Voy a exponer los resultados del análisis de composición química de los lingotes de CuInTe2 y CuGaTe2, lo que nos permitirá determinar la calidad de las muestras, homogeneidad y posible origen de los defectos intrínsecos.

La homogeneidad y la relación estequiométrica en diferentes partes del lingote serán determinadas por espectroscopía de energía dispersiva de rayos-X (EDX) usando el sistema KEVEX, modelo DELTA-3 conectado a un microscopio electrónico de barrido HITACHI, modelo S-2500. El error en el análisis, realizado sin patrón, es de 5%. El promedio del porcentaje atómico de Cu, In(Ga) y Te y las relaciones Cu/In(Ga) y Te/[Cu+In(Ga)], nos permitirá (i) determinar el origen de los niveles energéticos esperados según la molecularidad y estequiometría de valencia y (ii) establecer su relación con el grado de desorden de las muestras estudiadas.

Composición química de los lingotes

El exceso o deficiencia de algún elemento en la estequiometría ideal 1:1:2, puede dar origen a defectos intrínsecos eléctricamente activos.
De acuerdo con el modelo propuesto por Groenink y Janse, el defecto químico de un compuesto ternario es gobernado por un par de defectos mayoritarios donor-aceptor. Las condiciones para la existencia de tales pares son determinadas por las desviaciones de la molecularidad y la estequiometría de valencia, DX y DY, respectivamente

donde [Cu], [In(Ga)] y [Te] representa la concentración relativa de átomos de Cu, In(Ga) y Te en el cristal.

Para determinar DX y DY es necesario conocer el porcentaje atómico de cada elemento en los lingotes. Para esto, las muestras obtenidas de diferentes partes del lingote son analizadas con las facilidades analíticas de un microscopio electrónico de barrido.

El análisis cualitativo y cuantitativo de los resultados de composición de los lingotes nos dan información de cuáles son los elementos que componen la muestra y en qué porcentaje atómico se encuentran, respectivamente.

En las siguientes dos tablas se indican los valores de los porcentajes atómicos de cada elemento y las relaciones [Cu/In(Ga)], [Te/Cu+In(Ga)], DX y DY de las muestras tanto de CIT como de CGT, obtenidas con diferentes temperaturas de telurización (Tt) y la crecida por la técnica de Bridgman vertical.

Se observan valores de la molecularidad mayores que cero (DX>0) y de la estequiometría de valencia también mayores que cero (DY>0) con la excepción del lingote CIT 635 cuyos valores son DX< 0, DY > 0. Podemos predecir los pares de defectos donor-aceptor que, bajo estas condiciones, se pudieran presentar en CIT. Estos son: (VTe, VIn), (VTe, CuIn) y (InCu, CuIn). En la muestra CIT 635 con DX< 0, DY > 0, estos serán: (InCu, VIn). El origen de estos defectos está ampliamente desarrollado en varios artículos disponibles en la web.

Todos los lingotes muestran DX < 0 y DY < 0, con la excepción de la muestra Ref. 34 cuyos valores son DX > 0, DY > 0. Así, los posibles pares de defectos que se esperan sean formados en el CGT son: (GaCu, VCu), (GaCu, CuGa) y (VTe, VCu).

Con estos resultados se pueden predecir los posibles niveles esperados según la molecularidad y la estequiometría de valencia, tal como se muestra en la siguiente tabla. Esto ayudará posteriormente a la identificación de los niveles aceptores (por la conductividad tipo p de estos materiales) que se puedan obtener de las medidas eléctricas en estas muestras.

Posibles defectos intrínsecos que pueden presentarse por la desviación de la estequiometría en los compuestos CuInTe2 y CuGaTe2 (sustituyendo In por Ga). Los intersticiales son pocos probables debido a su alta energía de formación, por lo que no se incluyen en este trabajo.

Representación gráfica de la composición química de los lingotes

En las siguientes figuras se muestran los porcentajes atómicos de Cu, In(Ga) y Te y las relaciones [Cu/In(Ga)], [Te/Cu+In(Ga)] en función de la temperatura de telurización.

Analizando estas figuras podemos ver que la relación [Cu/In] disminuye y [Te/Cu+In] aumenta en las temperaturas extremas del proceso de telurización.
En el caso del CIT observamos una tendencia a obtener las relaciones [Cu/In] = 1 y [Te/Cu+In] = 1 en el intervalo de temperatura entre 550 y 650 ºC.
Mientras que para CGT, estas relaciones aumentan a medida que la temperatura de telurización se incrementa, obteniéndose [Cu/Ga] = 1 y [Te/Cu+Ga] = 1 alrededor de 750 ºC.

Con los estudios que realicé en ambos semiconductores obtuve unos resultados positivos que se usaron para 5 publicaciones, además se reforzaron los resultados obtenidos por el grupo del INSA-Toulouse que ha desarrollado la técnica de selenización en CuInSe2.

Se ha encontrado un intervalo de temperatura apropiado para obtener una estequiometría muy cercana a la ideal 1:1:2 usando la técnica de evaporación de Te y su posterior reacción con Cu e In(Ga) en estado líquido.

Con el análisis de composición de los lingotes también se examinó la homogeneidad, ya que se realizaron alrededor de 5 medidas sobre cada muestra, observando una diferencia menor que el 2% entre cada medida.