Síntese de películas semiconductoras de Óxido de Cadmio e Óxido de Zinco

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL 
 
 
 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA QUÍMICA 
E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS 
 
 
 
 
“Síntesis y caracterización de películas semiconductoras de 
Óxido de Cadmio (CdO) y Óxido de Zinc (ZnO) mediante la 
técnica de baño químico.” 
 
 
 
 (TESIS) 
 
 
 PARA OBTENER EL TITULO DE 
INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL 
 
 
 
P R E S E N T A 
 
 
RAMÍREZ VELÁZQUEZ LORENA EUGENIA 
 
 
ASESOR Dr. José A. Guillén Cervantes 
 
 
MÉXICO D.F. Junio 2014. 
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE EVALUACiÓN Y SEGUIMIENTO ACADÉMICO
SECRETARIA
DE
EDUCACION PUBLICA
T·053·14
México, D. F., 06 de mayo del 2014.
A la C. Pasante:
LORENA EUGENIA RAMíREZ VELÁZQUEZ
v
Boleta:
2008320365
Carrera:
/Q/
Generación:
2007·2011
Mediante el presente se hace de su conocimiento que este Departamento acepta que el
C. Dr. José Ángel Guillén Cervantes, sea orientador en el tema que propone usted desarrollar como
prueba escrita en la opción Tesis Individual, con el título y contenido siguiente:
"Síntesis de películas semiconductoras de Oxido de Cadmio (CdO) y Óxido de
Zinc (ZnO) mediante la técnica de baño químico".
Resumen.
Introducción.
1.- Antecedentes teóricos materiales conductores,
semiconductores y aislantes.
11.- Antecedentes sobre la técnica de crecimiento
de baño químico.
111.- Caracterización de películas delgadas.
IV.- Síntesis de películas delgadas.
V.- Análisis y discusión de resultados.
Conclusiones.
Bibliografía.
Se conc de un plazo máximo de un año, a partir de esta fecha, para presentarlo
el Jurado asign
c. c. p.- Control Escolar.
GATA/rcr
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
DEPARTAMENTO DE EVALUACIÓN Y SEGUIMIENTO ACADÉMICO
SECRETARIA
DE
EDUCACION PUBLICA
T-053-14
México,D. F., 12de junio del 2014.
A la C. Pasante:
LORENA EUGENIA RAMíREZ VELÁZQUEZ
PRESENTE
Boleta:
2008320365
Carrera:
IQI
Generación:
2007-2011
Los suscritos tenemos el agrado de informar a usted, que habiendo procedido a revisar el
borrador de la modalidad de titulación correspondiente denominado:
"Sin tesis de películas semiconductoras de Oxido de Cadmio (CdO) y Óxido de
Zinc (ZnO) mediante la técnica de baño químico"
encontramos que el citado Trabajo de Tesis Individual, reúne los requisitos para autorizar el Examen
Profesional y PROCEDER A SU IMPRESIÓN según el caso, debiendo tomar en consideración las
indicaciones y correcciones que al respecto se le hicieron.
Atentamente
JURADO
r1~
Ing. Jesús Láza~ Guerrero
Secretario
~J
M. en C. Blanca Zamora Ce IS
Presidente
Dr. José Án~el í.¡¿iIIenCervantes
¡3er. VOcal
Ing. Antonio Daniel Farrera Cortés
1er. Vocal
Ing. ario Alberto Trejo Rubio
2° Vocal .
/
e.e.p.- Expediente
GATA/rer
 
 
 
 
 
