Películas delgadas de Zn–Sn–O fabricadas por rociado pirolítico asistida con radiación gamma y su aplicación como sensor de gas natural

Abstract

Se caracterizaron películas delgadas obtenidas por la técnica de rociado pirolítico usando soluciones precursoras de acetato de cinc y cloruro de estaño (IV) mezcladas en diferentes proporciones sobre sustrato de vidrio y alúmina. Se estudió el efecto de la radiación gamma sobre las soluciones precursoras y como esta modifica la morfología, composición cristalográfica y propiedades eléctricas de las películas. Imágenes obtenidas mediante microscopia electrónica de barrido (MEB) demuestran que la irradiación gamma de la soluciones precursoras afecta a la morfología final de las películas. En función a la proporción de cinc y estaño en la solución precursora y a la dosis entregada a ésta; se pueden fabricar películas con superficies lisas o rugosas, con partículas esféricas, anillos o láminas incrustadas. Las diferentes morfologías se explican mediante un modelo de reacciones entre las especies químicas de los precursores y los productos primarios de la radiólisis del agua. El análisis de difracción de rayos X (DRX) revela que las películas se componen principalmente de mezclas ZnO, SnO2 y Zn2SnO4; esta última solo es apreciable cuando la temperatura de sinterizado es mayor a 920 K. La deconvolución de los picos en los difractogramas y la aplicación de la ecuación de Scherrer muestran que el tamaño promedio de los granos de SnO2 se encuentra entre 4.0 y 13.5 nm, el tamaño de los granos se incrementa con la temperatura de sinterizado y la proporción de estaño en la solución precursora. Una disminución en la cristalinidad y la ausencia de la fase de Zn2SnO4 son los principales efectos de la irradiación gamma. Para evaluar las propiedades eléctricas se obtuvieron las películas sobre un sustrato de alúmina con electrodos de oro. El estudio de la dependencia de la conductancia con la temperatura en presencia de aire, revela que la conductividad eléctrica de los sensores varía en función a la composición cristalina, temperatura de operación y dosis entregada a la solución precursora. Diversos patrones de respuesta han sido hallados cuando el sensor fue expuesto al gas natural, respuestas típicas de sensores semiconductores tipo n, tipo p y duales han sido encontrados en sensores fabricados a partir de soluciones precursoras irradiadas. Las diferencias en la conductividad eléctrica y patrones de respuesta han sido asociadas con la proporción y densidad de portadores de carga extrínsecos e intrínsecos en el semiconductor. Se han encontrado sensibilidades de hasta 22 cuando la temperatura de operación se eleva hasta 790 K; sensibilidades de 5, constante para temperaturas de operación entre 550 y 790 K.