La elipsometría espectroscópica es una técnica de análisis óptica que se basa en el cambio del estado de polarización de la luz que se incide sobre un material. Dicho análisis es no destructivo y es útil para la determinación de espesores de películas delgadas, y constantes ópticas de materiales (índices de refracción, coeficiente de extinción).- ..........................................:http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Especial:Libro&bookcmd=download&collection_id=6cff841a1c7d1fa01790913ff2e207bdcfc69d7a&writer=rdf2latex&return_to=Elipsometr%C3%ADa
Barrera, C. E1.; F. J. C. Martínez1
R. Vázquez-Rodríguez1 y M. Ortega2
1Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica,
Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, Av. Rafael Atlixco No. 186,
Col. Vicentina, México, D. F. 09340, México.2Centro de Investigación y Estudios Avanzados de IPN. CINVESTAV, México D. F.
R. Vázquez-Rodríguez1 y M. Ortega2
1Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica,
Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, Av. Rafael Atlixco No. 186,
Col. Vicentina, México, D. F. 09340, México.2Centro de Investigación y Estudios Avanzados de IPN. CINVESTAV, México D. F.
Resumen
Sin duda alguna, el uso de recubrimientos selectivos en los dispositivos de captación de energía solar es preponderante y repercute de manera considerable en la eficiencia del funcionamiento de dichos dispositivos; de esto se deriva la importancia de conocer, de manera detallada, el comportamiento óptico de los materiales utilizados o de posible aplicación en esta área. Para el caso de la energía solar fotovoltaica es importante conocer las propiedades ópticas fundamentales, índice de refracción n y coeficiente de extinción k, de las películas semiconductoras, en un rango considerable de longitudes de onda, así como su estructura de bandas y espesor. Estos parámetros pueden ser determinados mediante el uso de la técnica de caracterización denominada elipsometría espectroscópica.
En este trabajo se presentan algunas de las aplicaciones de la elipsometría espectroscópica (SE) y su relación con el uso y aprovechamiento de la energía solar; se muestra la utilidad de la SE como una técnica de caracterización sofisticada de materiales utilizados, por ejemplo, recubrimientos en los dispositivos de captación de energía solar, como pueden ser, específicamente, los usados para la captación de energía solar térmica; es decir, los colectores y concentradores solares. Se presenta una breve introducción de cómo se determinan las propiedades ópticas de los materiales aplicados, como recubrimientos en forma de películas delgadas, además de su espesor mediante la técnica de SE; asimismo, los resultados obtenidos son corroborados utilizando diferentes técnicas de caracterización como análisis por microscopia de fuerza atómica (AFM), análisis por reflectometría, espectroscopia fotoelectrónica por rayos X (XPS), etc. Estos y otros aspectos son considerados y se ejemplifican mediante estudio de películas de Co3O4 y mezclas de óxidos de Co:Fe depositados en acero inoxidable; se muestran los resultados obtenidos mediante el análisis por elipsometría espectroscópica haciendo notar la utilidad del uso de esta técnica en la caracterización de las superficies de interés.
Palabras clave: Elipsometría espectroscópica, películas delgadas, captación de energía solar.
Abstracts
Undoubtedly, the use of selective coatings in solar energy capture is preponderant and considerably influences on the efficient operation of these devices; thus it is indispensable to know in detail the optical behavior of the materials used which could be applied on this area.
In the case of photovoltaic solar energy, it is important to know the fundamental optical properties, refraction index n, extinction coefficient k, of the semiconductor layers, in a considerable range of wave longitude, as well as its band structure and thickness. These parameters can be determined through the use of the characterization technique known as spectroscopic ellipsometry.
This paper deals with some of the spectroscopic ellipsometry (SE) and its relation with the use and exploitation of solar energy, the benefits derived from SE are shown as a sophisticated technique of materials used as coatings of solar- energy capturing devices as could be specifically those used for thermal solar energy, for example, solar collectors and concentrators. A brief introduction of how optical properties are determined, applied as coatings in the form of thin layers, as well as its thickness through SE technique, in addition to this, the results obtained are corroborated using different characterization techniques as analysis by atomic strength microscopy (AFM), reflectometry analysis, photoelectronic spectroscopy by X rays (XPS), etc. These and other aspects are considered and are exemplified through the study of layers of Co3O4 and mixtures of Co:Fe oxides deposited on stainless steel, results obtained are here shown through the analysis made by photoelectronic spectroscopy,, pinpointing the effectiveness of using this technique in the characterization of surfaces to be treated.
Key words: Spectroscopic ellipsometry, thin layers (películas), solar energy capture).