Dedico este trabajo a mi madre Albina Velázquez por escucharme entenderme y apoyarme, 
a mi padre Marco A. Ramírez por todos sus consejos y apoyo incondicional. Gracias a 
ambos por ser mi soporte, por haber forjado mi carácter que me llevo a cumplir sueños y 
objetivos. 
También quiero dedicarlo a la amorosa memoria de mi abuela Guadalupe Moreno y a mi 
abuelo Jorge Ramírez, pilares de mi familia y fuentes de eterna inspiración. 
A mi hermano Marco A. Ramírez por cuidarme, apoyarme y escucharme. 
A mi compañero, amigo J. David Carranza por ser la voz que me recuerda nunca darme por 
vencida y siempre seguir adelante. 
Y finalmente a mi gran amiga Nayely Altamirano por siempre estar a mi lado 
compartiendo buenos y malos momentos, así como fracasos y logros. 
AGRADECIMIENTOS: 
Al Dr. Fco Javier Demoure Flores por su dedicación, enseñanza y dirección a lo 
largo de este trabajo de tesis. Al maestro Enrique Campos Gonzales por los 
consejos y apoyo. Al Dr. José A. Cervantes Guillén por el apoyo técnico y por su 
exhaustiva revisión de este trabajo que sin duda alguna fue vital para su 
presentación. 
Al Departamento de Física del CINVESTAV por todas las facilidades otorgadas 
durante la realización de este trabajo. 
Quiero dar un especial agradecimiento a los auxiliares de investigación del 
Departamento de Física del CINVESTAV, sin los cuales este trabajo no habría 
sido posible: Marcela Guerrero, Alejandra García Sotelo y Rogelio Fragoso. 
Agradezco el apoyo económico recibido por parte del FONDO SECTORIAL 
CONACYT-SENER-SUSTENTABILIDAD ENERGÉTICA, a través del Centro 
Mexicano de Innovación en Energía Solar (CeMIE-Sol), dentro del Proyecto 
Estratégico No. 37 "Desarrollo de nuevos dispositivos fotovoltaicos y 
materiales semi-superconductores". 
Finalmente agradezco el conocimiento y amistad brindados de dos grandes 
investigadores Fco Javier Demoure Flores y Enrique Campos Gonzales. 
ÍNDICE GENERAL 
INTRODUCCIÓN iv
I. ANTECEDENTES TEÓRICOS: MATERIALES 
CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES Y 
AISLANTES. 
1.1 Estructura electrónica de la materia. 
 1.1.2 Estructuras de la materia. 
 1 
2 
 1.2 Materiales Aislantes. 4 
 1.3 Materiales Conductores. 4 
 1.4 Materiales Semiconductores. 4 
 1.5 Ancho de banda prohibida en materiales conductores 
 aislantes y semiconductores. 
5 
 1.6 Semiconductores intrínsecos. 6 
 1.7 Semiconductores extrínsecos. 7 
 1.7.1 Semiconductores tipo “n”. 8 
 1.7.2 Semiconductores tipo “p”. 9 
 1.7.3 Unión “p-n”. 10 
 1.8 Celdas Fotovoltaicas. 10 
 1.8.1 Tipos de Celdas Fotovoltaicas. 12 
 1.8.1.1 Celdas Fotovoltaicas de Película Delgada. 13 
 1.8.1.2 Estructura de una Celda Fotovoltaica de Película 
 Delgada. 
15 
i 
II. ANTECEDENTES SOBRE LA TÉCNICA DE
CRECIMIENTO DE BAÑO QUIMICO
 2.1 Generalidades. 16 
 2.1.1 Equilibrio Químico. 16 
 2.1.2 El pH. 17 
 2.1.3 Formación de iones complejos. 17 
 2.1.4 Equilibrio de Solubilidad. 19 
 2.2 Deposito por baño químico (CBD). 20 
 2.2.1 Proceso y Mecanismos de Crecimiento. 22 
 2.2.1.1 Mecanismo ión–ión. 23 
 2.2.1.2 Mecanismo hidróxido. 24 
III. CARACTERIZACIÓN DE PELÍCULAS DELGADAS
3.1 Espectroscopia de Rayos X. 26 
 3.1.1 Obtención de Rayos X. 26 
 3.1.2 Difracción de Rayos X (DRX). 27 
 3.2 Espectroscopia UV-VIS. 30 
 3.2.1 Espectrofotómetro UV-VIS. 31 
 3.2.2 Transmitancia y Reflexión. 32 
 3.3 Microscopia de Fuerza Atómica (AFM). 33 
 3.4 Espectroscopia de rayos X de dispersión de energía 
(EDS). 
35 
IV. SÍNTESIS DE PELICULAS DELGADAS
 4.1 Depósito de películas delgadas de ZnO y CdO por medio 
 de la técnica de baño químico. 
37 
 4.1.1 Limpieza de sustratos. 37 
 4.1.2 Síntesis de películas delgadas de CdO. 38 
 4.1.3 Síntesis de películas delgadas de ZnO. 41 
ii 
V. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 
 5.1 Caracterización de Películas de CdO. 44 
 5.1.1 Propiedades Estructurales. 44 
 5.1.2 Propiedades Ópticas. 50 
 5.1.3 Morfología. 57 
 5.1.4 Obtención de espesores. 60 
 5.1.5 Caracterización Mediante Espectroscopia de 
 Energía Dispersiva (EDS) 
61 
 5.2 Caracterización de Peliculas de ZnO. 64 
 5.2.1 Propiedades Estructurales. 64 
 5.2.2 Propiedades Ópticas. 66 
 5.2.3 Morfología. 67 
 5.2.4 Obtención de espesores 69 
VI. CONCLUSIONES 70 
VII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 71 
iii 
LISTA DE FIGURAS. 
Figura 1.1. Esquema de la estructura de un átomo. 1 
Figura 1.2. Esquema de una Red Cristalina de Silicio. 2 
Figura 1.3. Representación de una estructura cristalina. 2 
Figura 1.4. Ejemplos de estructuras amorfas de la materia. 3 
Figura 1.5. Redes Cristalinas Planas. 3 
Figura 1.6. Red Cristalina de Silicio expuesta a radiación solar. 5 
Figura 1.7. Bandas de energia de Aislantes, Semiconductores y 
Conductores. 
6 
Figura 1.8. Silicio semiconductor a muy baja temperatura. 7 
Figura1.9. Silicio semiconductor a temperatura ambiente. 7 
Figura 1.10. Semiconductor n a baja temperatura. 8 
Figura 1.11. Semiconductor n a temperatura ambiente. 8 
Figura 1.12. Semiconductor p a baja temperatura. 9 
Figura 1.13. Semiconductor p a temperatura ambiente. 9 
Figura 1.14. Semiconductores p y n antes de la unión. 10 
Figura 1.15. Semiconductores p y n después de la unión. 10 
Figura 1.16. Estructura de la celda fotovoltaica. 10 
Figura 1.17. Operación básica de una celda fotovoltaica. Los 
portadores de cargas positivas y negativas generados son 
colectados por la unión p-n y dan lugar a una corriente eléctrica 
en el circuito externo. 
11 
Figura 2.1. Interacción de una molécula de agua con un catión 
de carga 1+ o 3+. La interacción es mucho más intensa con el ión 
más pequeño que con el de carga más grande; esto aumenta la 
acidez del ion hidratado. 
19 
