Sintesis-de-nanoparticulas-de-oxido-de-zinc

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
 
 
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN 
 
 
 
 
 
“SÍNTESIS DE NANOPARTICULAS DE 
ÓXIDO DE ZINC” 
 
 
 
TESIS 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: 
INGENIERO QUÍMICO 
PRESENTA: 
DANIEL MAURICIO VICUÑA GÓMEZ 
ASESOR: 
DRA. ANA LETICIA FERNÁNDEZ OSORIO 
 
 
 
 
 
 
CUAUTITLÁN IZCALLI, EDO. DE MEX. 2006 
 
 
 
 
 
 1
 
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 GRACIAS: 
 
 
 A MI HERMANA LUZ MARIA 
 
 
 
 A LA DOCTORA 
 ANA LETICIA FERNANDEZ OSORIO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 2
 
Í N D I CE 
 
 
INTRODUCCIÓN 1 
 
OBJETIVO 2 
 
CAPÍTULO 1 
 
 ANTECEDENTES 
 
 1.1 NANOPARTÍCULAS 3 
 
 1.2 APLICACIONES 6 
 
 1.3 PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE SEMICONDUCTORES 8 
 1.3.1 EL ESTADO SÓLIDO 8 
 1.3.2 TEORIA DE BANDAS 12 
 1.3.3 APLICACIÓN DE SEMICONDUCTORES 15 
 
 1.4 PROPIEDADES ÓPTICAS DE SEMICONDUCTORES 18 
 
 1.5 GENERALIDADES DEL ZnO 22 
 1.5.1 PROPIEDADES FÍSICAS 22 
 1.5.2 PROPIEDADES QUÍMICAS 22 
1.6 PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE ZnO 24 
 1.7 ESTRUCTURA CRISTALINA DE ZnO 25 
 
 
CAPÍTULO 2 
 
 2.1 ÓXIDO DE ZINC NANOESTRUCTURADO 27 
 
 2.2 MÉTODOS DE PREPARACIÓN DE ZnO 
 NANOESTRUCTURADO 28 
 2.2.1 EL MÉTODO SOL-GEL 29 
 
2.3 TECNICAS DE CARACTERIZACIÓN 31 
 2.3.1 MÉTODOS DIFRACTOMÉTRICOS DE RAYOS X 32 
 2.3.2 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE TRANSMISIÓN 42 
 2.3.3 ESPECTROSCOPÍA UV-VISIBLE 46 
 
 
 
 
 
 
 3
CAPÍTULO 3 
 
 DESARROLLO EXPERIMENTAL 57 
 3.1 SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS DE ZnO 59 
 
 
CAPÍTULO 4 
 
 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
 DETERMINACIÓN DE ESTRUCTURA CRISTALINA Y 
 TAMAÑO DE PARTÍCULA 62 
 ESPECTROS DE UV-VISIBLE 74 
 MICROGRAFÍAS HRTEM DEL ÓXIDO DE ZINC 
 NANOESTRUCTURADO 77 
 
CAPITULO 5 
 
 CONCLUSIONES 70 
 
 
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 82 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 4
INTRODUCCIÓN 
 
 
 
 Los materiales nanoestructurados se caracterizan por tener tamaño de partícula entre 
1 a 100 nm, en este régimen de nanoescala las propiedades físicas y químicas de los 
materiales cambian en función del tamaño de la partícula. 
 
 El óxido de zinc es un compuesto ampliamente conocido, se caracteriza por ser un 
material semiconductor y por lo tanto presenta aplicaciones en cerámica electrónica, pero no 
es esta su única característica, ya que presenta también interesantes propiedades ópticas y 
medicinales. 
 
 En años recientes, los materiales nanoestructurados de ZnO han sido de gran interés 
por su bajo voltaje y corta longitud de onda, lo cual se aplica a dispositivos electro-ópticos 
tales como diodos emisores de luz y diodos láser debido la amplitud de su banda prohibida de 
energía. 
 
 Diferentes nanoestructuras de óxido de zinc incluyendo: nanoflores, nanoalambres, 
nanovarillas, han sido obtenidas por diferentes rutas de síntesis. Sin embargo en la literatura 
existen pocas rutas de síntesis para obtener ZnO en forma policristalina; es el objetivo de este 
trabajo sintetizar el óxido de zinc nanoestructurado usando el método sol-gel. 
 
 Se pretende sintetizar las nanopartículas de ZnO partiendo de acetato de zinc como 
precursor y utilizando solventes orgánicos y agua, estudiando los efectos de temperatura y pH 
en la morfología de las nanopartículas. 
 
 Los productos finales de síntesis se analizarán mediante la técnica de difracción de 
rayos X utilizando el método de polvos (XRD), la morfología de las nanoestructuras se 
analizarán mediante la técnica de microscopía electrónica de alta resolución (HRTEM) y las 
propiedades ópticas se analizarán mediante la técnica de espectroscopia UV-visible utilizando 
el método de reflectancia difusa. 
 
 El desarrollo de este trabajo se justifica en establecer una comparación de las 
propiedades físicas y químicas que presenta el ZnO nanoestructurado con el ZnO en tamaño 
grande o grueso al cual desde este momento nos referiremos a él como bulk y así ampliar sus 
posibles aplicaciones tecnológicas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 5
 
 
 OBJETIVO GENERAL: 
 
 Sintetizar nanopartículas de óxido de zinc (ZnO) por el método sol-gel en diferentes 
solventes orgánicos y en agua, para sus posibles aplicaciones en dispositivos 
semiconductores y ópticos. 
 
 OBJETIVOS PARTICULARES: 
 
 -Identificar su estructura cristalina por difracción de rayos X. 
-Caracterizar sus propiedades ópticas mediante espectroscopía UV-visible. 
-Determinar su morfología mediante microscopía electrónica de transmisión de alta 
 resolución (HRTEM). 
 
 
 Para cumplir el objetivo, el trabajo está estructurado de la siguiente manera: 
 
 En el capítulo 1 se hace una breve introducción al mundo de las nanopartículas, así 
como las propiedades eléctricas y ópticas de los semiconductores en general y algunas de sus 
aplicaciones haciendo hincapié en el óxido de zinc. 
 
 El capítulo 2 aborda al óxido de zinc, pero ya en forma nanoestructurada, sus 
propiedades físicas, químicas y sus formas de síntesis; los fundamentos de las técnicas de 
caracterización de nanomateriales que se utilizaron, difracción de rayos X, microscopía 
HRTEM y espectroscopía UV-Visible. 
 
 El capítulo 3 describe el procedimiento experimental que se llevo a cabo. 
 
 El capítulo 4 muestra los resultados obtenidos en las diferentes rutas de síntesis y se 
hace un análisis de los mismos. 
 
 El capítulo 5 es de las conclusiones finales del trabajo en base al objetivo planteado y 
a los resultados obtenidos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 6
CAPÍTULO 1 
 
 ANTECEDENTES 
 
1.1 NANOPARTÍCULAS 
 
 En la vida cotidiana cada vez se utilizan mas términos como nanociencia, 
nanotecnología, nanomateriales, nanoestructuras, nanopartículas, y esto se debe a que sin 
duda, una de las áreas prioritarias en el desarrollo científico y tecnológico actual está enfocada 
a la Nanotecnología. Nanociencia y Nanotecnología, ciencia básica y ciencia aplicada 
respectivamente, tienen su fundamento en el estudio de los fenómenos ocurridos en la 
nanoescala y en los llamados nanomateriales, constituyendo un nuevo dominio científico que 
ha surgido para el diseño, fabricación y aplicación de nanoestructuras o nanomateriales, 
logrando el entendimiento fundamental de la relación entre las propiedades o fenómenos 
físicos y químicos y las dimensiones de los materiales [1]. 
 
 Nanomateriales y Nanopartículas: 
 
 Los nanomateriales son una nueva clase de materiales (sean cerámicos, metales, 
semiconductores, polímeros, o bien, una combinación de estos), en donde por lo menos una 
de sus dimensiones se encuentra entre 1 y 100 nm. Estos representan una transición entre 
moléculas y átomos, y un material con dimensiones de sólido volumétrico (bulk). Mientras 
que un material en el orden micrométrico aún presenta propiedades similares a las de un 
sólido volumétrico (bulk), en los nanomateriales debido a su tamaño reducido a unos cuantos 
nanómetros, se modifican sus propiedades que finalmente difieren del mismo material con 
dimensiones de sólido volumétrico, de las moléculas y los átomos. De acuerdo al número de 
dimensiones quese encuentren en el régimen nanométrico, los nanomateriales se pueden 
clasificar en cuatro tipos, como se observa en la figura 1.1 a) materiales de dimensión cero: 
las tres dimensiones se ubican en el régimen nanométrico, a esta corresponden las 
nanopartículas; b) de una dimensión, teniendo una longitud variable, conservan una sola 
dimensión en el régimen de los nanómetros, como es el caso de los nanoalambres y 
nanotubos; c) de dos dimensiones, con áreas de tamaño indefinido, mantienen su espesor en el 
orden de 1 a 100 nm, como en el caso de películas delgadas, finalmente d) de tres 
dimensiones, en la que los sólidos tridimensionales están formados por unidades nanométricas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.1 Clasificación de nanomateriales: a) 0 D, nanopartículas de oro; b) 1 D, fibras 
poliméricas [3]; c) 2 D, películas poliméricas y d) 3 D, superred obtenida por autoensamblaje 
de nanopartículas de oro [2]. 
 
 
 
 7
Aunque el interés por el estudio de los nanomateriales surgió con gran fuerza en las 
últimas décadas, estos ya existían desde hace varios siglos atrás. 
 
 Las nanopartículas específicamente, han existido en el planeta por siglos, algunos 
ejemplos son las partículas de humo y las nanopartículas dentro de bacterias. Más adelante, en 
algunas civilizaciones antiguas ya se utilizaban, aprovechando sus propiedades ópticas y 
medicinales. 
 
