Arseniuro de galio, sustancia con gran potencial para elaborar dispositivos que capten la energía del Sol

El arseniuro de galio es un material que no se encuentra en la naturaleza en forma pura, por lo que generalmente se obtiene a partir de subproductos de la extracción de minerales; así, el galio se extrae especialmente de la bauxita, una roca sedimentaria con alto contenido de aluminio, mientras que el arsénico se obtiene de minerales como la arsenopirita.

Una de las bondades de usar arseniuro de galio es que los componentes hechos con esta sustancia se encienden 10 veces más rápido que los de silicio; tales bondades han encontrado un uso en la industria de las telecomunicaciones que podrían aplicarse a la captación de energía solar, y así se comprobó en el Laboratorio de Nanoestructuras Semiconductoras de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Manizales, donde se puso a “crecer” una lámina flexible enriquecida con el sustrato.

La ingeniera física Sofía de los Ángeles Hoyos Restrepo, de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, menciona que todo este proceso se realizó bajo la técnica de magnetrón sputtering, un equipo que realiza una pulverización catódica en la cual se incorporan cátodos con blancos de arseniuro de galio. En una cámara de vacío se introduce gas argón para generar un plasma. Los iones resultantes colisionan con el blanco liberando átomos del material que luego se depositan en un sustrato, sobre la lámina de vidrio, formando una película delgada con propiedades específicas.

“Para ello fue necesario realizar un proceso de dopado con átomos de manganeso en las películas de arseniuro de galio, de las cuales existen dos tipos: las p y las n; las primeras tienen una carga inicialmente positiva, y las segundas carga negativa. Este proceso sirve para cambiar la conductividad eléctrica o las propiedades magnéticas del material, para que su proceso de crecimiento sea mayor”, agrega la ingeniera.

Para el experimento se cultivaron 10 muestras de lámina, 6 de las cuales se emplearon como puntos de referencia, ya que se depositaron sobre vidrio y silicio; las 4 restantes se desarrollaron en láminas de aluminio (sustratos flexibles).

En el proceso de crecimiento se utilizó la temperatura estándar de la literatura, establecida en 500 ^oC como tope máximo, pero en esta investigación es importante señalar que la elección de trabajar a temperaturas más bajas está justificada por la naturaleza de los sustratos flexibles. En su máximo rendimiento, estos materiales pueden soportar temperaturas entre 250 y 300 ^oC, una cantidad suficiente para tener láminas óptimas, funcionales y flexibles.

Para el análisis y la descripción de las propiedades físicas se realizó una caracterización estructural, óptica y eléctrica, bajo las técnicas experimentales: difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía de fuerza atómica (AFM), espectroscopía raman, espectrofotometría de rayos X (XPS), espectros de absorción y transmitancia en el UV-Vis y en el infrarrojo.

Con respecto a la espectroscopía UV-Vis, la cual se utiliza para identificar algunos grupos funcionales de moléculas, se observó que el ancho de banda para la referencia de la muestra fue de 1,38 eV. Según el valor teórico de 1,42 eV, se evidenció un valor positivo de 0,04 eV hacia la izquierda del espectro. Además, se logró el crecimiento de películas de arseniuro de galio (p-GaAs) y películas de arseniuro de galio (np-GaAs) sobre sustratos flexibles, ofreciendo una perspectiva única sobre las propiedades de estos materiales en condiciones específicas.

En el caso de temperaturas elevadas (500 ^oC) para p-GaAs/vidrio y p-GaAs/Si, se observó una estructura policristalina. A bajas temperaturas (menos de 200 ^oC), el ancho de banda se mantiene constante, pero se evidencia un mayor desorden estructural.

“Cultivar estas sustancias en materiales flexibles abre una ventana a aplicaciones en termoplásticos como el PET, conocido por su uso en botellas y películas transparentes, que destacan por su transparencia, ligereza y flexibilidad en aplicaciones electrónicas”, agrega la ingeniera física.

La caracterización y realización de esta investigación contó con la participación de los profesores Álvaro Pulzara Mora, del Departamento de Física y Química de la UNAL Sede Manizales; John Alzate Betancur, del Laboratorio de Química del campus La Nubia de la Sede; Jorge Montes Monsalve, de espectrofotometría absorbancia/transmitancia, y el ingeniero Reynell Pérez Blanco, del Laboratorio de Materiales Nanoestructurados y Funcionales; además del Laboratorio de Cromatografía de la Universidad de Caldas.