Figura 2.2. Esquematización de un baño químico. 21 
Figura 2.3. Tabla periódica en la que se señala el grupo VI A de 
los calcógenos. 
22 
Figura 2.4. Diagrama esquemático de los pasos probablemente 
involucrados en el mecanismo Ion por-Ión. a) Difusión de los 
iones Cd2+ y S2− hacia el sustrato. b) Nucleación de los iones de 
Cd y S facilitada por la nucleación de CdS en el sustrato. c) 
Crecimiento del CdS nucleado y adsorción de los iones de Cd y S 
de la solución y nucleación de nuevos cristales de CdS. d) 
Continua el crecimiento de los cristales de CdS, los cuales se 
adhieren a otros a través de fuerzas de atracción mediante 
25 
iv 
interacciones químicas. 
Figura 2.5. Diagrama esquemático de los pasos probablemente 
involucrados en el mecanismo aglomerados de hidróxido. a) 
Difusión de partículas coloidales de hidróxido al sustrato, los 
cuales se adhieren al sustrato. b) reacción de los iones de azufre 
con los coloides de hidróxido. c) Esta reacción puede ocurrir en 
los coloides que ya fueron adsorbidos por el sustrato así como en 
los que se encuentran dispersos en la solución. La reacción 
continúa hasta que la mayoría de los hidróxidos son convertidos 
en sulfuro. d) A las primeras partículas formadas de CdS se les 
pueden adherir otras para formar un agregado. e) Parte de las 
partículas de CdS forman una película y otra parte precipita en la 
solución. 
25 
Figura 3.1. Diagrama esquemático de la sección transversal de 
un tubo de rayos X. 
26 
Figura 3.2. Representación de Bragg de la difracción de rayos-X 28 
Figura 3.3. Ejemplo de un Patrón de Difracción. 29 
Figura 3.4. Radiación electromagnética al incidir sobre la materia 
y los diferentes fenómenos producidos. 
30 
Figura 3.5. Esquema del funcionamiento de un 
espectrofotómetro Uv-Vis. 
31 
Figura 3.6. Esquema del funcionamiento del AFM. 34 
Figura 3.7. Vista general de la columna del MEB. 35 
Figura 3.8 Esquema del funcionamiento del MEB mostrando una 
imagen de una amiba tomada con electrones secundarios. 
36 
Figura 4.1. Vaso de precipitado 1000 mL con porta sustratos y 
detergente Extran. 
37 
Figura 4.2. Limpieza de Sustratos en baño de Ultrasonido. 37 
Figura 4.3. Arreglo experimental para el depósito de películas 
delgadas por medio de la técnica de baño químico. 
38 
Figura 4.4. Preparación de Baño químico para la síntesis de 
Películas Delgadas de Cd(OH)2. 
39 
Figura 4.5. Solución Obtenida de Cd(OH)2 después de la 
reacción ocurrida en el baño químico. 
40 
Figuras 4.6. Inicio de la Reacción del Baño Químico. 41 
Figura 4.7. Solución obtenida de ZnO después de la reacción 
ocurrida en el baño químico. 
43 
Figura 5.1. Difracción de rayos X de las muestras L-01, L-02 y L-
03 a 3 diferentes duraciones de baño 1 hr, 1.5 hrs y 2 hrs 
respectivamente con una concentración constante de CdCl2 [0.3 
M]. 
45 
v 
Figura 5.2. Difracción de rayos X de las muestras L-05, L-08 y L-
09 a 3 diferentes duraciones de baño 1 hr, 1.5 hrs y 2 hrs 
respectivamente y una concentración constante de CdCl2 [0.35 
M]. 
46 
Figura 5.3. Difracción de rayos X de las muestras L-06, L-07 y L-
10 a 3 diferentes duraciones de baño 1 hr, 1.5 hrs y 2 hrs 
respectivamente y una concentración constante de CdCl2 [0.4 
M]. 
47 
Figura 5.4. Difracción de rayos x de las muestras L-06, L-05 y L-
02 con concentraciones de CdCl2 de [0.4M] [0.35M], [.3M] 
respectivamente y una duración de baño de 1 hrs. 
48 
Figura 5.5. Difracción de rayos X de las muestras L-06 y L-05 
tratadas térmicamente a 300°C con una concentración de CdCl2 
[0.4M] y [0.35M] respectivamente y una duración de baño de 1 hr. 
49 
Figura 5.6. Espectro de transmisión de las muestras L-01, L-02 y 
L-03 a 3 diferentes duraciones de baño 1 hr, 1.5 hrs y 2 hrs 
respectivamente con una concentración constante de CdCl2 [0.3 
M]. 
50 
Figura 5.7. Espectros de transmisión de las muestras L-05, L-08 
y L-09 a 3 diferentes duraciones de baño 1 hrs, 1.5 hr y 2 hrs 
respectivamente y una concentración constante de CdCl2 [0.35 
M]. 
51 
Figura 5.8. Espectros de transmisión L-06, L-07 y L-10 a 3 
diferentes duraciones de baño 1 hr, 1.5 hrs y 2 hrs 
respectivamente y una concentración constante de CdCl2 [0.4 
M]. 
52 
Figura 5.9 Espectros de transmisión de las muestras L-06, L-05 y 
L-02 con una concentración de CdCl2 de [0.4M] [0.35M] y [.3M] 
respectivamente y una duración de baño de 1 hr. 
53 
Figura 5.10. Espectros de transmisión de las muestras LT-06 y 
LT-05 tratadas térmicamente a 300°C con una concentración de 
CdCl2 [0.4M] y [0.35M] respectivamente y una duración de baño 
de 1 hr. 
54 
Figura 5.11. Calculo del ancho de banda para las películas L-01, 
L-05 y L-06. 
55 
Figura 5.12. Calculo del ancho de banda para las películas 
tratadas térmicamente LT-05 y LT-06. 
56 
Figura 5.13. a), b) y c) Micrografías AFM de las muestras a) L-
02, b) L-05 y c) L-06. Con una concentración de CdCl2 de 
[0.4M] [0.35M] y [.3M] respectivamente y una duración de baño 
de 1 hr. 
58 
Figura 5.14. a) y b) Micrografía AFM de la muestra L-05 y L-06 
respectivamente sometidas a un tratamiento térmico de 300°C. 
59 
vi 
Figura 5.15. Imagen resultante de EDS de la película L-06 
depositada sobre Vidrio. 
62 
Figura 5.16 Imagen resultante de EDS de la película L-06 
sometida a un tratamiento térmico de 300 °C durante una hora 
depositada sobre vidrio. 
63 
Figura 5.17. Patrones de difracción de las muestras L-29, L-28, 
L-18, L-26, L-23 y L-27 con concentraciones de Acetato de Zinc 
[0.1M], [0.125 M], [0.15 M], [0.175 M], [0.2 M] y [0.225 M] 
respectivamente con tiempo de depósito de 1 hora. 
64 
Figura 5.18. Espectros de transmisión de las muestras L-29, L-
28, L-18, L-26, L-23 y L-27 con concentraciones de Acetato de 