 Las nanopartículas metálicas en particular, poseen propiedades interesantes con 
aplicaciones en diversas áreas tecnológicas. Respecto a sus primeros usos puede citarse el 
caso de la cultura egipcia, que empleaba nanopartículas de oro como coloides medicinales 
para conservar la juventud y mantener buena salud (actualmente se siguen usando para 
tratamientos de artritis) y la civilización china, además de utilizarla con fines curativos, 
también las empleaba como colorantes inorgánicos en porcelanas [1]. Un caso de gran 
interés es el vaso de Lycurgus, creado por los romanos en el siglo IV DC, que quizás por 
accidente contenía nanopartículas. Este vaso aún se muestra en exhibición en el Museo 
Británico y tiene una característica muy interesante: su color es verde si la luz con la que se 
observa es reflejada, y cambia a rojo si la luz es transmitida a través de él como se muestra en 
la figura 1.2. Análisis de este vaso muestran que está compuesto de una matriz de vidrio que 
contiene una pequeña cantidad de nanopartículas metálicas (de aproximadamente 70 nm) de 
oro y plata en una relación molar de 14:1, y estas son las responsables de este fenómeno 
óptico [4]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 1.2. Vaso de Lycurgus. Compuesto de vidrio con nanopartículas metálicas. Vista con a) Luz 
transmitida y b) luz reflejada. 
 
 
 
 
 8
 Aún cuando se tenían antecedentes de la utilización de nanopartículas metálicas, no es 
sino hasta 1857 que Faraday realiza el primer estudio sistemático de nanopartículas, 
presentando un estudio de la síntesis y propiedades de coloides de oro [5]. Desde esa época 
hasta la fecha, grandes avances se han logrado en el conocimiento de las nanopartículas 
metálicas: se han desarrollado diversos métodos de síntesis químicos y físicos, con la 
finalidad de poder diseñar sus dimensiones, forma, composición, y modificadores de 
superficie, y con esto controlar su comportamiento frente a diversos estímulos (radiación 
electromagnética o reactividad química, entre otros) [6]. 
 
 Asimismo, se ha profundizado en el conocimiento de su estructura electrónica con 
base en el número de átomos que las conforman y su efecto, y en las propiedades del material. 
 
 A medida que la dimensión de las partículas se reduce, sobre todo en el intervalo de 1 
a 10 nm, los efectos de tamaño y de superficie son cada vez más notables. Entre los efectos de 
tamaño más importantes, se ha determinado que el confinamiento de los electrones, en 
nanopartículas metálicas y semiconductoras tiene interesantes implicaciones, como es la 
manifestación de efectos cuánticos en el material, y que pueden percibirse a través de sus 
propiedades magnéticas y/o de conducción electrónica, por ejemplo, así como de algunas 
propiedades termodinámicas, como la capacidad calorífica. Es por esto que a este tipo de 
partículas se les ha conocido también como puntos cuánticos [7]. 
 
 Por otra parte, también los efectos de superficie son de gran importancia, ya que se 
tiene en las partículas pequeñas un incremento en áreas superficiales por unidad de volumen y 
en energías libres superficiales respecto los sólidos volumétricos [8]. Debido a que los 
átomos en la superficie de la nanopartícula están menos “enlazados” que el resto de sus 
átomos, y su esfera de coordinación está incompleta, se incrementa su energía libre 
superficial, afectando propiedades como temperatura de fusión y reactividad química. Se ha 
reportado por ejemplo, que la temperatura de fusión de nanopartículas de Pt se reduce de 
1773 grados centígrados en un sólido volumétrico a 600 grados centígrados en nanopartículas 
de 8 nm en promedio [9]. Por otra parte la absorción óptica en nanopartículas también es un 
fenómeno de superficie que se modifica, y se puede modular dependiendo de las 
características de la partícula (composición, tamaño, protectores de superficie, etc.). 
 
 El conocimiento de este tipo de propiedades y características ha hecho posible aplicar 
nanopartículas en diversas tecnologías, en áreas como electrónica, medicina, y catálisis, pero 
existen otras áreas en donde las nanopartículas han sido empleadas, no solo para crear 
dispositivos sofisticados o de alta precisión. Aunque se ha marcado como línea prioritaria en 
un futuro inmediato la aplicación de nanopartículas (de metales y semiconductores 
principalmente) en áreas de almacenamiento, producción y conversión de energía [11], en la 
actualidad se encuentran ya formando parte de productos, equipos y sistemas de uso común 
para la población, aunque en múltiples ocasiones esto no sea tan evidente. Así podríamos citar 
diversos casos, por ejemplo, según reporte de Forbes [12] , 6 de los 10 principales productos 
comercializados en Nanotecnología durante 2004, fueron generados con base en 
nanopartículas. 
Uno de los sectores industriales en donde se ha observado un rápido crecimiento con 
base en nanopartículas es el área de deportes. 
 
 
 9
 1.2 APLICACIONES 
 
 
 Algunas aplicaciones de nanopartículas metálicas, cerámicas y poliméricas se 
mencionan a continuación. 
 
 Medicina. 
 
a) Gasas para quemaduras serias o heridas crónicas, desarrolladas y creadas por la 
compañía canadiense Weistmer. Contiene nanopartículas de plata. La plata es un 
bactericida, que en forma de nanopartículas incrementa su área superficial mejorando 
la eficiencia antibacteriana contra 150 tipos de microbios, incluyendo los resistentes a 
drogas. Se utiliza actualmente en más de 100 de los 120 hospitales para quemados en 
Norteamérica. 
b) Crema para dolores musculares y articulaciones “Flex Power”. Crema del tipo de Ben 
Gay de Pfizer y Mineral Ice de Bristol Myers-Squibb, utiliza liposomas de 90 nm. 
c) Adhesivo Dental de 3M. “Adper Single Bond Plus Adhesive”, adhesivo con 
nanopartículas de silicio para formar uniones más fuertes con el esmalte y las coronas 
en trabajos de restauración dental, endodoncias o incrustaciones de porcelana. Pronto 
saldrá al mercado la pasta de dientes con nanohydroxiapatita, material utilizado para la 
regeneración de hueso y cirugía periodontal. 
 
Deportes. 
a) Pelotas de golf producidas por Nano Dynamics, que corrigen vibraciones o pequeños 
corrimientos, canalizando la energía recibida del palo de golf, mejor que las pelotas 
convencionales. Se espera que salga a la venta a principios del 2006. 
 
b) Pelotas de Tenis marca Wilson. Recubiertas de nanopartículas para alargar su duración 
Wilson Titanium Tournament All Court; no se calientan, son presurizadas para 
evitar la formación de pelusa.Higiene. 
a) Desinfectantes grado militar, utilizado en aviones para combatir el problema del 
SARS (síndrome respiratorio agudo severo) a base de nanoemulsiones; de metales 
pesados como los mercuriales, compuestos de plata, como el nitrato de plata, y 
compuestos de cobre, como el sulfato de cobre y el sulfato de zinc. Los desinfectantes 
se aplican sobre superficies o materiales inertes ya que no tienen actividad selectiva. 
 
Uso doméstico. 
a) Recubrimientos superhidrofóbicos repelentes de mugre, creado por BASF. Se emplea 
como recubrimiento de concreto, ladrillos y yeso, en la industria textil y automotriz. 
Es un aditivo a base de nanopartículas utilizado para reforzar el efecto hidrofóbico 
en materiales de construcción, reduciendo adhesión del agua y partículas de tierra al 
mínimo. Las partículas de mugre se lavan con el agua de lluvia. 
b) Lavadoras creadas por Samsumg. Con nanopartículas de plata incorporadas en la 
tina, conocidas por su poder bactericida. 
 
 
 10
 
Cuidados personales 
 
a) Great American Knitting Mills, Inc. ( Ney york City ), Guoxin Hosiery Series y 
Fibra antibacterial ( Hyosung de Korea del Sur): Textil con nanopartículas de plata 
empleada para la elaboración de calcetines y otros productos de vestir. Mpan 
NanoMagic Silver 99.9 % efectivas para prevenir infecciones como pie de atleta y 
otras causadas por pneumobacilo, colon bacili y hongos [13]. 
 
 
Algunos proyectos que se encuentran en desarrollo actualmente son: 
 
• Protección Ambiental [10] . Adicionar nanopartículas de dióxido de titanio 
en las banquetas o en las pinturas de las casas para que, en presencia de la luz 
del sol, se descompongan los contaminantes atmosféricos. 
• Medicina: Utilización de nanopartículas metálicas, de oro principalmente, 
para la detección de niveles de glucosa, y en conjunto con nanopartículas 
magnéticas para la detección de células cancerígenas, de VIH y Alzheimers 
en etapas tempranas (antes de que hagan crisis). 
• Electrónica: Empleo de nanopartículas metálicas para fabricar memorias para 
computadoras y nanotransistores. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 11
 1.3 PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE SEMICONDUCTORES 
 
 
 1.3.1 EL ESTADO SÓLIDO 
 
 En el estado sólido, las moléculas, átomos o iones que componen la sustancia 
considerada están unidas entre sí por fuerzas relativamente intensas, formando una estructura 
compacta. La mayor proximidad entre sus partículas constituyentes es una característica de 
los sólidos y permite que entren en juego las fuerzas de enlace que ordenan el conjunto, dando 
lugar a una red cristalina. En ella las partículas ocupan posiciones definidas y sus 
movimientos se limitan a vibraciones en torno a los vértices de la red en donde se hallan 
situadas. Por esta razón las sustancias sólidas poseen forma y volumen propios. 
 
 La mayor parte de los sólidos presentes en la naturaleza son cristalinos aun cuando en 
ocasiones esa estructura ordenada no se refleje en una forma geométrica regular apreciable a 
simple vista. Ello es debido a que con frecuencia están formados por un pequeño conjunto de 
cristales orientados de diferentes maneras, en una estructura policristalina. Los componentes 
elementales de una red cristalina pueden ser átomos, moléculas o iones, de ahí que no se 
pueda hablar en general de la molécula de un cristal, sino más bien de un retículo elemental o 
celda unitaria, que se repite una y otra vez en una estructura periódica o red cristalina. 
 