Sin duda alguna, el uso de recubrimientos selectivos en los dispositivos de captación de energía solar es preponderante y repercute de manera considerable en la eficiencia del funcionamiento de dichos dispositivos; de esto se deriva la importancia de conocer, de manera detallada, el comportamiento óptico de los materiales utilizados o de posible aplicación en esta área. Para el caso de la energía solar fotovoltaica es importante conocer las propiedades ópticas fundamentales, índice de refracción n y coeficiente de extinción k, de las películas semiconductoras, en un rango considerable de longitudes de onda, así como su estructura de bandas y espesor. Estos parámetros pueden ser determinados mediante el uso de la técnica de caracterización denominada elipsometría espectroscópica.
En este trabajo se presentan algunas de las aplicaciones de la elipsometría espectroscópica (SE) y su relación con el uso y aprovechamiento de la energía solar; se muestra la utilidad de la SE como una técnica de caracterización sofisticada de materiales utilizados, por ejemplo, recubrimientos en los dispositivos de captación de energía solar, como pueden ser, específicamente, los usados para la captación de energía solar térmica; es decir, los colectores y concentradores solares. Se presenta una breve introducción de cómo se determinan las propiedades ópticas de los materiales aplicados, como recubrimientos en forma de películas delgadas, además de su espesor mediante la técnica de SE; asimismo, los resultados obtenidos son corroborados utilizando diferentes técnicas de caracterización como análisis por microscopia de fuerza atómica (AFM), análisis por reflectometría, espectroscopia fotoelectrónica por rayos X (XPS), etc. Estos y otros aspectos son considerados y se ejemplifican mediante estudio de películas de Co3O4 y mezclas de óxidos de Co:Fe depositados en acero inoxidable; se muestran los resultados obtenidos mediante el análisis por elipsometría espectroscópica haciendo notar la utilidad del uso de esta técnica en la caracterización de las superficies de interés.
Palabras clave: Elipsometría espectroscópica, películas delgadas, captación de energía solar.
Abstracts
Undoubtedly, the use of selective coatings in solar energy capture is preponderant and considerably influences on the efficient operation of these devices; thus it is indispensable to know in detail the optical behavior of the materials used which could be applied on this area.
In the case of photovoltaic solar energy, it is important to know the fundamental optical properties, refraction index n, extinction coefficient k, of the semiconductor layers, in a considerable range of wave longitude, as well as its band structure and thickness. These parameters can be determined through the use of the characterization technique known as spectroscopic ellipsometry.
This paper deals with some of the spectroscopic ellipsometry (SE) and its relation with the use and exploitation of solar energy, the benefits derived from SE are shown as a sophisticated technique of materials used as coatings of solar- energy capturing devices as could be specifically those used for thermal solar energy, for example, solar collectors and concentrators. A brief introduction of how optical properties are determined, applied as coatings in the form of thin layers, as well as its thickness through SE technique, in addition to this, the results obtained are corroborated using different characterization techniques as analysis by atomic strength microscopy (AFM), reflectometry analysis, photoelectronic spectroscopy by X rays (XPS), etc. These and other aspects are considered and are exemplified through the study of layers of Co3O4 and mixtures of Co:Fe oxides deposited on stainless steel, results obtained are here shown through the analysis made by photoelectronic spectroscopy,, pinpointing the effectiveness of using this technique in the characterization of surfaces to be treated.
Key words: Spectroscopic ellipsometry, thin layers (películas), solar energy capture).
Introducción
En esta sección se describe el uso de la elipsometría como una técnica precisa y exacta para la caracterización de películas delgadas, sustratos o sistemas película-sustrato. Se presenta un breve desarrollo histórico de la elipsometría y los principios básicos necesarios para comprender cómo trabaja un elipsómetro. Hay muchos ejemplos de estudios realizados enfocados en el tema de la ciencia de materiales, y algunos de los que se analizan son: medidas de espesor, propiedades ópticas y modelado de superficies rugosas.
La elipsometría (reflexión elipsométrica) mide los cambios en el estado de polarización de la luz, después de haber sido reflejada desde alguna superficie. El hecho de que sean medidos los cambios del estado de polarización, en lugar de la intensidad absoluta de la luz, hace de la elipsometría una técnica altamente sensible a la presencia de finas capas de apenas algunos cuantos angstroms (Å). Como una herramienta no invasiva ni destructiva, la elipsometría requiere solamente de una fuente de luz de baja potencia y, en consecuencia, no afecta la mayoría de los procesos, lo que la hace una herramienta conveniente para estudios in situ.
En esta sección se describe el uso de la elipsometría como una técnica precisa y exacta para la caracterización de películas delgadas, sustratos o sistemas película-sustrato. Se presenta un breve desarrollo histórico de la elipsometría y los principios básicos necesarios para comprender cómo trabaja un elipsómetro. Hay muchos ejemplos de estudios realizados enfocados en el tema de la ciencia de materiales, y algunos de los que se analizan son: medidas de espesor, propiedades ópticas y modelado de superficies rugosas.