Zinc [0.1M], [0.125 M], [0.15 M], [0.175 M], [0.2 M] y [0.225 M] 
,respectivamente durante 1 hora de depósito. 
66 
Figura 5.19. a), b) y c) Micrografías AFM de las muestras a) L-
29, b) L-28 y c) L-18 respectivamente con duración de baño de 
1 hr. 
67 
Figura 5.20. a), b) y c) Micrografías AFM de las muestras a) L-
26, b) L-23 y c) L-27 respectivamente con duración de baño de 
1 hr. 
68 
vii 
LISTA DE TABLAS 
Tabla 1.1. Tipos de Silicio usados para la construcción de celdas 
fotovoltaicas 
12,13 
Tabla 1.2. Tipos de materiales de Películas Delgadas para la 
construcción de celdas fotovoltaicas. 
13,14 
Tabla 2.1. Electronegatividad de los calcógenos en la escala de 
Pauling. 
21 
Tabla 4.1. Condiciones de crecimiento de las películas de 
Cd(OH)2. . 
39 
Tabla 4.2. Condiciones de crecimiento de las películas de 
Acetato de Zinc.. 
42 
Tabla 5.1. Valores obtenidos del ancho de banda respecto a la 
concentración de CdCl2 correspondiente a las muestras L-01, L-
05 y L-06 
56 
Tabla 5.2. Valores obtenidos del ancho de banda respecto a la 
concentración de CdCl2 correspondiente a las muestras LT-02, 
LT-05 y LT-06. 
57 
Tabla 5.3. Espesores obtenidos de las películas L-01, L-02, L-
03, L-05, L-08, L-09, L-06, L-07 y L-10. 
60 
Tabla 5.4. Espesoresmedidos de las películas L-02, L-05, L-08, 
L-06, L-07 y L-10 sometidas a un tratamiento térmico de 300°C. 
61 
Tabla 5.5. Espesores obtenidos de las películas L-29, L-28, L-
18, L-26, L-23 y L-27. 
69 
viii 
OBJETIVOS GENERALES 
Obtener y caracterizar películas semiconductoras de Óxido de Cadmio (CdO) y 
Óxido de Zinc (ZnO), mediante la técnica de baño químico, con 
propiedades adecuadas para ser usadas en el procesamiento de celdas 
fotovoltaicas. 
OBJETIVOS PARTICULARES 
1. Obtener películas semiconductoras de CdO mediante la técnica de baño químico.
a) Caracterización estructural, óptica y eléctrica de las películas de CdO.
b) Determinación de las condiciones óptimas de crecimiento.
2. Obtener películas semiconductoras de ZnO mediante la técnica de baño
químico.
a) Caracterización estructural, óptica y eléctrica de las películas de ZnO.
b) Determinación de las condiciones óptimas de crecimiento.
ix 
INTRODUCCIÓN 
Actualmente y desde décadas atrás ha existido un gran interés en la obtención de 
energía renovable como la solar, geotérmica, eólica, hidroeléctrica entre otras. 
Siempre pensando en obtener dicha energía de forma eficiente y con un bajo 
impacto ambiental. 
México es un país productor de petróleo, sin embargo tiene un gran potencial para 
producir energías renovables (ER). En vista de que existen escazas reservas de 
petróleo y la electricidad tiene un precio muy alto, la energía renovable está 
emergiendo como un sector importante. Desafortunadamente, el enorme potencial 
solar, eólico, y de biogás en México sigue relativamente inexplotado. A pesar de 
que las recientes reformas legislativas y regulatorias crean mayores incentivos 
para las inversiones en ER, es muy probable que los beneficiarios tengan poco 
conocimiento de cómo superar los retos jurídicos, administrativos y financieros 
para la realización de los proyectos. 
El uso eficiente y la generación de energía a partir de fuentes renovables 
representan la oportunidad más importante de México para reducir las emisiones 
de gases de efecto invernadero. México es el doceavo país del mundo que más 
emisiones de gases de efecto invernadero emite a la atmósfera: alrededor de 750 
millones de toneladas de CO2 al año [1]. 
Elegir la Energía Solar como fuente de energía renovable, implica el uso de 
tecnología fotovoltaica. La cual tiene ventajas como no contribuir a la 
contaminación del medio ambiente, así como una vida útil superior a los 20 años, 
presenta resistencia a condiciones climáticas extremas, no consume combustible 
y puede aumentar la potencia y autonomía en su instalación. 
x
El interés por aplicar materiales semiconductores en la fabricación de celdas 
solares se ha incrementado en los últimos años, materiales como el Sulfuro de 
Cadmio (CdS), Óxido de Zinc (ZnO) y Óxido de Cadmio (CdO) han 
demostrado tener las características para ser utilizados como ventana óptica a 
celdas solares fabricadas a base de Teluro de Cadmio (CdTe) y CuInSe2. Estos 
dispositivos han reportado una eficiencia mayor al 15%, este porcentaje nos 
indica la potencia convertida en energía eléctrica de la luz solar total absorbida 
por un panel, cuando una celda solar está conectada a un circuito eléctrico. 
Existen varios tipos de celda fotovoltaica y distintas técnicas de fabricación, entre 
ellas a base de películas delgadas. 
La fabricación de películas delgadas tiene aplicaciones en el uso de celdas 
solares, dispositivos electrónicos, recubrimientos ópticos, foto-detectores entre 
otros dispositivos. Las películas delgadas están constituidas de capas de 
materiales delgados que se miden en nanómetros hasta algunos cientos de 
micrómetros. Las técnicas para la síntesis de las películas delgadas son: depósito 
físico del vapor, depósito de vapor químico, depósito de baño químico, entre otras. 
Entre las técnicas vía solución acuosa se destaca la técnica de depósito en baño 
químico (CBD) en la que se basa el presente trabajo, ya que esta técnica se 
caracteriza por su versatilidad en la fabricación de películas delgadas de grandes 
áreas a un bajo costo. Se depositaron películas delgadas de CdO2 así como 
películas de ZnO mediante CBD variando las condiciones del baño. 
Las propiedades físicas y químicas de las películas procesadas fueron evaluadas 
en términos de los parámetros de crecimiento. 
xi
CAPÍTULO I. ANTECEDENTES TEÓRICOS 
MATERIALES CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES Y 
AISLANTES. 
 