 Las propiedades físicas de los sólidos, tales como temperatura de fusión, capacidad 
para conducir la corriente, resistencia a la deformación, dureza, etc., dependen de las 
características de las fuerzas de enlace que unen las entidades elementales. Así, los sólidos 
iónicos, como las sales, son duros y a la vez frágiles, con puntos de fusión altos. Aunque son 
malos conductores de la electricidad sus disoluciones, sin embargo, presentan una 
conductividad elevada. Los sólidos formados por moléculas no polares como el Cl2, el H2 o el 
CO2, son blandos como corresponde a la debilidad de sus fuerzas de interacción entre ellas 
(fuerzas de Van der Waals). Presentan un punto de fusión bajo lo que indica que solo a bajas 
temperaturas, las débiles fuerzas ordenadores del enlace pueden predominar sobre el efecto 
disgregador del calor. Su conductividad eléctrica es extremadamente baja como corresponde a 
la ausencia de cargas libres. 
 
 Los sólidos formados por moléculas polares, como el agua, presentan características 
intermedias entre ambos tipos de sólidos, los iónicos y los no polares. Las características del 
enlace metálico con un gas de electrones externos compartidos hace que los sólidos metálicos 
sean buenos conductores de la electricidad y del calor, y dúctiles y maleables, aunque con 
elevados puntos de fusión. Un tipo de sólido de propiedades extremas lo constituyen los 
sólidos covalentes; están formados por una red tridimensional de enlaces atómicos fuertes que 
dan lugar a propiedades tales como elevados puntos de fusión, escasa conductividad y 
extraordinaria dureza. El diamante, que es carbono puro cristalizado, constituye un ejemplo de 
este tipo de sólidos [14]. 
 
 
 
 
 
 12
Los semiconductores constituyen los materiales sólidos clave en la fabricación de 
dispositivos electrónicos. Sus propiedades, mejoradas y aprovechadas gracias a la 
investigación básica y aplicada, no sólo han constituido un elemento clave en el desarrollo de 
la informática, la instrumentación científica de alto nivel y las telecomunicaciones, sino 
también en el diseño de aparatos electrodomésticos y de uso habitual. 
 
 Los semiconductores son elementos o sustancias químicas cuya conductividad 
eléctrica es intermedia entre la de un metal y un aislante. La conductividad eléctrica es una 
medida de la capacidad de un material para conducir una corriente y se mide en ohm -1 m -1 en 
el sistema MKS. Para un semiconductor los valores oscilan entre 103; y 10-9 Ω-1; cm -1; en 
comparación con valores de 107 para los buenos conductores y 10-17 para los buenos 
aislantes. 
 
Los semiconductores exhiben propiedades conductoras que pueden ser dependientes 
de la temperatura, lo cual permite su uso como termistores (resistores dependientes de la 
temperatura), o también dependientes del voltaje, como en los varistores. Constituyen también 
los diodos rectificadores, cuyo efecto se debe a que los semiconductores pueden presentar 
altas resistencias en función del sentido en que fluye la corriente eléctrica. Un uso muy 
extendido de dichos rectificadores se tiene en los componentes de equipos eléctricos 
diseñados para convertir la potencia eléctrica de corriente alterna a corriente directa. Son los 
constituyentes básicos de los llamados “eliminadores de baterías”, que tanto se utilizan para 
calculadoras de bolsillo y otros equipos que funcionan con corriente directa, en nuestros 
hogares u oficinas, que reciben una corriente alterna ( aproximadamente en 120 volts, a una 
frecuencia de 60 Hertz ). 
 
 La resistividad eléctrica, o sea el inverso de la conductividad, de los semiconductores 
también es dependiente de la presión y de la frecuencia de la radiación electromagnética, así 
como de la pureza y la perfección de sus estructuras cristalinas. 
 
 Existe un gran número de compuestos químicos con propiedades semiconductoras, 
como por ejemplo: óxido de cobre (II), sulfuro de zinc (ZnS), teluro de zinc (ZnTe), arseniuro 
de galio (GaAs), antimoniuro de indio (InSb), seleniuro de zinc (ZnSe), seleniuro de cadmio 
(CdSe), sulfuro de cadmio (CdS), óxido de titanio (TiO2), óxido de zinc (ZnO), y sulfuros, 
seleniuros y teluros de metales de transición entre otros [17]. 
 
 Sin lugar a dudas, el estudio de las propiedades físicas de los materiales 
semiconductores y sus sorprendentes aplicaciones en el desarrollo técnico de dispositivos 
eléctricos, representan una de las revoluciones científico-tecnológicas de mayor impacto sobre 
nuestrasociedad. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 13
Para tener una idea de la real magnitud de esta revolución pensemos por un momento 
en los transistores, probablemente la aplicación tecnológica más importante de los 
semiconductores. 
 
Cualquier habitante del mundo moderno se encuentra rodeado cotidianamente por 
millones de transistores. Están en el televisor, en el equipo de música, en la máquina de lavar, 
en el reloj de pulsera, en el teléfono celular. Un computador personal puede llegar a tener 
algunos miles de millones de transistores. De hecho en el mundo existen muchos más 
transistores que personas [18]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 14
 
 1.3.2 TEORIA DE BANDAS 
 
Todos los sólidos cristalinos presentan una estructura periódica, por lo que un electrón 
genérico que se viese sometido a la influencia de la red cristalina posee una energía potencial 
que varía de una forma periódica en las tres direcciones del espacio. Esta situación se traduce, 
de acuerdo con la mecánica cuántica, en que cada uno de los niveles de energía que 
corresponde a un átomo aislado se desdobla tanto más cuanto mayor es el número N de 
átomos constitutivos de la red, dando lugar a una serie de niveles prácticamente contiguos que 
en conjunto constituyen una banda de energía [15]. 
 
 El número máximo de electrones que pueden ocupar una banda determinada viene 
limitado por el principio de exclusión de Pauli que indica que en cada nivel atómico se 
pueden acomodar, a lo más, dos electrones, siempre que sus espines respectivos sean 
opuestos; por tal motivo en una cualquiera de las bandas correspondientes a una red cristalina 
formada por N átomos iguales, podrán acomodarse como máximo 2N electrones. 
 
 Las bandas de energía en un sólido cristalino desempeñan el mismo papel que los 
niveles electrónicos de un átomo aislado e incluso se representan de la misma manera 
mediante las letras s, p, d, f, etc.; por tanto, la energía de un electrón en un sólido sólo puede 
tomar valores comprendidos en alguna de las múltiples bandas de energía del sólido. 
 
 En algunos tipos de sólidos las bandas pueden solaparse y en otros, sin embargo, los 
correspondientes diagramas de energía aparecen separados por espacios intermedios que 
representan valores de la energía que no pueden poseer los electrones; por ello se les 
denomina bandas prohibidas. 
 
 La teoría de bandas permite explicar con una excelente aproximación el fenómeno de 
la conducción eléctrica en los sólidos. En algunos sólidos, la última banda no está ocupada 
completamente, lo que permite a los electrones de esa banda ganar energía por la acción de un 
campo eléctrico externo y desplazarse por la red. 
 
 La mayor parte de los metales presentan, no obstante, bandas superiores incompletas 
que se superponen entre sí permitiendo, asimismo, la movilidad de los electrones que son 
excitados por un campo eléctrico. Este movimiento de cargas en el seno de la red cristalina 
constituye una corriente eléctrica. 
 
 Una gran mayoría tanto de sólidos iónicos como de covalentes, son malos conductores 
de la electricidad (aislante). En ellos la banda más alta está completamente llena de electrones 
(banda de valencia). 
 
 Ello supone, de acuerdo con el principio de exclusión de Pauli, que los electrones no 
pueden ganar energía y saltar de un nivel a otro dentro de la banda, lo que equivale a restringir 
su movilidad al entorno de su núcleo atómico [16]. 
 
 Además la siguiente banda vacía (banda de conducción) esta lo suficientemente 
separada de aquélla como para que la banda prohibida no pueda ser salvada por la acción de 
un campo eléctrico ordinario. Tal circunstancia explica su reducida conductividad eléctrica. 
 15
 Existen algunos sólidos como el silicio y el germanio que tienen una estructura de 
bandas parecida a la de los aislantes. Sin embargo, en ellos la banda prohibida que separa la 
de valencia, completamente llena, y la de conducción completamente vacía, es estrecha, de 
modo que es posible excitar los electrones más altos de la banda de valencia y transferirlos a 
la de conducción. 
 
 En tal caso se puede hablar tanto de una conducción por los electrones de la banda 
superior, como de conducción por lo huecos que se generan en la banda inferior y que se 
comportan como cargas positivas. Se trata de sólidos semiconductores. El hecho de que su 
banda prohibida sea estrecha permite bombear electrones a la banda de conducción sin más 
que elevar suficientemente la temperatura. 
 
La conductividad σ varía enormemente entre aislantes y conductores. El cociente de 
conductividad entre los mejores conductores (como el cobre a bajas temperaturas) y los 
mejores aislantes σCu / σaislante = 10 32, representa el intervalo de valores más amplio para una 
propiedad física de los sólidos. El enorme intervalo constituye un fuerte indicio de que las 
propiedades de transporte de carga no son susceptibles de una explicación basada en un 
modelo clásico. Como veremos a continuación, una adecuada explicación para este fenómeno 
sólo puede ser proporcionada por la mecánica cuántica [19]. 
 
La teoría cuántica nos enseña que los átomos tienen niveles de energía discretos 
cuando están aislados unos de otros. Sin embargo, si consideramos una gran cantidad de 
átomos la situación cambia dramáticamente. Realicemos un experimento imaginario en el que 
un conjunto de n átomos idénticos inicialmente aislados son gradualmente acercados entre si 
para formar una red cristalina. Observaremos los siguientes cambios en su estructura 
electrónica: 
 
*Cuando los N átomos se encuentran muy próximos, las funciones de onda 
electrónicas se empiezan a traslapar, la interacción entre ellos ocasiona que cada nivel 
energético se divida en n niveles con energías ligeramente diferentes. 
 
*En un sólido macroscópico, N es del orden de 1023, de modo que cada nivel se divide 
en un número muy grande de niveles energéticos llamados bandas. Los niveles están 
espaciados casi continuamente dentro de una banda. 
 