La elipsometría (reflexión elipsométrica) mide los cambios en el estado de polarización de la luz, después de haber sido reflejada desde alguna superficie. El hecho de que sean medidos los cambios del estado de polarización, en lugar de la intensidad absoluta de la luz, hace de la elipsometría una técnica altamente sensible a la presencia de finas capas de apenas algunos cuantos angstroms (Å). Como una herramienta no invasiva ni destructiva, la elipsometría requiere solamente de una fuente de luz de baja potencia y, en consecuencia, no afecta la mayoría de los procesos, lo que la hace una herramienta conveniente para estudios in situ.
Conceptos básicos
Para iniciar el tratamiento de la teoría básica de la elipsometría, se debe mencionar en principio la teoría de J. C. Maxwell, la cual expone que la luz es una onda representada por dos vectores mutuamente perpendiculares: E, la amplitud del campo eléctrico; B, la amplitud del campo magnético, y ambos, E y B, son perpendiculares a la dirección de propagación z.La onda electromagnética se describe por su amplitud y frecuencia en su forma compleja, como sigue:
Para iniciar el tratamiento de la teoría básica de la elipsometría, se debe mencionar en principio la teoría de J. C. Maxwell, la cual expone que la luz es una onda representada por dos vectores mutuamente perpendiculares: E, la amplitud del campo eléctrico; B, la amplitud del campo magnético, y ambos, E y B, son perpendiculares a la dirección de propagación z.La onda electromagnética se describe por su amplitud y frecuencia en su forma compleja, como sigue:
E = E0ei(qz –ω t)
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(1)
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Donde:
E0: Máxima amplitud de E que se propaga en la dirección +z.ω: Frecuencia angular (ω = 2πf).
t: Tiempo.
q: Número de ondas (q = 2π/λ).
Después de incluir el término de la fase en la ecuación (1) tenemos:
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(2)
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El vector E es representado por una superposición de los dos componentes, Ex y Ey, que son ortogonales a la dirección de propagación +z (Ez = 0):
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(3)
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Donde:
δx y δy : Constantes de fase.
E01 y E02: Amplitudes de las componentes (x, y) de E.
Polarización de la luz
La variación con el tiempo de la orientación de E a lo largo de la dirección de propagación en un lugar fijo es llamada polarización. Cualquier fuente de luz ordinaria es conocida como no polarizadora, porque E oscila aleatoriamente en un plano perpendicular a la dirección de propagación. Una de las formas más comunes de producir luz linealmente polarizada a partir de luz no polarizada, es usando un polarizador (Fig. 1).
La variación con el tiempo de la orientación de E a lo largo de la dirección de propagación en un lugar fijo es llamada polarización. Cualquier fuente de luz ordinaria es conocida como no polarizadora, porque E oscila aleatoriamente en un plano perpendicular a la dirección de propagación. Una de las formas más comunes de producir luz linealmente polarizada a partir de luz no polarizada, es usando un polarizador (Fig. 1).
Fig. 1. Polarización lineal de la luz y polarización circular izquierda.
Considere la figura 1, la luz con dos acimuts arbitrarios propagándose en la dirección +z. Si δ(δ = δy – δx) es un múltiplo de ±p (δ= m.π; m = 0, ±1,±2,…), la onda que se propaga está linealmente polarizada. Si las amplitudes de los componentes Ex y Ey son iguales
(E01 = E02 = E0), y δes un múltiplo de ±π/2 (δ= m.π/2; m = 0, ±1, ±2,…), se dice que la onda está polarizada circularmente a la derecha, o polarizada a la izquierda cuando E gira en el sentido de las manecillas del reloj o a contrasentido de éstas, respectivamente. En el caso
de luz elípticamente polarizada, la resultante E gira y cambia en magnitud, de tal manera que el extremo final del vector de E dibuja una elipse.
La luz elípticamente polarizada puede ser producida por la reflexión desde una superficie plana, o usando elementos polarizador/compensador. Con esta reflexión se asocia un cambio de fase de las componentes de E, paralelo (Ep) y perpendicular (Es) al plano de incidencia de la luz.
La figura 2 ilustra cómo un rayo de luz linealmente polarizada incide (i) en una superficie desnuda, y que en una superficie cubierta con una película es reflejada (r). El plano de incidencia incluye el rayo incidente y la normal a la superficie de la muestra de N. Las componentes paralela (Ep) y perpendicular (Es) al plano de incidencia están fuera de fase después de reflexión, y ambas, fase y amplitud de la luz reflejada, cambian en una manera distinta en dependencia de las propiedades ópticas de la superficie.