1.1 Estructura electrónica de la materia. 
La materia está constituida por átomos que tienen dos partes bien definidas: 
 
• Núcleo: carga positiva 
• Electrones: carga eléctrica negativa 
 
Los electrones giran alrededor del núcleo en 
distintas bandas de energía y compensan la 
carga positiva de éste, formando un conjunto 
estable y eléctricamente neutro. La figura 1.1 
muestra la estructura de un átomo sencillo 
donde los electrones de la última capa 
son electrones de valencia, que interactúan 
con otros similares formando una red 
cristalina [2] . En la figura 1.2 se muestra 
una red cristalina de silicio y se observa la 
formación de enlaces covalentes para 
alcanzar el octeto estable de los átomos. 
 
 
 
Fig. 1.1 Esquema de la estructura de un 
átomo 
1 
 
 
 
 
1.1.2 Estructuras de la Materia. 
Según la distribución espacial de los átomos, los materiales sólidos pueden ser 
clasificados en: 
• Cristalinos: compuestos por átomos que siguen un arreglo interno 
ordenado y se repiten periódicamente. En la figura 1.3 se muestra una 
estructura cristalina formada por dos átomos diferentes [3]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Amorfos: compuestos por átomos que no presentan un orden interno y sus 
átomos se arreglan al azar, ver figura 1.4. 
Fig. 1.2 Esquema de una Red Cristalina de Silicio 
Fig. 1.3 Representación de una estructura cristalina. 
2 
 
 
 