*Las bandas de energía, llamadas también bandas permitidas, se encuentran separadas 
unas de otras por brechas denominadas bandas prohibidas. El ancho de estas bandas 
dependerá del tipo de átomo y el tipo de enlace en el sólido. Las bandas se designan por las 
letras s, p, d, etc., de acuerdo al valor del momentum angular orbital del nivel energético al 
cual están asociadas. 
 
 
 
 
 
 
 
 16
De acuerdo al principio de exclusión de Pauli, si consideramos un cristal compuesto 
por n átomos, cada banda podrá acomodar un máximo de 2* (2 l + 1) N electrones, 
correspondientes a las dos orientaciones del espín a las 2 l + 1 orientaciones del momentum 
angular orbital. Agreguemos finalmente que, de no ser por el principio de exclusión, los 
electrones se agolparían en su estado de mínima energía haciendo imposible la formación de 
bandas, ver figura 1.3 [20]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.3. Formación de bandas de energía como función de la separación de los átomos. Si 
existen muchos átomos cada nivel de energía se divide en un conjunto casi continúo de niveles que 
constituyen una banda. 
 
Las bandas asociadas con las capas completas internas en los átomos originarios 
tienen las cuotas exactas de electrones que les permite el principio de exclusión de Pauli. En 
estas bandas los orbitales no sufren alteraciones significativas y retienen su carácter atómico 
al formarse el sólido. Sin embargo, la banda correspondiente a la capa atómica más externa, 
ocupada por los electrones de valencia, es la más interesante en lo que se refiere a las 
propiedades de los sólidos. Si la banda más externa no está completamente llena, se denomina 
banda de conducción. Pero, si está llena, se llama banda de valencia y la banda vacía que 
queda inmediatamente encima de esta última recibe el nombre de banda de conducción. 
 
 Estamos ahora en condiciones de definir los distintos tipos de materiales de 
acuerdo a suspropiedades de transporte de corriente eléctrica: 
 
CONDUCTOR: Es toda sustancia en que la energía del primer estado electrónico 
vacío se encuentra inmediatamente adyacente a la energía del último estado electrónico 
ocupado. En otros términos, un conductor es un material en el cual la última banda ocupada 
no está completamente llena. 
AISLANTE: Es toda sustancia en que la energía del primer estado electrónico vacío se 
encuentra separada, por una brecha finita, de la energía del último estado electrónico ocupado. 
SEMICONDUCTOR: Es un material aislante en que el ancho de banda prohibida es 
menor que 1 eV. 
 
 
 17
A fin de precisar nuestra definición de semiconductor recordemos que a temperatura 
ambiente (T = 300 oK ) la energía térmica transferida a un electrón de la red es del orden de 
KBT = 0.025 eV. Esta energía es suficiente para que una pequeña fracción de los electrones en 
la banda de valencia pueda “saltar” a la banda desocupada. Sin embargo, a temperatura nula 
ningún electrón podrá ocupar la banda superior. Por lo tanto, los semiconductores a T = 0 oK 
son aislantes. Esto nos permite definir los semiconductores como aisladores de banda 
prohibida angosta. La figura 1.4 muestra esquemáticamente las diferencias existentes entre las 
tres clases de sólidos de acuerdo a sus propiedades de transporte de carga [21]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.4. Conductores, semiconductores y aislantes desde el punto de vista de la teoría de bandas. 
 
Hasta ahora sólo hemos hablado acerca de materiales semiconductores naturales, los 
que definimos como aisladores de banda prohibida angosta; ellos reciben el nombre de 
semiconductores intrínsecos. Sin embargo, existe la posibilidad de diseñar y fabricar 
materiales con características eléctricas específicas “a la medida” agregando, de manera 
controlada, impurezas a semiconductores. Este proceso de introducción de impurezas extrañas 
se denomina dopaje. 
 
 Consideremos los efectos de estas impurezas en el silicio (Si), uno de los 
semiconductores de uso más frecuente como lo muestra la figura 1.5. La configuración 
electrónica del Si es (Ne) 3s2 3p2, de modo que tiene cuatro electrones de valencia. Para fijar 
ideas, veamos que sucede si reemplazamos algunos de los átomos de Si por átomos de fósforo 
(P) que tienen cinco electrones de valencia y cuya configuración electrónica es (Ne) 3s2 3p3: 
 
 *Por cada átomo de P que se agrega aparece un estado electrónico nuevo y adicional 
en la banda prohibida. Este nivel se ubica justo por debajo de la banda de conducción del Si. 
 *Cada átomo de P utiliza cuatro de sus cinco electrones de valencia para formar 
enlaces con cuatro átomos de Si vecinos, quedando un electrón extra que necesita liberar para 
alcanzar su configuración más estable de ocho electrones. La energía térmica es suficiente 
para que el electrón extra sea transferido a la banda de conducción dejando atrás un ión 
positivo P+ inmóvil. 
 *Los átomos de P se llaman átomos dadores, y la conductividad eléctrica en este tipo 
de semiconductores implica fundamentalmente movimiento de electrones procedentes de los 
átomos dadores a través de la banda de conducción. Este tipo de semiconductores se 
denominan de tipo-n, donde n se refiere a negativo, el tipo de carga eléctrica que transportan 
los electrones. 
 
 18
 Reemplacemos ahora algunos átomos de Si por átomos de aluminio (Al) cuya 
configuración electrónica es (Ne) 3s2 3p1 de manera que tiene tres electrones de valencia. 
 
 *Por cada átomo de Al que se agrega aparece un estado electrónico nuevo que se 
encuentra justo por encima de la banda de valencia del Si. 
 *Cada átomo de Al utiliza sus tres electrones de valencia para formar enlaces con tres 
átomos de Si vecinos. La capa externa del Al tratará de capturar un electrón extra de la banda 
de valencia para conformar una capa estable de ocho electrones. 
 
 
 *Un electrón se transfiere con facilidad desde la banda de valencia hasta el nivel 
aceptor, formando un ión negativo inmóvil. Cuando esto ocurre, se crea una vacante positiva 
en la banda de valencia. Debido a que en este tipo de semiconductores la conductividad 
eléctrica consiste fundamentalmente en la transferencia de vacantes positivas, se les denomina 
semiconductores de tipo-p [18]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figra 1.5 En un semiconductor con átomos dadores (por ejemplo P en Si), el nivel dador se encuentra 
justo por debajo de la banda de conducción. Los electrones son promocionados facilmente a la banda de 
conducción. El semiconductor es de tipo n. En un semiconductor con átomos aceptores (por ejemplo Al en Si), 
el nivel aceptor se encuentra justo por encima de la banda de valencia. Los electrones son promovidos fácilmente 
al nivel aceptor dejando agujeros positivos en la banda de valencia. El semiconductor es de tipo p. 
 
 
 1.3.3 APLICACIONES DE SEMICONDUCTORES 
 
 A partir de la década de 1950, los dispositivos semiconductores – conocidos también 
como dispositivos de estado sólido - reemplazaron los tubos electrónicos de la industria 
tradicional. Por la enorme reducción de tamaño, consumo de energía y costo, acompañada de 
una mucha mayor durabilidad y confiabilidad, los dispositivos semiconductores significaron 
un cambio revolucionario en las telecomunicaciones, la computación, el almacenamiento de 
información, etc. 
 
 Desde el punto de vista de su forma de operación, el dispositivo semiconductor más 
simple y fundamental es el diodo; todos los demás dispositivos pueden entenderse en base a 
su funcionamiento [22,27]. 
 
 
 
 
 19
 Cuando un semiconductor de tipo n y otro de tipo p se unen del modo indicado en la 
figura 1.6, las concentraciones inicialmente desiguales de electrones y vacantes dan lugar a 
una transferencia de electrones a través de la unión desde el lado p al n y de vacantes desde el 
n al p. Como resultado, se crea una doble capa de carga en la unión semejante a la de un 
condensador de placas paralelas, siendo negativo el lado p y positivo el lado n. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.6. Unión pn. Debido a la diferencia de sus concentraciones, las vacantes se transfieren 
del lado p al n y los electrones se difunden del lado n al p. Como resultado, existe una doble capa de 
carga en la unión, siendo negativo el lado p y positivo el lado n. 
 
Existe por tanto una diferencia de potencial V a través de la unión que tiende a inhibir 
una transferencia posterior. La región de la unión se llama región de agotamiento por que está 
desprovista de portadores de carga. 
 
 Establezcamos ahora la diferencia de potencial externa a través de la unión pn 
mediante una batería. Cuando el terminal (+) de la batería se conecta al lado p de la unión 
como se muestra en la figura 1.7, se dice que la unión está sometida a una polarización 
directa. Este tipo de polarización disminuye el potencial a través de la unión. La transferencia 
de electrones y vacantes se incrementa, por tanto, en un intento de reestablecer el equilibrio, 
dando lugar a una corriente en el circuito. 
 
 Si el terminal (+) de la batería se conecta al lado n de la unión figura 1.7b, se dice que 
la unión está inversamente polarizada. La polarización inversa tiende a incrementar la 
diferencia de potencial a través de la unión, inhibiendo, por tanto, la transferencia posterior. 
Esencialmente la unión conduce en una sola dirección. 
 
 
 
 
Figura 1.7 Diodo de unión pn. (a) Unión pn con polarización directa. La diferencia de potencial 
aplicada estimula la transferencia de vacantes del lado p al n y de electrones del lado n al p, dando lugar a una 
corriente I. (b) Unión pn con polarización inversa. La diferencia de potencial inhibe la transferencia posterior de 
vacantes y electrones, de modo que no hay corriente. 
 20
Los diodos tienen múltiples aplicaciones. La más evidente, y que se desprende 
directamente de la discusión anterior,es la conversión de la corriente alterna en continua, 
proceso que se llama rectificación. Otras aplicaciones de interés son las células solares, que 
convierten la energía luminosa en energía eléctrica, y los diodos emisores de luz (LEDs) que 
se utilizan corrientemente en las pantallas de relojes digitales y calculadoras [23,24]. 
 