(E01 = E02 = E0), y δes un múltiplo de ±π/2 (δ= m.π/2; m = 0, ±1, ±2,…), se dice que la onda está polarizada circularmente a la derecha, o polarizada a la izquierda cuando E gira en el sentido de las manecillas del reloj o a contrasentido de éstas, respectivamente. En el caso
de luz elípticamente polarizada, la resultante E gira y cambia en magnitud, de tal manera que el extremo final del vector de E dibuja una elipse.
La luz elípticamente polarizada puede ser producida por la reflexión desde una superficie plana, o usando elementos polarizador/compensador. Con esta reflexión se asocia un cambio de fase de las componentes de E, paralelo (Ep) y perpendicular (Es) al plano de incidencia de la luz.
La figura 2 ilustra cómo un rayo de luz linealmente polarizada incide (i) en una superficie desnuda, y que en una superficie cubierta con una película es reflejada (r). El plano de incidencia incluye el rayo incidente y la normal a la superficie de la muestra de N. Las componentes paralela (Ep) y perpendicular (Es) al plano de incidencia están fuera de fase después de reflexión, y ambas, fase y amplitud de la luz reflejada, cambian en una manera distinta en dependencia de las propiedades ópticas de la superficie.
Fig. 2. Reflexión de luz polarizada:
a) Superficie desnuda. b) Superficie cubierta con película.
Las mediciones por elipsometría permiten cuantificar la diferencia de fase entre Ep y Es,mediante el parámetro Δ, y el cambio en la proporción de sus amplitudes, el cual está dado por tan(Ψ). Para una superficie reflejante desnuda, las formas Δ y Ψ son:
 ,  |
(4)
|
Donde rp, y rs, son los coeficientes Fresnel para los componentes p y s de la luz. Las expresiones para rp y rs consideran una interacción sencilla entre el medio 0 (ambiente), con un índice de refracción complejo N0, y el medio 1 (sustrato) con un índice de refracción complejo N1, como sigue:
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(5)
|
Una expresión similar puede ser escrita para rs, donde δrp y δrs son los cambios fase para los componentes p y s. El coeficiente de reflexión total (reflectancia) para una superficie cubierta de película (sencilla) en el ángulo de incidencia, θ0, es R:
 , |
(6)
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Que para interfaces múltiples (así como ambiente/película/sustrato) está dado por:
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(7)
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Una expresión similar puede ser escrita por Rs, donde β expresa el espesor de película (L) y el índice de refracción complejo a una longitud de onda de luz incidente λ:
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(8)
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El cambio resultante en la polarización, después de la reflexión desde una superficie, puede ser medido con un coeficiente de reflexión complejo r:
 |
(9)
|
Mientras que para un modelo multicapas (sustrato/película/ambiente, por ejemplo) r se obtiene como:
 |
(10)
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Donde N0, N1 y N2 son los índices de refracción para el ambiente, película y sustrato, respectivamente. Usualmente, N0, λ y θ son conocidos; N2 puede ser obtenido de manera independiente, y N1 y L1 también pueden ser obtenidos.
El índice refractivo complejo N representa las partes real e imaginaria del índice de refracción:
El índice refractivo complejo N representa las partes real e imaginaria del índice de refracción:
N = n + i k
|
(11)
|
Donde n es el índice refracción y k el coeficiente de extinción, el cual describe un cambio en la velocidad de fase y amplitud, respectivamente, de la onda electromagnética propagándose por un medio. Para materiales transparentes debido a las altas profundidades de penetración de la luz, los valores de k son muy cercanos a cero y N = n. Sin embargo, para muchos otros materiales, n y k no son parámetros constantes, pero sí dependientes de λ, en un efecto conocido como dispersión. La profundidad de penetración, W, es definida como la distancia a la cual la magnitud del campo eléctrico disminuye 1/e de su valor original:
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(12)
|
El inverso de W se llama coeficiente de absorción, α.
Otro parámetro físico importante obtenido por la elipsometría es la función dieléctrica compleja, ε, que correlaciona las propiedades ópticas y eléctricas de los materiales, y provee una estimación sensible de las condiciones de la superficie. Así obtenida por la elipsometría, εes expresada en términos de coeficiente de reflexión complejo, ρ, para un simple modelo óptico ambiente/película (f) /sustrato (s):
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(13)
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Esta ecuación es aplicada para sustratos homogéneos e isotrópicos. Para una capa sobre un sustrato, ε es representado por < ε >, la función constante pseudodieléctrica con partes real e imaginaria, en donde los paréntesis angulares indican una mezcla:
   |
(14)
|
El espectro de < ε > es de particular importancia porque indica la absortancia de un medio
a través de la constante k. Una discusión más amplia se verá posteriormente con ejemplos.
a través de la constante k. Una discusión más amplia se verá posteriormente con ejemplos.
