Mapeo Elemental del semiconductor ZnO

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

Precisamente hoy conversaba con mi compañero @carloserp-2000 referente a lo que debería ser un POST, su longitud, estilo de lenguaje y el origen de las figuras usadas, de tal manera que la atención del lector se mantenga en los usuarios con contenido original, de calidad y con información precisa. En mi caso particular, he estado presentando algunas microfotografías del semiconductor ZnO, detallando algunas de las funciones que dispone el Microscopio Electrónico de Barrido (MEB) o Scanning Electron Microscope (SEM) y en esta oportunidad me voy a referir a la opción que tiene este equipo para presentar la composición elemental de la muestra de ZnO mediante el MAPEO ELEMENTAL.

¿Y qué tiene que ver una cosa con la otra? Pues la verdad no lo se, cada cabeza es un Mundo y ahora estoy en una etapa de ensayo-error para determinar el alcance de escribir un POST con un tema científico-tecnológico de forma concreta, sin extenderme en definiciones trilladas. Vamos a ver que tal resulta este experimento!

^{Microfotografía de una capa de ZnO sobre vidrio. | @iamphysical}

Después de seguir al pie de la letra el procedimiento para la deposición de una capa delgada del semiconductor ZnO sobre un sustrato de vidrio, se nos presentaron dos inconvenientes técnicos que debimos resolver de forma rápida. Como se observa en la figura anterior, la muestra a ser estudiada en el SEM está compuesta de ZnO sobre vidrio y éste último tiene una composición química de varios elementos de la tabla periódica, por lo que se hace difícil determinar la estequiometría experimental del semiconductor ZnO, ya que vamos a tener la contribución de todos esos elementos en el análisis cualitativo y cuantitativo.

Determinación de la estequiometría del ZnO

El SEM era de reciente adquisición y se tenía poca experiencia en el montaje de las muestras. Sabíamos que para la formación de las imágenes debía haber conducción eléctrica entre la muestra y el soporte portamuestra del SEM, pero teníamos vidrio entre ellos. Así que hicimos algunos ensayos con pintura de grafito y adhesivo de grafito, los 2 formatos funcionaron perfectamente.

Normalmente la imagen obtenida con un SEM son formadas por los electrones secundarios que poseen una energía cercana a los 100 eV, pero con un arreglo electrónico se pueden usar las otras emisiones de electrones. Como el cañón de electrones opera en el rango de 30.000 V y golpea la superficie de la muestra, la va calentando localmente. ¿Qué sucede con ese potencial?, pues por eso se requiere que la muestra sea conductor eléctrico para facilitar que la carga eléctrica vaya a tierra y no se acumulen en la muestra. Si no es conductora de electricidad, se utiliza un sputtering con target de Oro o Plata para hacer un recubrimiento de la muestra y hacerla conductora.

Colocamos la muestra y al hacer el análisis cualitativo y cuantitativo nos encontramos con unos resultados confusos, pues el porcentaje de Oxígeno del ZnO tenía una contribución adicional del O presente en la composición del sustrato de vidrio. Lo verificamos con la opción de MAPEO ELEMENTAL que tiene integrado el programa de análisis del SEM.

^{Mapeo elemental del ZnO (Magnificación: 200x) | @iamphysical}

¿Qué es el Mapeo Elemental?

Tal como se observa en las imágenes anteriores, el mapeo es la representación digital de la distribución espacial en 2D o 3D, de los elementos presentes en una muestra.

Con el análisis elemental no tuvimos resultados aceptables y estas imágenes tampoco ayudan a determinar la composición de la capa delgada, así que procedimos a realizar una Magnificación hasta 30.000x y obtuvimos estos resultados.

^{Mapeo de un cristal de ZnO (Magnificación: 30.000x) | @iamphysical}

En esta ocasión sí pudimos discriminar la presencia de Zn en la zona seleccionada, ya que se observa la distribución de Zn el cristal analizado. El O se distribuye también en la superficie del sustrato de vidrio y se observa en toda el área estudiada. Los otros elementos químicos resaltan en la imagen de Mapeo Elemental, porque son constituyentes del vidrio.

A pesar de estos resultados, no tenemos un análisis cuantitativo de la película delgada de ZnO porque todavía aparecen los otros elementos en porcentaje atómico que afectan la estequiometría ideal, Zn: 50% y O: 50%.

¿Cuál es la estrategia para obtener la composición química del ZnO? Colocar la muestra de canto (de lado) y enfocar la zona de estudio en un punto localizado sobre los cristales del semiconductor, es decir sin considerar el sustrato de vidrio. Recordemos que podemos controlar el área de la zona de estudio mediante la Magnificación y el SPOT, que es el diámetro del haz de electrones que llega a la muestra.

^{Vista lateral de la capa delgada de ZnO y el sustrato de vidrio. | @iamphysical}

• En las imágenes de Mapeo Elemental ya nos estamos enfocando solamente en Zn y O.
• El espesor de la película de ZnO es de 3 µm en promedio.
• La magnificación es de 13.000x y el spot de 3, con el objetivo de mantener la resolución y nitidez de la imagen, siempre buscando ubicar el punto de análisis elemental sobre los cristales de ZnO.
• Considerando estos puntos claves, hemos obtenido la composición química de la capa delgada de ZnO depositada sobre un sustrato de vidrio mediante la técnica de inmersión química controlada tipo SILAR.

^{Análisis cuantitativo de una película de ZnO (Magnificación: 24.000x) | @iamphysical}

Todavía faltan afinar algunos detalles técnicos para desaparecer por completo la contribución del SiO2 del vidrio. En este caso se obtiene un exceso de Zn en la composición posiblemente debido a la alta concentración del Sulfato de Zinc en la solución precursora y también que el análisis se ha realizado sin un patrón para calibración.

^{Mapeo Elemental del ZnO. | @iamphysical}

Aportes de esta publicación.

En esta línea de investigación de capas delgadas de semiconductores, las técnicas de observación y análisis químico superficial son de gran importancia a la hora de establecer un protocolo reproducible para la síntesis de materiales. La Microscopía de Barrido es fundamental para visualizar los materiales a grandes magnificaciones, además que permite determinar la composición química elemental de manera puntual (≈ 100 Å), usando el detector de energía dispersiva de rayos X. Espero que con esta publicación hallamos complementado nuestro conocimiento sobre el SEM y el sistema integrado en el software con la opción de mapeo elemental que nos permite visualizar en tiempo real la distribución de los elementos de la tabla periódica que están presentes en nuestro espécimen en estudio.

Bibliografía y lecturas recomendadas:

○ El microscopio electrónico de barrido.
○ Microscopia electrónica: Barrido y Transmisión.
○ Spot size in scanning electron microscopy (SEM).
○ Element Mapping.
○ La microscopía para el estudio de materiales.
○ Microscopía Electrónica.
○ Características del SEM.
○ Prácticas con el SEM.
○ Elemental Mapping, Barrido Elemental.

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