 Naturalmente, las aplicaciones no podrían estar completas si no se menciona al 
dispositivo de estado sólido más relevante desde el punto de vista tecnológico; el transistor. 
Dicho en términos simples, el transistor es un dispositivo utilizado para producir una señal de 
salida en respuesta a una señal de entrada. Una de las formas más simples que puede adoptar 
un transistor se consigue uniendo tres piezas de material semiconductor. Estos materiales 
pueden ser tanto npn como pnp. Ambos tipos conforman lo que se denomina un transistor de 
unión bipolar, que consiste esencialmente de tres regiones distintas llamadas emisor, base y 
colector. Entre las aplicaciones del transistor bipolar podemos mencionar su uso como 
amplificador de corriente. Mediante la introducción de una pequeña señal de entrada en forma 
de una corriente variable aplicada a la base Ib, se producirá una corriente de colector Ic, que es 
una fiel copia de la señal de entrada, pero aumentada. Es costumbre expresar la corriente de 
salida Ic en la forma Ic = βIb, donde β se denomina ganancia de corriente del transistor. Los 
transistores pueden tener valores de β desde 10 hasta varios centenares [25,26]. 
 
 En los dispositivos electrónicos se emplean también transistores pero como 
interruptores. Si no colocamos voltaje entre base y el emisor, muy pocos electrones serán 
capaces de pasar del emisor al colector. El transistor se comporta entonces como un 
interruptor cerrado, rechazando prácticamente todo flujo de corriente. Pero si aplicamos un 
voltaje alto entre el emisor y la base, la corriente podrá fluir libremente. En este caso el 
transistor se comporta como un interruptor abierto. Realizando diferentes combinaciones 
entre transistores es posible desarrollar elementos lógicos que ejecuten desde las simples 
operaciones aritméticas de una calculadora de bolsillo, hasta los sofisticados cálculos 
matemáticos involucrados en un vuelo espacial. 
 
 Las aplicaciones prácticas de los semiconductores son innumerables. Para hacer 
justicia al vasto y complejo campo científico y tecnológico inaugurado por los dispositivos de 
estado sólido, sería necesario miles de hojas, de allí la importancia de la síntesis de los 
materiales semiconductores cerámicos, y que en tamaño de nanopartículas sus propiedades 
pueden ser aún más aprovechables [21]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 21
 1.4 PROPIEDADES ÓPTICAS DE SEMICONDUCTORES 
 
 Explicar y predecir las propiedades de los sólidos a partir de los átomos 
constituyentes, es uno de los principales objetivos de la física de la materia condensada. La 
utilización de mediciones ópticas ha sido una de las formas tradicionales para lograr un 
entendimiento de las propiedades de los átomos, y posteriormente se ha convertido en una de 
las herramientas más poderosas para obtener las propiedades ópticas y electrónicas de los 
semiconductores. A diferencia de los espectros de los átomos gaseosos que son líneas 
angostas que llevan a una interpretación directa en términos de transiciones electrónicas, los 
sólidos presentan espectros más anchos que implican experimentos y teorías más sofisticadas 
para su interpretación [59]. 
 Los semiconductores difieren de los metales en que no tienen o tienen pocos 
electrones libres presentes. 
 Se deduce que por cada electrón que es excitado a la banda de conducción se genera el 
correspondiente hueco en la banda de valencia. Al proceso global se le conoce como la 
formación del “par electrón-hueco” y, aunque esto implica una separación de cargas, debe 
notarse que en su conjunto el material sigue siendo eléctricamente neutro. Cuando un 
semiconductor tiene la misma cantidad de electrones en la banda de conducción que de 
huecos en la de valencia se dice que es intrínseco. Esta situación casi nunca se presenta en la 
realidad, pues pequeñísimas cantidades de impurezas o leves defectos estequiométricos 
ocasionan que las poblaciones de electrones excitados y de huecos no sean idénticas. 
 La presencia de la banda prohibida como región de energías inaccesible a los 
electrones se basa en la cuantización característica de cada material cuando es puro. Si se 
tiene la presencia de otro u otros elementos dentro de la red cristalina de dicho material, es 
probable que los niveles de energía de estas impurezas queden contenidos dentro de la banda 
prohibida del material de base. 
 Este fenómeno puede presentarse si el material contiene impurezas o defectos por sí 
mismo, o bien, si deliberadamente se introducen otros elementos en la red cristalina del 
semiconductor. 
 Los efectos ópticos considerados generalmente están muy basados en la aproximación 
del electrón independiente e involucra sólidos perfectos. Los efectos que involucran más que 
un electrón o involucran sólidos imperfectos son los siguientes: El primero es el estudio que 
muestra al par electrón-hueco y los efectos de la interacción de Coulomb entre ellos, esto da 
lugar a los llamados EXCITONES. 
 Supóngase que un fotón es irradiado sobre un semiconductor o aislante con una 
energía más grande que la energía de banda prohibida Eg. Esto es suficiente para crear un par 
electrón-hueco (por ejemplo uno en el cual el electrón y el hueco son independientes uno del 
otro). Sin embargo desde el principio hay una atracción de Coulomb entre ambos y también 
existe un estado de salto, y este puede ser producido con fotones de energía por debajo de Eg. 
Estos estados son excitaciones y dan lugar a picos en el espectro de absorción abajo del borde 
de la banda. Una descripción de la excitación requiere ir más allá de la aproximación del 
electrón independiente y es un ejemplo de un efecto de correlación. 
 La emisitividad ε de un material es una propiedad óptica que provee información 
acerca del comportamiento térmico irradiativo (por ejemplo, como se comporta el material 
con una fuente térmica de energía irradiante en forma de ondas electromagnéticas). La 
emisitividad juega un papel particularmente importante en el comportamiento de materiales a 
temperaturas elevadas, donde el poder total irradiado es proporcional a ε y T4. Aunque la 
emisitividad es una propiedad intrínseca, esta es sin embargo bastante sensible al tamaño, 
 22
estructura y condiciones de superficie del material. La definición de ε puede ser dada en 
términos de la absorción óptica del material: 
 
Emisitividad, ε = Absorción, a 
 
 Esta expresión indica que la emisión y la absorción están relacionadas en el proceso y 
es una efectiva declaración de la ley de conservación de la energía para un objeto sólido que 
está en equilibrio térmico con sus alrededores. En otras palabras, la energía térmica emitida o 
irradiada por un sólido es equivalente a la cantidad de energía que es absorbida bajo 
condiciones de equilibrio térmico. 
 La respuesta óptica de los semiconductores en las regiones del infrarrojo (0.01 a 1.7 
eV) visible (1.7 a 3 eV) y cerca del ultravioleta (3 a 10 eV) puede involucrar la excitación de 
electrones en los planos de un cristal (fonones), estos se emplean para el estudio de la 
contribución iónica al calor específico, expansión térmica y conductividad térmica de sólidos. 
Como se puede ver los fonones proveen un apropiado enlace entre el mundo microscópico, de 
los átomos y sus interacciones, y el mundo macroscópico de materiales reales y sus 
propiedades térmicas y de transporte – pares de electrones y huecos, y otras especies las 
cuales como excitones y polarización. El fenómeno asociado a la absorción de luz incluye 
fotoconductividad, fotoluminiscencia, el efecto Raman y Brillouin y otros efectos 
relacionados al campo eléctrico como la electroluminiscencia y efectoselectro-ópticos. La 
recombinación de electrones en la banda de conducción con huecos en la de valencia puede 
resultar en la emisión de luz vía el proceso irradiador: 
 
Electrón + Hueco → Fotón 
 
 Procesos no irradiativos son también posible en los cuales los fonones son emitidos 
como un resultado de otra recombinación de pares electrones-huecos o de electrones o huecos 
profundos dentro de sus respectivas bandas de energía “cayendo” dentro de los más bajos y 
engañosos niveles vacantes de energía, en relación con eso hay una perdida de energía en los 
planos cristalinos lo cual finalmente se manifiesta en forma de calor. 
 La fotoconductividad corresponde al incremento en la conductividad eléctrica σ de 
un semiconductor por encima de la conductividad oscura σ0 cuando la luz es absorbida. Este 
incremento es fácil de entender en términos del incremento resultante del número de cargas 
transportadas, entre ambos electrones y huecos. 
 El incremento fotoinducido en σ puede escribirse como: 
 
Δσ = Δn eμp + Δp eμh, 
 
Donde Δn y Δp son los incrementos en la concentración de electrones y huecos, 
respectivamente, resultado de la absorción de luz por encima de la banda prohibida. Cuando 
ambos electrones y huecos son creados Δn = Δp y la fotoconductividad es llamada intrínseca. 
Cuando otros electrones o huecos son excitados desde niveles defectuosos en la energía 
prohibida dentro de la banda de valencia o conducción respectivamente solo un tipo de 
transporte puede ser responsable de la fotoconductividad y ésta es extrínseca. 
 La menor dimensión de la eficiencia cuántica η (ω) es definida por ser la fracción de 
fotones absorbidos con una energía ћω la cual genera pares de electrones-huecos. El rango de 
fracción dependiente GL (ω) generador de transportadores, por unidad de volumen, en un 
semiconductor uniformemente iluminado será dado por: 
 23
 
 
 Aquí I0 es la intensidad de la luz incidente y α es el coeficiente de absorción. El 
incremento resultante en la concentración de electrones y huecos en un semiconductor tipo-n 
bajo condiciones de estado estable, esta dada por 
 
 
 
Donde τP es el tiempo de reacomodación o tiempo de vida para huecos portadores 
menores. La medida de ambos Δσ y τP bajo condiciones de estado estable permite determinar 
la eficiencia cuántica η. En un semiconductor tipo-p el tiempo de vida del menor 
transportador τn para electrones en la banda de conducción estará controlada por ambas Δn y 
Δp. 
 