Preparación de películas de Co3O4 y óxidos de Co:Fe
Se ha demostrado que las películas a base de cobalto negro presentan propiedades ópticas interesantes, y de ello se deriva el interés que despiertan para aplicaciones de captación de energía solar fototérmica; en esta sección se consideran muestras de Co3O4 y mezclas
de Co:Fe para ejemplificar las posibilidades de la SE como una técnica potente de análisis
y caracterización de superficies; y se analizan dichas muestras mediante distintas técnicas
de caracterización para verificar los resultados.
Se ha demostrado que las películas a base de cobalto negro presentan propiedades ópticas interesantes, y de ello se deriva el interés que despiertan para aplicaciones de captación de energía solar fototérmica; en esta sección se consideran muestras de Co3O4 y mezclas
de Co:Fe para ejemplificar las posibilidades de la SE como una técnica potente de análisis
y caracterización de superficies; y se analizan dichas muestras mediante distintas técnicas
de caracterización para verificar los resultados.
Metodología de preparación de películas
Los sustratos de acero inoxidable tipo 304 se preparan con pulido mecánico a base de lijas de diferentes granulometrías, hasta terminar con una del número 600. Posteriormente, las muestras se someten a un proceso químico de limpieza, a base de inmersión en alcohol etílico por cinco minutos bajo ultrasonido. Para la preparación de las películas selectivas de óxido de Co (Co) y óxido de Co-Fe sobre acero (CoFe), por la técnica de rocío pirolítico, se utilizan disoluciones acuoso-alcohólicas de sales inorgánicas de Co y Fe. La solución del rocío para las películas de cobalto consistió en preparar una solución de nitrato de cobalto 0,05 M con relación de volúmenes etanol:agua 3:1. La solución para las películas de CoFe consistió en una mezcla de nitrato de cobalto 0,05 M y nitrato de hierro 0,01 M, disuelta en la misma relación de volumen etanol:agua que la solución anterior.
La preparación de las películas delgadas sobre sustratos de acero inoxidable se realiza con flujo de gas de arrastre de 70 mL/min, flujo de solución de 1 mL/min, diámetro de esprea de 0,5 mm, temperatura del sustrato de 200 ºC y separación de esprea a sustrato de 15 cm. Las muestras obtenidas a diferentes tiempos de depósito (3 a 7 minutos) se someten a 350 ºC por dos horas, con el fin de formar las fases deseadas de los óxidos de Co y CoFe.
Los sustratos de acero inoxidable tipo 304 se preparan con pulido mecánico a base de lijas de diferentes granulometrías, hasta terminar con una del número 600. Posteriormente, las muestras se someten a un proceso químico de limpieza, a base de inmersión en alcohol etílico por cinco minutos bajo ultrasonido. Para la preparación de las películas selectivas de óxido de Co (Co) y óxido de Co-Fe sobre acero (CoFe), por la técnica de rocío pirolítico, se utilizan disoluciones acuoso-alcohólicas de sales inorgánicas de Co y Fe. La solución del rocío para las películas de cobalto consistió en preparar una solución de nitrato de cobalto 0,05 M con relación de volúmenes etanol:agua 3:1. La solución para las películas de CoFe consistió en una mezcla de nitrato de cobalto 0,05 M y nitrato de hierro 0,01 M, disuelta en la misma relación de volumen etanol:agua que la solución anterior.
La preparación de las películas delgadas sobre sustratos de acero inoxidable se realiza con flujo de gas de arrastre de 70 mL/min, flujo de solución de 1 mL/min, diámetro de esprea de 0,5 mm, temperatura del sustrato de 200 ºC y separación de esprea a sustrato de 15 cm. Las muestras obtenidas a diferentes tiempos de depósito (3 a 7 minutos) se someten a 350 ºC por dos horas, con el fin de formar las fases deseadas de los óxidos de Co y CoFe.
Caracterización
Se midieron las propiedades ópticas de los materiales preparados mediante la determinación de la reflectancia en la región UV-Vis, usando un espectrofotómetro Varian Cary 5E. Se realizó un estudio de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) para los estudios de la composición química de la superficie en algunas de las películas preparadas. Estos análisis se efectuaron usando un sistema UHV de VG Microtech MultiLab ESCA 2000, con un analizador CLAM4 MCD para medir los fotoelectrones, usando un haz de una fuente de rayos X de
AlKα (hν = 1 486,6 eV).