 
Las redes cristalinas se caracterizan fundamentalmente por un orden o 
periodicidad. La estructura interna está representada por una unidad que se repite 
periódicamente en las tres direcciones del espacio. El tamaño de esta unidad 
viene determinado por la longitud de sus tres aristas (a, b, c), y la forma por el 
valor de los ángulos entre dichas aristas (α, β, γ). El conjunto de elementos de 
simetría de un objeto que pasan por un punto, definen la simetría total del objeto 
(grupo puntual de simetría). Hay muchos grupos puntuales, pero en los cristales 
éstos han de ser compatibles con la periodicidad (repetitividad por traslación) por 
lo que sólo existen 32 posibles grupos puntuales que se denominan clases 
cristalinas [4]. 
Combinando las dos traslaciones y el ángulo que forman entre sí, sólo hay cinco 
posibles formaciones de redes planas: paralelogramo, rectángulo, cuadrado, 
hexágono y rombo, ver figura 1.5. 
. 
 
Fig. 1.4 Ejemplos de estructuras amorfas de la materia. 
Fig. 1.5 Redes Cristalinas Planas. 
3 
 
1.2 Materiales Aislantes. 
Poseen una estructura y configuración electrónica muy estable, los electrones de 
valencia se encuentran fuertemente ligados al núcleo; se requiere de una energía 
muy elevada para separar esta ligadura. 
 
1.3 Materiales conductores. 
Los materiales conductores son aquellos materiales cuya resistencia al paso de la 
corriente es muy baja, un buen aislante presenta una resistencia de hasta 1024 
veces mayor que un buen conductor. 
En general podemos denominar material conductor a cualquier sustancia o 
material que sometido a una diferencia de potencial eléctrico proporciona un paso 
continuo de corriente eléctrica, es decir que sus electrones de valencia están 
débilmente ligados al núcleo y pueden moverse con facilidad dentro de la red 
cristalina con un pequeño agente externo. 
 
1.4 Materiales semiconductores. 
Los materiales semiconductores son materiales cuya resistividad eléctrica está 
entre 10-4 y 1010Ω-cm y sus electrones de valencia están más ligados al núcleo 
perobasta una pequeña cantidad de energía para que se comporten como 
conductores. 
La energía que liga a los electrones de valencia con su núcleo para materiales 
semiconductores es similar a la energía de los fotones. Cuando la luz solar incide 
sobre el material semiconductor, se rompen los enlaces entre el núcleo y los 
electrones de valencia y estos quedan libres para circular por el semiconductor. Al 
lugar que deja el electrón al desplazarse se le llama hueco y tiene carga eléctrica 
positiva, ver figura 1.6. 
4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Los electrones libres y los huecos creados por la radiación tienden a recombinarse 
perdiendo su actividad. Para que esto no ocurra y aprovechar los electrones, se 
crea en el interior del semiconductor un campo eléctrico. 
 
1.5 Ancho de banda prohibida en materiales conductores, aislantes y 
semiconductores. 
Para que se produzca el efecto voltaico, es decir, para que se produzca una 
corriente eléctrica cuando incide energía solar sobre el material semiconductor, es 
necesario que los fotones tengan una energía mayor que un valor mínimo 
determinado, que se denomina ancho de banda prohibida (Eg). 
A este valor mínimo también se le denomina “gap” de energía y se suele expresar 
en electrón-voltios. 
1eV(electrón-voltio)= 1,602x10-19 J 
• La energía que se aprovecha de cada fotón es la Eg. Si los materiales 
utilizados en la fabricación de las celdas fotovoltaicas tienen una Eg muy 
pequeña, se desaprovecharía mucha energía. 
• Si la Eg es muy grande, las celdas serían transparentes a la mayoría de los 
Fig. 1.6 Red Cristalina de Silicio expuesta a radiación solar. 
5 
 
fotones incidentes ya que el espectro de la luz solar se distribuye sobre un 
rango de longitudes de onda que va desde 0,35nm hasta algo más de 3nm. 
• El valor óptimo de Eg está en torno a 1,5 eV, debido a que en este valor se 
centra el máximo de radiación del espectro solar [5]. 
 
 
1.6 Semiconductores intrínsecos. 
Se les llama semiconductores intrínsecos a aquellos que son puros en el sentido 
que su estructura no ha sido manipulada. Los semiconductores más empelados 
son el Germanio y el Silicio; un átomo de cualquiera de estos elementos posee 
cuatro electrones en su última capa y por ello se unen a sus átomos vecinos 
mediante enlaces covalentes. En la figura. 1.8 se muestra un semiconductor 
intrínseco, el cual está formado únicamente por átomos de silicio (Si). A 
temperaturas bajas los cuatro electrones están formando enlaces covalentes, por 
lo que permanecen ligados a los átomos y no pueden moverse. A temperaturas 
superiores, como la temperatura ambiente, ver figura.1.9, los electrones que 
poseen suficiente energía térmica pueden saltar de su enlace covalente a niveles 
energéticos superiores donde no están ligados. 
Fig. 1.7 Bandas de energia de Aislantes, Semiconductores y Conductores. 
6 
 
Estos electrones pueden moverse aplicando un campo eléctrico exterior, y así 
comportarse como conductores (aunque no tan buenos como los metales). Si se 
aumenta más aun la temperatura, más electrones se desligan de sus enlaces y 
contribuyen a la corriente eléctrica. Cuando un electrón salta de su enlace 
covalente, se dice que deja un hueco que es susceptible de ser llenado por otro 
electrón. Los electrones liberados por energía térmica a veces también caen en 
los huecos que han dejado otros electrones. Existe un equilibrio dinámico entre los 
electrones que se liberan por energía térmica y los electrones que vuelven a caer 
en los huecos, esto es, el número de electrones libres (que será exactamente igual 
que el número de huecos) es constante a temperatura constante. 
 