La luminiscencia en semiconductores se refiere al proceso óptico en el cual la energía 
en la forma de luz irradiante, inyecta portadores, bombardeando electrones, o energía térmica 
excita electrones y huecos los cuales finalmente se relajan guiando finalmente a la emisión de 
energía óptica en la forma de fotones cuando ocurre la recombinación de electrones y huecos. 
Hay cuatro tipos de luminiscencia que están clasificadas acorde a la fuente de la energía de 
excitación y son conocidas como FOTO-LUMINISCENCIA, ELECTRO-LUMINISCENCIA, 
CÁTODO-LUMINISCENCIA Y TERMOLUMINISCENCIA. La electroluminiscencia juega 
un papel importante en la operación de uniones de semiconductores lasers y diodos emisores 
de luz. 
 
La fotoluminiscencia, es el proceso óptico que corresponde a la absorción y 
subsecuente y espontánea emisión de luz a la más baja frecuencia de energía. La 
fotoluminiscencia empieza con la absorción de luz por debajo de la banda prohibida, lo cual 
resulta en la creación de una distribución no equilibrada de pares de electrones-huecos. Esta 
fotoexcitación transporta típicamente energía perdida y relaja al borde apropiado de la banda 
vía emisión no irradiativa de fonones. Este proceso es conocido como termalización. 
 
Cuando los electrones finalmente retornan a la banda de valencia, como resultado en 
el espectro de la luz emitida puede proveer información no solo acerca de la absorción en los 
bordes si no también acerca de los niveles de energía de los EXCITONES, de impurezas 
superficiales del donador y receptor, y también de impurezas cuyos niveles de energía falsos 
cerca o en medio de la banda prohibida, lejos de los bordes de la banda. 
 
El hecho de que los semiconductores juegan un papel crucial en una amplia variedad 
de aplicaciones en electrónicos, microelectrónicos y optoelectrónicos es debido en gran parte 
a la habilidad de poder crear dispositivos semiconductores en los cuales el movimiento de 
electrones y huecos pueden ser controlados rápidamente y confiablemente. 
 
 
 24
Son usados para propagación de luz como fibras ópticas, generación de luz como 
lasers, diodos emisores de luz, incluyendo una ingeniería de banda prohibida de materiales 
ópticos, que incluyen dispositivos muy sofisticados como lasers de cascada cuántica, lasers de 
punto cuántico, materiales ópticos no lineales, también en la grabación de luz como lo es la 
fotografía, fotoconductores y xerografía, materiales fotorrefractivos y de efecto electrópticos 
[15]. 
 
 
 El óxido de zinc es un material semiconductor con aplicaciones importantes en varios 
campos, por ejemplo transductores, sensores químicos, cubiertas ópticas, celdas fotovoltáicas 
y fotocatalizadores. 
 
 Los semiconductores para reacciones fotocatalíticas deben tener condiciones tales 
como alta fotoactividad, alta fotoestabilidad, alta sensibilidad para la luz UV-visible y bajo 
costo de fabricación. Una característica muy importante de un semiconductor para ser usado 
como fotocatalizador es su energía de banda prohibida Eg (región angosta de energía entre la 
banda de valencia electrónicamente poblada y la banda de conducción vacía). Ésta y otras 
propiedades químicas y electrónicas de un compuesto pueden cambiarse según el método de 
preparación. La transformación de las fases, su área específica y la morfología dependen de 
toda la historia de síntesis de la muestra [28]. 
 
 El proceso sol-gel ha tenido últimamente gran importancia científica y tecnológica en 
la síntesis de polvos cerámicos, fibras y recubrimientos, debido a que ofrece ventajas y nuevas 
opciones sobre otros métodos. La estructura final del material depende de varios parámetros, 
pH de reacción, estabilidad de los reactivos, cantidad de agua y temperatura de reflujo, 
[29,30]. Este método de vía húmeda consiste en varias etapas: hidrólisis, polimerización, 
gelación, secado, deshidratación y densificación. El proceso debe su nombre al rápido 
incremento en la viscosidad que ocurre en un punto en particular de la secuencia de las etapas. 
Este método en la práctica inicia a partir de sales inorgánicas, soluciones coloidales o 
precursores organometálicos en agua o solventes orgánicos [31]. 
 
 Se sabe que para sintetizar el polvo del óxido por síntesis de estado sólido, se tienen 
dificultades en la distribución de la partícula fina debido al crecimiento anormal del cristal a 
temperatura alta. Por otra parte la síntesis del óxido por preparación química húmeda, tal 
como el método sol-gel y de precipitación tienen la ventaja de formar partículas uniformes así 
como requerir temperaturas más bajas. 
 
 Por otro lado, las propiedades texturales de un sólido son de gran importancia en el 
campo de la catálisis heterogénea. El área superficial y el tamaño de poro determinan la 
accesibilidad de los sitios activos, lo cual, generalmente es asociado a la actividad y 
selectividad del catalizador. Es por esta razón que en éste trabajo, se reporta la síntesis del 
ZnO en tamaño de nanopartículas por el método sol-gel comparando las características de éste 
con las que presenta el ZnO en tamaño de partícula grande [32]. 
 
 
 
 
 
 25
 1.5 GENERALIDADES DEL ÓXIDO DE ZINC 
 
 
 El óxido de zinc es el compuesto de zinc de mayor importancia comercial. Se utiliza 
en las industrias del caucho, pinturas, cerámica, emolientes y pigmentos fluorescentes, aunque 
para este uso predomina el sulfuro y el silicato de zinc. Además, el óxido de zinc se usa 
ordinariamente como material inicial en la manufactura decompuestos organometálicos que 
contienen zinc. Como los aceleradores de la vulcanización del caucho. 
 
 Para dar una idea de los múltiples fines por los que se incorpora el óxido de zinc a otro 
material básico, se puede citar el ejemplo del caucho. A continuación se da una lista 
incompleta de las funciones que desempeña el óxido de zinc en el caucho, particularmente 
usados en los neumáticos o para aislamiento eléctrico: activación del acelerador orgánico, 
refuerzo mecánico, alta conductividad térmica, poca generación de calor ( en la flexión ), alta 
capacidad calorífica, buenas características adhesivas, mejora el envejecimiento ( por actuar 
como limpiador de ácido ), alto poder de ocultación, aumento de la resistencia a la luz solar 
por su gran opacidad a la luz ultravioleta ; en el thiokol, como vulcanizador. 
 
 
 
 1.5.1 PROPIEDADES FÍSICAS 
 
 Algunas de las propiedades físicas del óxido de zinc están enumeradas en la tabla 1.1. 
De gran importancia es el hecho que absorbe completamente la luz ultravioleta por debajo de 
los 366 nm y, eso es algo sin par entre los pigmentos blancos. Tiene un alto índice de 
refracción que lo hace un buen pigmento blanco, con diámetro de moléculas promedio de 0.25 
micrómetros para máxima dispersión de la luz. La estructura del óxido de zinc es probable 
que estabilice defectos, como exceso de zinc o deficiencia o inclusión de iones extraños y por 
lo tanto tiene útiles propiedades semiconductoras. Indistintamente óxidos dopados son usados 
para fotocopiado, catálisis y fosforescencia. 
 
 
 
 1.5.2 PROPIEDADES QUÍMICAS 
 
 El óxido de zinc actúa como un material anfotérico, reacciona con ácidos para formar 
sales de zinc y álcalis fuertes para formar zincatos. En la vulcanización del hule, el papel 
químico del óxido de zinc es complejo, es usado como acelerador en ciertos elastómeros, por 
ejemplo, el neopreno, y thiokoles, los cuales contienen cloro y azufre en las moléculas del 
polímero. El óxido de zinc, reacciona con el dióxido de carbono en aire húmedo para formar 
oxicarbonatos. Gases ácidos, por ejemplo, H2S, SO2, y Cl2, reaccionan con el óxido de zinc y 
monóxido de carbono e hidrógeno lo reducen a metal. A altas temperaturas, reemplaza al 
dióxido de sodio en vidrios de silicato. Una importante propiedad del óxido de zinc es la 
acción fungicida [33]. 
 
 
 
 
 26
 
 
 
TABLA 1.1 PROPIEDADES FÍSICAS DEL ZnO 
 
 
 PROPIEDAD VALOR 
 Mp, oC ca 1975 (subl) 
 Color blanco en polvo fino 
 Índice de refracción,0.5μm 2.015, 2.068 
 Gravedad específica 5.68 
 Solubilidad en agua a 9.7 
 pH mínimo 
 Kps Zn(OH)2 4.5 x 10 -17
 Capacidad calorífica a 
 25 oC, J/mol oC 40.26 
 ΔH formación a 419.5-907 -356.1 
 oC, kJ/mol 
 ΔF formación a 419oC -281.6 
 kJ/mol 
 ΔF formación a 907oC -229.0 
 kJ/mol 
 S formación a 25oC 43.65 
 J/mol 
 Coeficiente de expansión 4.0 
 10 -6/ oC 
 Conductividad, W/m k 25.2 
 Estructura cristalina Hexagonal, wurtzita 
 Conductividad (tipo n) 10-7 – 103
 S/cm 
 Piezoelectricidad (dopado ca 4 veces que el cuarzo 
 con litio) 
 Susceptibilidad magnética 0.20 
 A 196 oC x 10-6 Hz 
 Piroelectricidad de densidad 
 de corriente, MA/m2 s K 6.8 
 Eo de Zn + 1/2O2=ZnO a 25oC, V 1.649 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 27
1.6 PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE ÓXIDO DE ZINC 
 
 La producción del óxido de zinc se asemeja estrechamente a la del metal, pues el zinc 
ha de producirse primero en forma de vapor, ya sea su destino final la condensación o la 
oxidación. Cuando el vapor de zinc se condensa para obtener el metal antes de la vaporización 
y oxidación finales, el producto se denomina óxido de proceso indirecto o “francés”. Si el 
vapor de zinc se oxida inmediatamente sin llegar a condensarse, el producto se llama óxido de 
proceso directo o “americano”. Es interesante observar que el nombre alemán de óxido de 
proceso francés es Zinkweiss (blanco de zinc), mientras en el mismo idioma el óxido de 
proceso americano es simplemente Zinkoxyd, (óxido de zinc). 
 