Mediante un estudio de microscopia de fuerza atómica (AFM) se determinó la morfología y la rugosidad superficial de las películas preparadas por spray pirolítico, por medio de un equipo AutoProbe CP, de la compañía Quesant Co. Finalmente, se estudiaron las películas preparadas mediante la técnica de elipsometría espectroscópica SE, para determinar las propiedades ópticas de los materiales preparados, así como para proponer una microestructura del material sintetizado. La caracterización por elipsometría se realizó en películas de Co y CoFe en sustratos de acero, depositadas durante cinco minutos, medidas con un elipsómetro espectroscópico Uvisel DH10, de Jobin Yvon. Los datos fueron obtenidos en un rango espectral de 250 a 750 nm, a un ángulo de incidencia de 70º. Todos los experimentos y datos fueron adquiridos y analizados usando el software Delta Psi, versión 2.
Se midieron las propiedades ópticas de los materiales preparados mediante la determinación de la reflectancia en la región UV-Vis, usando un espectrofotómetro Varian Cary 5E. Se realizó un estudio de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS) para los estudios de la composición química de la superficie en algunas de las películas preparadas. Estos análisis se efectuaron usando un sistema UHV de VG Microtech MultiLab ESCA 2000, con un analizador CLAM4 MCD para medir los fotoelectrones, usando un haz de una fuente de rayos X de
AlKα (hν = 1 486,6 eV).
Mediante un estudio de microscopia de fuerza atómica (AFM) se determinó la morfología y la rugosidad superficial de las películas preparadas por spray pirolítico, por medio de un equipo AutoProbe CP, de la compañía Quesant Co. Finalmente, se estudiaron las películas preparadas mediante la técnica de elipsometría espectroscópica SE, para determinar las propiedades ópticas de los materiales preparados, así como para proponer una microestructura del material sintetizado. La caracterización por elipsometría se realizó en películas de Co y CoFe en sustratos de acero, depositadas durante cinco minutos, medidas con un elipsómetro espectroscópico Uvisel DH10, de Jobin Yvon. Los datos fueron obtenidos en un rango espectral de 250 a 750 nm, a un ángulo de incidencia de 70º. Todos los experimentos y datos fueron adquiridos y analizados usando el software Delta Psi, versión 2.
Resultados
En la figura 3 se muestran reflectancias típicas de las películas de Co y Co:Fe con cinco minutos de tiempo de depósito para las regiones UV-Vis. e infrarrojo, respectivamente. Se observa que aunque las reflectancias en el visible son diferentes para las muestras con adiciones de hierro y sin ellas, los valores resultantes de la absortancia solar que resultan de la integración en toda la región UV-Vis son prácticamente los mismos. Esto se debe a que en una cierta región del espectro las muestras de cobalto tienen más alta reflectancia que las muestras de Co:Fe, mientras que en otra región sucede lo contrario.
En la figura 3 se muestran reflectancias típicas de las películas de Co y Co:Fe con cinco minutos de tiempo de depósito para las regiones UV-Vis. e infrarrojo, respectivamente. Se observa que aunque las reflectancias en el visible son diferentes para las muestras con adiciones de hierro y sin ellas, los valores resultantes de la absortancia solar que resultan de la integración en toda la región UV-Vis son prácticamente los mismos. Esto se debe a que en una cierta región del espectro las muestras de cobalto tienen más alta reflectancia que las muestras de Co:Fe, mientras que en otra región sucede lo contrario.
Fig. 3. Gráfica de la reflectancia contra longitud de onda de una muestra típica:
a) Óxido de cobalto-hierro sobre acero y b) Óxido de cobalto sobre acero.
La caracterización superficial de las muestras preparadas consistió en estimar su rugosidad, por medio de estudios superficiales, mediante observaciones de microscopia de fuerza atómica. Se midió el valor de este parámetro para muestras preparadas a diferentes tiempos de depósito. Una vista típica de AFM, de una muestra de CoFe con cinco minutos de depósito, se observa en la figura 4, siendo el valor de su rugosidad de RMS~158 (raíz cuadrática media, RMS por sus siglas en inglés). Para el caso de muestras de cobalto con cinco minutos de depósito, se observa una superficie más lisa y por tanto de menor rugosidad, siendo su
RMS ~100.
RMS ~100.
Fig. 4. Vista de AFM para la muestra de CoFe, con una RMS~158.
Caracterización por elipsometría espectroscópica
Antes de realizar las mediciones elipsométricas de las películas selectivas sobre acero, primero se analizó el sustrato de acero inoxidable. Para ello, la superficie de acero se trató, según el método experimental descrito, para dejar una superficie con un acabado como un espejo. Después del análisis elipsométrico del acero se realiza el ajuste del modelo y la estructura, previamente elegidos, a los datos elipsométricos Δ y Ψ, como son función de la longitud de onda. Para modelar el acero se propuso una estructura que consta de dos partes: el sustrato propiamente dicho y una capa superficial de rugosidad con un espesor determinado después del ajuste.
