ, preparando películas delgadas de dióxido de titanio con fase controlada, así como películas delgadas de oxido de estaño, en forma de bicapa para utilizarse como fotoelectrodos en experimentos de fotocatálisis. También con investigadores del Departamento de Física en la modelación del proceso de ablación láser de blancos de carbono. Se trabaja con investigadores del acelerador Tándem, en la caracterización de muestras mediante técnicas nucleares como EFA, NRA o RBS, y con investigadores del Departamento de Síntesis y Caracterización de Materiales, utilizando principalmente los microscopios electrónicos de transmisión y barrido, así como el difractómetro de rayos X.

Se tiene vinculación externa con el Centro Conjunto de Investigación en Química Sustentable de la UAEMex-UNAM, Laboratorio de Investigación y Desarrollo de Materiales Avanzados de la UAEMex,  Laboratorio del Departamento de Estado Sólido y Criogenia del Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM, Laboratorio de Óptica Cuántica de la Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa y la Universidad del Valle de Cali, Colombia.