 La realización de los procesos de producción del óxido de zinc es algo menos difícil 
que los de obtención del metal, en el sentido de que dos de las principales dificultades que se 
presentan en la producción del metal, esto es, la dilución del vapor de zinc y su reoxidación 
por el dióxido de carbono, se convierten en tendencias favorables cuando el objetivo es la 
producción del óxido. En cambio existe el problema de producir el óxido dentro de un tamaño 
de partícula especificado, de ciertas formas de partículas requeridas y con un contenido 
extraordinariamente bajo de impurezas inconvenientes, sobre todo de cobre, manganeso, y 
hierro cuando el óxido de zinc se destina a su incorporación al caucho. 
 
 Existen muchos tipos comerciales de óxido de zinc. En los óxidos de proceso 
americano se encuentran grados para caucho, productos farmacéuticos, pinturas etc. Dentro de 
las calidades para el caucho, hay óxidos de partícula fina para el curado rápido y alto refuerzo, 
y óxidos de partícula gruesa con propiedades de curado lento y una alta resistencia a la 
prevulcanización. La mayor parte de los grados para pinturas son de partículas aciculares en 
vez de esféricas, pues se supone que las primeras mejoran las propiedades de aplicación con 
brocha. Los grados farmacéuticos se basan más en el análisis químico. Las calidades para 
caucho han de ser extremadamente bajas en cobre y cadmio para evitar que se produzca auto 
oxidación catalítica en el interior del caucho. Puede agregarse trióxido de azufre a los grados 
para caucho a fin de moderar la aceleración de la velocidad de curado. El ácido propiónico 
puede agregarse para facilitar la incorporación al caucho. 
 
 Los óxidos de proceso francés (indirecto) se venden ordinariamente en tres grados: 
sello blanco, caracterizado por su blancura brillante, alta densidad aparente y extrema finura; 
sello verde, igual de blancura que el anterior, pero menos voluminoso, sello rojo, ni tan fino ni 
tan blanco como los dos anteriores [33]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 28
 
1.7 ESTRUCTURA CRISTALINA DEL ZnO 
 
 
 La tecnología desarrollada por la industria de semiconductores para la producción de 
cristales ha conducido a la obtención de cristales con un grado de perfección extremadamente 
alto. 
 
 La estructura que domina la industria de semiconductores es la estructura cristalina 
cúbica centrada en caras del diamante, sin embargo una alternativa son los semiconductores 
con estructura cristalina hexagonal, ambas estructuras tienen en común que todos sus átomos 
ó iones están coordinados tetraédricamente, es decir presentan número de coordinación igual a 
cuatro. 
 
 El óxido de zinc tiene la estructura de la wurtzita, que está constituida sobre una red 
de Bravais hexagonal con cuatro iones (dos Zn y dos O) por sitio reticular y por celda 
unitaria. 
 
 En la estructura de wurtzita los aniones O situados en una red HCP (las iniciales en 
inglés de Hexagonal close-packed) en la cual los cationes Zn ocupan cuatro de los ocho sitios 
tetraédricos intersticiales vacantes. 
 
Con una red hexagonal, los átomos bases para la wurtzita dentro de la celda unitaria 
hexagonal pueden ser elegidos para ser átomos A en este caso el Zn a (0,0,0) y (2/3 , 1/3 , 1/2), 
para la estructura HCP, pero también con átomos B, en este caso el O a (0,0,u) y (2/3, 1/3,1/2 + u) 
donde u = 3/8 cuando c/a = √8/3. 
 
 El amontonamiento de planos de átomos perpendiculares para el eje c para el ZnO 
hexagonal ocurre en la secuencia: 
 
 
A(Zn)A(O)B(Zn)B(O)A(Zn)A(O)B(Zn)B(O) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 29
 
Figura 1.8 Celda unitaria primitiva y vectores primitivos de translación U1,U2 Y U3 para la red 
hexagonal. También se muestra la celda unitaria hexagonal convencional U1= aU1= aiU2 = aU2 = a (COS 120 i 
+ SEN 120 J) = a (-i + √3J/2, UJ = CU3 = CK). 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.9 Estructura tipo Wurtzita característica del ZnO 
 
 30
CAPÍTULO 2 
 
 2.1 ÓXIDO DE ZINCNANOESTRUCTURADO 
 
 La fabricación de dispositivos electrónicos de cristales perfectos en escala 
nanométrica (cristales quantum), copiados idénticamente en cantidades ilimitadas en un 
estado en el cual ellos puedan ser manipulados y entendidos como sustancias 
macromoleculares puras, es un último desafío de la investigación moderna de materiales con 
destacada fundamentación y potenciales consecuencias tecnológicas. 
 
 Esos potenciales son principalmente debido a la inusual dependencia de las 
propiedades electrónicas con el tamaño de partícula, para metales, semiconductores o 
partículas de semiconductores magnéticos diluidos, en el intervalo de 1 a 20 nm [46]. 
 
 Cristales en tamaño nanométrico exhiben comportamiento intermedio entre un 
material en tamaño bulk y moléculas. Sus intervalos de tamaño desde el más pequeño, pocas 
veces es más grande que el diámetro efectivo de Borh de un excitón en un cristal bulk. Estos 
sistemas tienen especial atención por que sus propiedades que dependen del tamaño incluyen 
las ópticas como absorción y no linealidad de tercer orden, tan bueno como su potencial 
aplicación en energía solar. Por que la dependencia del tamaño de los niveles de banda de 
partículas semiconductoras resulta en un cambio del espectro óptico [36]. 
 
 En las nanoestructuras, la densidad de estado de transporte esta concentrado en ciertos 
niveles de energía los cuales permiten mejoras en la fuerza de oscilación de excitación y en la 
eficiencia de emisión de luz. Como resultado en la elaboración de dispositivos ópticos 
basados en nanoestructuras se espera una mejora significativa. 
 
 Las nanoestructuras basadas en semiconductores de banda prohibida ancha tales como 
GaN, ZnO, y SiC son de particular interés por sus aplicaciones en longitud de onda corta, 
dispositivos de emisión de luz y dispositivos de emisión de campo. El ZnO es caracterizado 
por una gran energía de excitación de enlace (60 meV) el cual es mucho más grande que el 
GaN (25 meV) y la energía a temperatura ambiente, por lo tanto permite la existencia de la 
excitación estable a temperatura ambiente. Consecuentemente la emisión estimulada en la 
región ultravioleta es debida a varios mecanismos de excitación involucrados que han sido 
demostrados, estos mecanismos incluyen agitación excitación-excitación (banda P), emisión 
biexcitación (banda M), agitación excitación-electrón y la interacción entre excitación y 
óptica longitudinal (LO) fonones [47,49]. 
 
 El ZnO es un material fotónico y electrónico interesante e importante, debido a su 
valor de banda prohibida de 3.37 eV. Es un material versátil con excelentes propiedades en 
sus aplicaciones, como las películas delgadas de ZnO que son una promesa alternativa en 
dispositivos de pantalla plana, es un potencial sensor de NH3 y un fotocatalizador para reducir 
las emisiones de NOx [54]. 
 
 
 
 
 
 31
 2.2 MÉTODOS DE PREPARACIÓN DE ZnO NANOESTRUCTURADO 
 
 La síntesis de los nanomateriales, fundamentalmente de los nanocerámicos, se efectúa 
mediante numerosas rutas de las cuales se mencionarán sólo algunas agrupándolas por el tipo 
de proceso que las genera [37-39]. 
 
 La síntesis a partir de una fase gaseosa incluyen las técnicas de plasma, ablación-láser, 
pirólisis por llama y electroexplosión. De todas estas técnicas la más empleada 
comercialmente es la de plasma mediante radiofrecuencia y corriente continua. Se puede 
obtener una amplia gama de nanomateriales y como las temperaturas que se alcanzan durante 
los procesos son muy altas, también se sintetizan materiales refractarios. Si bien la ablación-
láser permite obtener prácticamente cualquier nanomaterial, como se trata de una mezcla de 
erosión física y de evaporación, resulta muy lenta y se le reserva para trabajos de 
investigación. 
 
 También se ha desarrollado la técnica de gelificación-combustión (que se puede 
clasificar dentro de este tipo de procesos) para la obtención de óxidos metálicos cerámicos 
nanocristalinos [40,41]y de semiconductores nanocristalinos [42,43]. Este método se basa en 
la gelificación y posterior combustión de una solución de nitratos de los metales de interés y 
combustible orgánico (glicina, urea, lisina, ácido cítrico, etc.)[44,45]. El proceso de 
combustión se debe a la reacción redox exotérmica entre los iones (oxidantes) y el 
combustible (reductor). La liberación violenta de gases desintegra el gel precursor, 
obteniéndose nanopartículas, cuyo tamaño depende, principalmente, de la velocidad de 
reacción. 
 
 Existen también métodos de complejamiento por polimerización como el “liquid-mix” 
el cual resulta muy similar al de gelificación-combustión con ácido cítrico, en el cual se 
forman citratos amorfos, pero con la diferencia de agregar etilenglicol a la mezcla de nitratos 
y citratos. Esto causa un proceso de polimerización que permite la obtención de un gel 
homogéneo. Debido a la red polimérica resultante se evita la precipitación, la segregación o 
evaporación de alguno de los cationes de interés. 
 
 Las técnicas de abrasión y de molido en molino (procesos mecánicos) son las más 
antiguas y se basan en la molienda, en molinos de bolas de tipo planetario o rotatorio, de 
polvos gruesos hasta obtener partículas muy finas. Permiten moler partículas metálicas o 
materiales inorgánicos pero, es obvio que, no resultan empleables para materiales orgánicos. 
 
 Los procesos de química húmeda incluyen la química coloidal, los métodos 
hidrotérmicos, los sol-gel y otros procesos de precipitación. Consisten en mezclar soluciones 
de los distintos iones en proporciones adecuadas, controlando parámetros tales como 
solubilidad y temperatura para precipitar compuestos insolubles. Estos son filtrados y secados 
hasta producir un polvo (el cual si no resulta suficientemente fino se le puede moler en 
molino) [46]. 
 