En la figura 5 se observa el buen ajuste del modelo y la estructura usados con los datos elipsométricos experimentales. Estos datos pueden ser utilizados para obtener las propiedades ópticas del acero por medio del modelo de dispersión, como se muestra en la figura 5b.
Antes de realizar las mediciones elipsométricas de las películas selectivas sobre acero, primero se analizó el sustrato de acero inoxidable. Para ello, la superficie de acero se trató, según el método experimental descrito, para dejar una superficie con un acabado como un espejo. Después del análisis elipsométrico del acero se realiza el ajuste del modelo y la estructura, previamente elegidos, a los datos elipsométricos Δ y Ψ, como son función de la longitud de onda. Para modelar el acero se propuso una estructura que consta de dos partes: el sustrato propiamente dicho y una capa superficial de rugosidad con un espesor determinado después del ajuste.
En la figura 5 se observa el buen ajuste del modelo y la estructura usados con los datos elipsométricos experimentales. Estos datos pueden ser utilizados para obtener las propiedades ópticas del acero por medio del modelo de dispersión, como se muestra en la figura 5b.
Fig. 5. Mediciones experimentales por elipsometría espectroscópica. a) Ángulos elipsométricos (Δ (▲), Ψ (*)) como función de la longitud de onda λ, para el sustrato de acero inoxidable. b) Propiedades ópticas del acero inoxidable (n (▲), k (*)), como función de la longitud de onda λ, para el sustrato de acero inoxidable.
Partiendo de una estructura propuesta y la elección de un modelo, se ajustan los datos elipsométricos para conocer las propiedades ópticas (ver Fig. 3); se omite la estructura diseñada para el ajuste de los datos elipsométricos del acero, ya que no es de relevancia en este trabajo.
Para el caso de la película de cobalto (cinco minutos de tiempo de depósito), la figura 6 muestra los ángulos elipsométricos (Δ (▲), Ψ (*)) experimentales como función de la longitud de onda. En esta figura se muestra también el resultado del ajuste de los datos experimentales a los de un modelo de dispersión del tipo Tauc Lorente, para simular las propiedades del cobalto. Se logra un buen ajuste con el modelo de Tauc Lorentz, en el que se utiliza como uno de sus parámetros conocidos, el valor de la energía de brecha del Co3O4(1,65 eV reportado por [Varkey y Fort, 1993]). Para este ajuste se empleó también el espesor de película de cobalto que se midió previamente con un equipo Talistep Dek Tak II y que se agregó como dato conocido al modelo propuesto.
Para el caso de la película de cobalto (cinco minutos de tiempo de depósito), la figura 6 muestra los ángulos elipsométricos (Δ (▲), Ψ (*)) experimentales como función de la longitud de onda. En esta figura se muestra también el resultado del ajuste de los datos experimentales a los de un modelo de dispersión del tipo Tauc Lorente, para simular las propiedades del cobalto. Se logra un buen ajuste con el modelo de Tauc Lorentz, en el que se utiliza como uno de sus parámetros conocidos, el valor de la energía de brecha del Co3O4(1,65 eV reportado por [Varkey y Fort, 1993]). Para este ajuste se empleó también el espesor de película de cobalto que se midió previamente con un equipo Talistep Dek Tak II y que se agregó como dato conocido al modelo propuesto.
Fig. 6. Resultados obtenidos por elipsometría espectroscópica. a) Ángulos elipsométricos (Δ(▲), Ψ (*)) como función de la longitud de onda λ. b) Propiedades ópticas de la película, índice de refracción, n(λ), y coeficiente de extinción, k(λ), del óxido de cobalto sobre acero (tándem). La línea continua representa el ajuste a los datos experimentales.
En la figura 6b se muestran los valores del índice de refracción, n(λ), y del coeficiente de extinción, k(λ), del material de cobalto, obtenidos a partir del ajuste del modelo a los datos elipsométricos. Al comparar los valores de n(λ) y k(λ) para el óxido de cobalto en acero, así como el de las bandas de absorción, con los datos publicados de este compuesto depositado en vidrio [Ruzakowsky, et al., 1996], se observan resultados similares de las propiedades ópticas en las zonas del espectro cubiertas por el elipsómetro utilizado en este trabajo, lo cual confirma nuestros resultados obtenidos.
En la figura 7 se muestra un concepto de la estructura del tándem del acero y la película de óxido de cobalto resultante del modelo propuesto, con base en los resultados de elipsometría espectroscópica. Se observa tanto el espesor de las capas presentes, así como de los materiales y su rugosidad, representada en el modelo como un espacio vacío.