1.7 Semiconductores extrínsecos. 
Existe otro tipo de semiconductores estos se obtienen artificialmente añadiendo 
impurezas a los semiconductores intrínsecos. Este semiconductor resultante se 
denomina extrínseco o impurificado. 
Existen dos clases de semiconductores impurificados: semiconductores tipo n y 
semiconductores tipo p. 
 
 
 
 
Fig. 1.8 Silicio semiconductor a muy baja 
temperatura. 
Fig. 1.9 Silicio semiconductor a temperatura 
ambiente. 
7 
 
1.7.1 Semiconductores tipo “n”. 
Se obtiene añadiendo un pequeño número de átomos a un semiconductor 
intrínseco. Estos átomos pueden ser de Fósforo (P), Arsénico (As) o Bismuto (Bi). 
De los cinco electrones, cuatro realizan enlaces covalentes con los átomos del 
semiconductor intrínseco y el otro será libre. En la figura. 1.10 se muestra un 
semiconductor tipo n, el cual está formado a partir de átomos de silicio (Si) 
impurificado con átomos de fósforo (P). A temperatura ambiente los electrones 
libres de un semiconductor tipo n provienen de los electrones sobrantes de las 
impurezas y de los electrones térmicos (o liberados por energía térmica), ver 
figura. 1.11. Así un semiconductor tipo n posee más electrones libres que el 
correspondiente semiconductor intrínseco y por tanto la conductividad será mayor. 
También el número de electrones libres es mayor que el de huecos. La corriente 
eléctrica en el semiconductor tipo n es también debida a electrones y huecos. 
Los huecos serán los portadores minoritarios y los electrones térmicos los 
portadores mayoritarios. 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.10 Semiconductor n a baja temperatura. Fig. 1.11 Semiconductor n a temperatura ambiente. 
8 
 
1.7.2 Semiconductores tipo “p”. 
Un semiconductor tipo p es el resultado de añadir un pequeño número de átomos 
a un semiconductor intrínseco. Estos tres electrones formarán enlaces covalentes 
con los átomos del semiconductor intrínseco. Queda por lo tanto un electrón del 
semiconductor intrínseco sin emparejar para formar el enlace covalente. Esto 
significa que habrá un hueco donde cabría un electrón, ver figura. 1.12. Los 
átomos que se añaden pueden ser de Al, B o Bi. En un semiconductor tipo p 
existen huecos debido a la falta de electrones para formar enlaces covalentes, así 
como electrones libres térmicos y sus correspondientes huecos, ver figura. 1.13. El 
número de huecos será por lo tanto mayor en un semiconductor tipo p que en el 
correspondiente semiconductor intrínseco. Al conectar un generador externo, los 
huecos se moverán hacia el polo negativo del generador y los electrones libres 
hacia el polo positivo. Los huecos serán los portadores mayoritarios y los 
electrones térmicos los portadores minoritarios [6]. 
 
 
 
 
 
 
Fig. 1.12 Semiconductor p a baja temperatura. Fig. 1.13 Semiconductor p a temperatura ambiente. 
9 
 
1.7.3 Unión “p-n”. 
Para conseguir una unión “p-n” se pone en contacto una superficie de 
semiconductor tipo n con la de un semiconductor tipo p. 
Los electrones libre del material tipo n tienden a ocupar los huecos del material 
tipo p y viceversa, creándose así un campo eléctrico que se hace cada vez más 
grande a medida que los electrones y los huecos continúan difundiéndose hacia 
lados opuestos. 
El proceso continua hasta que ya no se pueden intercambiar más electrones y 
huecos, consiguiéndose un campo eléctrico permanente sin la ayuda de campos 
eléctricos externos, ver figura 1.14 y 1.15. 
 
 
1.8 Celdas Fotovoltaicas. 
La conversión de la radiación solar en corriente 
eléctrica tiene lugar en la celda fotovoltaica. 
Una celda fotovoltaica es un dispositivo 
formado por una lámina de material semiconductor, 
cuyo grosor varía entre los 0,25mm y 0,35 mm, 
generalmente de forma cuadrada, con una superficie de 
aproximadamente 100 cm2. 
 
Fig. 1.14 Semiconductores p y n antes de la unión. Fig. 1.15 Semiconductores p y n después de la unión. 
Fig. 1.16 Estructura de la celda fotovoltaica. 
10 
 
Cada celda fotovoltaica se compone de una delgada capa de material tipo n y otra 
de mayor espesor de material tipo p. Ambas capas separadas son eléctricamente 
neutras, y al juntarse se genera un campo eléctrico en la unión tipo “p-n”. 
Cuando la luz incide sobrela celda los fotones rompen el par electrón-hueco. El 
campo eléctrico de la unión los separa para evitar que se recombinen, llevando los 
electrones a la zona n y los huecos a la zona p. Mediante un conductor externo, se 
conecta la capa negativa a la positiva, generándose así un flujo de electrones de 
la zona “p” a la zona “n”. 
 