 
 
 
 
 32
 Particularmente, la técnica de sol-gel permite obtener polvos muy finos con un grado 
de aglomeración muy bajo, aunque, en general, debe partirse de materias primas costosas y su 
implementación es difícil en comparación con otros métodos por vía húmeda. Se basa en la 
hidrólisis de una solución alcohólica de un alcóxido del metal cuyo óxido se quiere obtener, 
resultando un gel por concentración de la solución hidrolizada. El gel obtenido se seca y se 
calcina. 
 
 Los métodos de síntesis in-situ: incluyen la litografía, la deposición física o química a 
partir de vapor y el recubrimiento por spray. Cuando las partículas se obtienen por raspado de 
los depósitos, las técnicas no resultan muy eficientes debido a la inhomogeneidad del tamaño 
de las partículas y, en consecuencia, no son frecuentemente empleadas en la producción de 
nanomateriales [47]. 
 
 Hasta aquí se han mencionando sólo algunos métodos de obtención de nanomateriales 
pero, existen numerosos métodos considerablemente diferentes, para su obtención en formas 
determinadas: nanohilos, nanoresortes, nanovarillas, nanocintos, nanotubos, nanoflores, etc., 
según sean sus aplicaciones específicas. 
 
 La técnica en la cual profundizaremos, ya que es la técnica que se utilizó en este 
trabajo es el método de sol-gel [48-50]. 
 
 
 
 2.2.1 EL MÉTODO SOL-GEL 
 
 El proceso de sol-gel es un proceso versátil en solución para hacer los materiales 
cerámicos cristalinos. En general, el proceso sol-gel implica la transición de un sistema de un 
líquido “sol” (de una suspensión coloidal de partículas sólidas con tamaño suficientemente 
pequeño para permanecer en suspensión gracias al movimiento Browniano) en una fase sólida 
del “gel” (sólido consistente en al menos dos fases, con la fase líquida atrapada e 
inmovilizada por la fase sólida). 
 
 Los materiales usados en la preparación del “sol” son generalmente sales inorgánicas 
de metal o compuestos orgánicos de metal tales como los alcóxidos. En un proceso típico de 
sol-gel, el precursor se sujeta a una serie de reacciones de hidrólisis y polimerización para 
formar una suspensión coloidal, o a un “sol”; generalmentecon un ácido o una base como 
catalizadores, forman partículas o racimos sólidos pequeños en un líquido (solvente orgánico 
o acuoso). Las partículas o los racimos sólidos son tan pequeños (1-1000 nm) que las fuerzas 
gravitacionales son insignificantes y las interacciones son dominadas por las fuerzas de Van 
der Waals, coulombica y estéricas. 
 
 El sol es estabilizado por una capa doble eléctrica, o la repulsión esterica, o su 
combinación. La transformación posterior de este permite hacer los materiales de cerámica en 
diversas formas. Las películas finas se pueden producir en un pedazo del substrato. Cuando el 
“sol” se coloca en un molde, se formará un “gel mojado”. Con la sequedad adicional y el 
tratamiento térmico, el “gel” se convierte en artículos de cerámica o de cristal densos. 
 
 33
Si el líquido en un “gel mojado” se quita bajo condición supercrítica (de sequedad 
supercrítica), se obtiene un material de densidad altamente porosa llamado un “aerogel”. Los 
polvos de cerámica ultra-finos y uniformes son formados por la precipitación, la pirolisis del 
aerosol, o las técnicas de la emulsión [30]. 
 
 
 VENTAJAS DEL MÉTODO SOL-GEL. 
 
 Control de la pureza de los reactivos, del grado de homogeneidad de la mezcla de 
precursores, y de la microestructura (uniformidad y distribución de tamaños de partículas). 
 
 La posibilidad de fabricación en formas útiles no tradicionales (fibras, películas 
delgadas, burbujas, elementos ópticos, etc.) con propiedades muy controladas. 
 
 Otra importante innovación que aporta el procedimiento sol-gel es la de poder 
preparar a temperaturas bajas, materiales muy puros, con alto grado de homogeneidad, que no 
siempre pueden conseguirse por los métodos tradicionales. 
 
 APLICACIONES DE LOS PRODUCTOS SOL-GEL. 
 
 Los usos para los productos de sol-gel son numerosos. Una de las áreas de aplicación 
más grandes está para las capas y las películas finas usadas en componentes y dispositivos 
electrónicos, ópticos, y electrópticos, tales como substratos, condensadores, dispositivos de 
memoria, detectores (IR) infrarrojos, y guías de onda. Las capas de antirreflejos también se 
utilizan para los usos automotores y arquitectónicos. Las capas protectoras y decorativas están 
bajo investigación también. 
 
 Los polvos de composiciones solas (de un solo elemento, como Au, Ag, ect.) y de 
varios componentes se pueden hacer con el tamaño de partícula submicras para los usos 
estructurales, electrónicos, dentales, y biomédicos. Los polvos compuestos se han patentado 
para el uso como herbicidas. Las fibras se pueden también haciendo girar las soluciones del 
precursor o cubrir con películas finas. Las fibras ópticas y refractarias se utilizan para los 
sensores ópticos de fibra y el aislamiento térmico, respectivamente. Además, el sol-gel se 
puede utilizar para infiltrar objetos semi-trabajados de la fibra para hacer compuestos. 
 
 Los cristales monolitos/recubrimientos y los híbridos inorgánicos y orgánicos están en 
el desarrollo para las lentes, los substratos de espejo, la óptica grado-index, los filtros ópticos, 
los sensores químicos, las guías de onda activas pasivas y no lineales, y los lásers. Las 
membranas para los procesos de la separación y de la filtración también se están investigando, 
así como los catalizadores. Más recientemente, los usos de la biotecnología se han estudiado 
extensivamente, donde las biomoléculas se incorporan en matrices del sol-gel (tales como 
proteínas, enzimas, anticuerpos, etc.). Los usos incluyen la supervisión de procesos 
bioquímicos, prueba ambiental, transformación de los alimentos, y la entrega de la droga para 
la medicina o la agricultura [30]. 
 
 
 
 
 34
 2.3 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN 
 
 Cuando se hace una síntesis de un material nanoestructurado, no se sabe a ciencia 
cierta lo que se va ha obtener, si será el producto deseado o no; y si es que se obtiene el 
producto deseado en que forma y tamaño, por lo que para saber lo anterior se utilizan las 
Técnicas de Caracterización; estas son los rayos X, los cuales nos proporcionan los 
llamados difractogramas que son considerados las huellas digitales de los compuestos, ya que 
cada compuesto refracta el haz de luz incidente de acuerdo a la ley de Bragg en forma única, y 
comparando el difractograma de la muestra sintetizada con el difractograma que se tiene en el 
archivo de la computadora de una muestra patrón se puede saber si el producto obtenido es el 
deseado o no, esta parte es la identificación. 
 
Para el caso de materiales nanoestructurados el ancho de los picos de los 
difractogramas es muy significativo, entre más ancho el pico el tamaño de la partícula 
obtenida es menor, por el contrario si el ancho del pico no es de gran amplitud el tamaño de la 
partícula será mayor, saliendo incluso del rango en el cual un material es considerado 
nanoestructurado (entre 1 y 100 nm) a estos materiales se les conoce como bulk (grueso). Con 
el difractograma y con la ecuación de Scherrer en esta parte se obtiene el tamaño de la 
partícula. 
 
Para saber la forma del material sintetizado es necesario “tomarle fotos” con 
microscopía electrónica, ya sea de barrido, de transmisión o de transmisión de alta resolución, 
esta técnica nos dará la forma y a su vez una medida directa de las partículas lo cual es útil 
para hacer un comparativo entre el tamaño calculado anteriormente y el medido directamente 
de las micrografías. 
 
Con la aplicación de las tres técnicas anteriores, un material queda caracterizado ya 
que se le identifica, se conoce su tamaño y su forma. 
 
Lo siguiente es medir sus propiedades físicas, químicas, eléctricas u ópticas, 
dependiendo del material de estudio, y por último si se trata de nanomateriales hacer un 
comparativo entre el material nanoestructurado y el mismo material pero en tamaño bulk, para 
así comprobar si hay una afectación de dichas propiedades en función del tamaño de partícula. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 35
2.3.1 MÉTODOS DIFRACTOMÉTRICOS DE RAYOS X 
 
 
Cuando un átomo se excita por el desprendimiento de un electrón de una capa interna, 
generalmente regresa a su estado normal transfiriendo un electrón de una capa externa a la 
interna, con la consiguiente emisión de energía en forma de rayos X, esto es, de fotones de 
alta energía y longitudes de onda cortas; después de un cierto tiempo, el ión que se ha 
formado llega a capturar un electrón. 
 
Los rayos X pueden usarse en el análisis químico en varias formas. Uno de los 
métodos se basa en el hecho de que los rayos X emitidos por un elemento excitado tienen una 
longitud de onda característica de dicho elemento y una intensidad proporcional al número de 
átomos excitados. Por lo tanto estos métodos de emisión pueden usarse tanto para el análisis 
cualitativo como el cuantitativo. La excitación puede realizarse de diversas formas, por 
bombardeo directo del material con electrones (análisis directo por emisión y microanálisis 
con sonda electrónica) o por irradiación del material con rayos X de longitud de onda más 
corta (análisis por fluorescencia). 
 
Un segundo método de análisis mediante rayos X utiliza la diferente absorción de 
rayos X en los materiales (análisis por absorción). Cuando la energía de los rayos X es 
suficiente para desprender un electrón de uno de los niveles internos de un átomo, se 
presentan discontinuidades en la absorción de rayos x por parte de un elemento. 
 
Un tercer método basado en los rayos X es la difracción de los mismos en los planos 
de un cristal (análisis por difracción). Este método depende de las características ondulatorias 
de los rayos X y del espaciamiento uniforme de los planos de un cristal. 
 
En 1913, Moseley demostró por primera vez que existe una relación linealmente entre 
el número atómico z y la recíproca de la longitud de onda 1/L, para cada línea espectral 
perteneciente a una serie de líneas de emisión de cada elemento en la tabla periódica. Los 
espectros de emisión y absorción