Microestructura y propiedades ópticas de películas de bismuto y óxido de bismuto depositadas con magnetrón desbalanceado

Abstract

Resumen El bismuto y el óxido de bismuto son materiales de gran interés tecnológico y teórico debido a sus amplias propiedades ópticas y eléctricas. En este trabajo, se fabricaron por medio de la técnica de magnetrón desbalanceado (UBM) películas delgadas de bismuto (Bi) y óxido de bismuto (Bi 2 O 3) a temperatura ambiente y sobre sustratos de vidrio, con el objeto de evaluar sus propiedades con respecto al método de crecimiento. Las propiedades microestructurales de las muestras se estudiaron mediante difracción de rayos X (X-ray diffraction, XRD) y microscopía láser confocal (confocal laser scanning microscopy, CLM), en tanto que su composición elemental se analizó con la técnica de espectroscopia de electrones Auger (Auger electron spectroscopy, AES) y sus propiedades ópticas con el método de la espectroscopia ultravioleta visible (UV/Vis) en el rango de longitudes de onda de 500-1800 nm. Con base en los resultados de XRD se observó que ambos materiales son policristalinos, con una estructura romboédrica para el bismuto y la fase metaestable para el óxido de bismuto. Mediante el análisis de las propiedades ópticas se obtuvieron valores en la banda de energía prohibida de 2,3 eV y 2,27 eV para el bismuto y el óxido de bismuto, respectivamente. Palabras clave: bismuto, microestructura, óxido de bismuto, propiedades ópticas, magnetrón desbalanceado. Microstructure and optical properties of bismuth and oxide bismuth films using unbalanced magnetron Abstract Bismuth and bismuth oxide are materials of technological and theoretical interest because of their optical and electrical properties. Thin films of bismuth (Bi) and bismuth oxide (Bi2O3) on glass substrates were produced at room temperature using the unbalanced magnetron sputtering (UBM) technique. The microstructural characterization of samples was studied using x-ray diffraction (XRD) and confocal laser microscopy (CLM), while their elemental composition was analyzed with Auger electron spectroscopy (AES) and their optical properties with ultraviolet-visible (UV/Vis) spectroscopy in the wavelength range of 500-1800 nm. XRD results showed that both materials have a polycrystalline character, with a rhombohedral structure for bismuth and phase for bismuth oxide. The energy band gap was 2.3 eV and 2.27 eV for bismuth and bismuth oxide, respectively. Introducción El semimetal bismuto es uno de los pocos metales que se expanden al solidificarse; tiene una conductividad térmica menor que la de cualquier otro metal, exceptuando el mer-curio; es inerte en el aire seco a temperatura ambiente, pero en un ambiente húmedo se oxida con facilidad, y por encima de su punto de fusión forma rápidamente películas de óxido (Yang, 2008). Cuando el bismuto se crece en la forma de una película delgada exhibe un comportamiento inusual comparado con las propiedades del material en volumen. Un ejemplo de ello se observa en la tendencia de la resisti-vidad versus la disminución de la temperatura, lo que está relacionado con el espesor de la película que satura a bajas temperaturas. El bismuto presenta características particu-lares, tales como la marcada diferencia en sus propiedades de superficie y volumen, la banda de energía prohibida, la existencia de estados electrónicos superficiales que se cruzan con el nivel de Fermi, una alta movilidad de portadores, su baja masa efectiva, su baja densidad de portadores y un gran camino libre medio, entre otras (Depablos, 2013; Hofmann, 2006). El bismuto es uno de los elementos más usados para aplicaciones en escalas nanométricas como las