En la figura 7 se muestra un concepto de la estructura del tándem del acero y la película de óxido de cobalto resultante del modelo propuesto, con base en los resultados de elipsometría espectroscópica. Se observa tanto el espesor de las capas presentes, así como de los materiales y su rugosidad, representada en el modelo como un espacio vacío.
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Fig. 7. Estructura usada para modelar la muestra de Co3O4/SS; los espesores y composiciones se determinaron por elipsometría espectroscópica.
Similar al caso de la muestra de Co, se estudió también por elipsometría una muestra de CoFe de cinco minutos de depósito. En la figura 8 se muestra el resultado de las propiedades ópticas fundamentales, n(λ) y k(λ) obtenidas de un ajuste no lineal (curva continua) a los datos experimentales, mediante el uso de un modelo de dispersión del tipo Tauc Lorentz para el óxido de cobalto, y un modelo de dispersión tipo amorfo para el óxido férrico presente en la película, según la evidencia del estudio de XPS (Fig. 9).
Fig. 8. Propiedades ópticas (n(λ), k(λ)) de la película de CoFe/SS para cinco minutos de tiempo de depósito. La línea continua representa el ajuste a los datos experimentales (n(λ) (▲), k(λ) (*)).
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Fig. 9. Estructura usada para modelar la muestra de óxido de Co:Fe/SS; los espesores y composiciones se determinaron por elipsometría espectroscópica.
Cabe mencionar que los ajustes de los modelos utilizados en este trabajo se realizaron por medio del software de simulación DeltaPsi 2. Se ajustó un modelo de dispersión tipo amorfo, a las propiedades ópticas del óxido férrico reportado como material de referencia en la base de datos del software del aparato. Para el modelo amorfo, se fijo la energía de brecha del material previamente reportado [Martens y Peeters, 1982], en un valor de
2,2 eV. Con el ajuste del modelo a los datos reportados se procedió a construir el modelo en tándem y así obtener los resultados mostrados en las figuras 8 y 9.
2,2 eV. Con el ajuste del modelo a los datos reportados se procedió a construir el modelo en tándem y así obtener los resultados mostrados en las figuras 8 y 9.
Conclusiones
La elipsometría espectroscópica nos permite hacer una caracterización completa de las propiedades ópticas de algunos materiales de particular interés, tal como se mostró en el desarrollo de este trabajo; el determinar las propiedades ópticas fundamentales, n y k,
de algún material es de gran interés para su caracterización y sus posibles aplicaciones en el área de la energía solar, ya que mediante estas propiedades se pueden deducir otras tales como la absortancia, transmitancia y reflectancia, basándonos en los resultados de la teoría electromagnética; además, también podemos conocer la función dieléctrica
del material, la cual es de gran importancia cuando se estudian las propiedades eléctricas de dicho material, como es el caso de los materiales utilizados en celdas fotovoltaicas.
Esta técnica espectroscópica de caracterización provee entonces información muy importante y de gran ayuda para la investigación y el desarrollo de nuevos materiales; además, apoyada por algunas otras técnicas de análisis, como AFM, XPS, XRD, reflectometría, etc., proporciona un análisis completo del material en estudio. La posibilidad de determinar las composiciones
y los espesores de película hace de la SE una herramienta fundamental de análisis y caracterización de películas delgadas; esto se logra mediante el diseño de una estructura y la elección de un modelo adecuado, basados ambos en el conocimiento previo de algunas propiedades químicas y físicas del material en estudio.
La elipsometría espectroscópica nos permite hacer una caracterización completa de las propiedades ópticas de algunos materiales de particular interés, tal como se mostró en el desarrollo de este trabajo; el determinar las propiedades ópticas fundamentales, n y k,
de algún material es de gran interés para su caracterización y sus posibles aplicaciones en el área de la energía solar, ya que mediante estas propiedades se pueden deducir otras tales como la absortancia, transmitancia y reflectancia, basándonos en los resultados de la teoría electromagnética; además, también podemos conocer la función dieléctrica
del material, la cual es de gran importancia cuando se estudian las propiedades eléctricas de dicho material, como es el caso de los materiales utilizados en celdas fotovoltaicas.
Esta técnica espectroscópica de caracterización provee entonces información muy importante y de gran ayuda para la investigación y el desarrollo de nuevos materiales; además, apoyada por algunas otras técnicas de análisis, como AFM, XPS, XRD, reflectometría, etc., proporciona un análisis completo del material en estudio. La posibilidad de determinar las composiciones
y los espesores de película hace de la SE una herramienta fundamental de análisis y caracterización de películas delgadas; esto se logra mediante el diseño de una estructura y la elección de un modelo adecuado, basados ambos en el conocimiento previo de algunas propiedades químicas y físicas del material en estudio.
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