 
 
La superficie de la zona “n” es la cara que se ilumina. Mientras la luz siga 
incidiendo habrá corriente eléctrica, y su intensidad será proporcional a la cantidad 
de luz que reciba la celda, ver figura. 1.17. 
 
 
 
Fotones 
Fig. 1.17 Operación básica de una celda fotovoltaica. Los portadores de cargas positivas y negativas generados son 
colectados por la unión p-n y dan lugar a una corriente eléctrica en el circuito externo. 
11 
 
1.8.1 Tipos de Celdas Fotovoltaicas 
Las partes más importantes de una celda solar son las capas del semiconductor, 
ya que en ellas se liberan los electrones y se produce la corriente eléctrica. Para 
hacer las capas de las distintas celdas solares se utilizan diferentes materiales 
semiconductores entre ellos el silicio, ver tabla 1.2, y cada uno tiene sus ventajas y 
desventajas. 
Tabla 1.1 Tipos de Silicio usados para la construcción de celdas fotovoltaicas 
Celdas de silicio 
 
 
 
Monocristalino 
 
• Presenta una estructura 
completamente ordenada 
• Su comportamiento uniforme lo hace 
buen conductor. 
• Es de difícil fabricación 
• Se obtiene de silicio puro fundido y 
dopado con boro 
• Se reconoce por su monocromía 
azulada oscura y metálica 
• Su rendimiento oscila entre 15-18% 
 
 
 
 
 
Polocristalino 
 
• Presenta una estructura ordenada 
por regiones separadas 
• Los enlaces irregulares de las 
fronteras cristalinas disminuyen el 
rendimiento de la de la celda. 
• Se obtiene de igual forma que la de 
silicio monocristalino pero con 
menos faces de cristalización 
• Su superficie está estructurada en 
cristales con distintos tonos de 
azules y grises metálicos. 
• Su rendimiento oscila entre 12-14% 
 
 
 
 
 
• Presenta un alto grado de desorden 
• Contiene un gran número de 
defectos estructurales y de enlaces. 
12 
 
 
 
 
Amorfo 
• Su proceso de fabricación es más 
simple que en los anteriores y 
menos costoso. 
• Se deposita en forma de lámina 
delgada sobre vidrio o plástico 
• Son eficientes bajo iluminación 
artificial 
• Tiene un color marrón homogéneo 
• Su rendimientos es menor del 10% 
 
1.8.1.1 Celdas Fotovoltaicas de película delgada. 
Las celdas de película delgada policristalinas se hacen de muchos granos 
cristalinos minúsculos de algún material semiconductor. Una celda típica de 
película delgada se conforma de la unión “p-n” entre dos materiales, existen 
diversos procedimientos y tipos de materiales para su fabricación, especialmente 
en semiconductores de diferente conductividad, ver tabla 1.3, eléctrica las cuales 
muestran las mejores eficiencias de conversión [7]. 
Tabla 1.2 Tipos de materiales de Películas Delgadas para la construcción de 
celdas fotovoltaicas. 
 
 
De Silicio Amorfo 
 
Absorbe la radiación con una eficiencia 40 
veces superior a la del silicio cristalino por 
lo que solo se necesita una película de 1 
mm de espesor para absorber el 90% de la 
luz 
Consiste en una película superior altamente 
dopada tipo “p” de 10nm, una película 
semiconductora de 500nm y una película 
inferior altamente dopada tipo “n” de 10nm. 
 
 
 
 
De CdTe 
 
Tiene una absorción muy alta. Consisten de 
la siguiente estructura: capa de ventana tipo 
“n” de CdS, sobre la que se deposita una 
película semiconductora de CdTe. 
 
 
 
 
 
Es un semiconductor formado por una 
mezcla de dos elementos, galio y arsénico. 
El galio es un subproducto de la fundición 
13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
De GaAs 
de otros metales, como el aluminio y del 
zinc, y es más raro que el oro. Por otro lado 
el arsénico es venenoso. 
El arseniuro de galio es especialmente 
conveniente para el uso en multiunión y 
para celdas solares de alta eficiencia, por 
razones como: 
• La Eg es de 1,43 eV, casi ideal para 
la máxima eficiencia de 
aprovechamiento del espectro solar 
para una sola unión. 
• Solamente necesita algunos 
micrones para absorber la luz del sol 
• Las celdas de GaAs son insensibles 
al calor. 
• Son flexibles en el diseño de la 
celda ya que al hacer aleaciones 
con otros compuestos mejoran sus 
características. 
• Es altamente resistente al daño de 
la radiación 
La gran desventaja es su alto precio, por 
esta razón solo se utilizan en sistemas 
denominados de concentrador, permite 
obtener eficiencias entre el 25% y el 30%. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
De CuInSe2 (CIS) 
 
Estas celdas absorben el 99% de la luz en 
el primer micrómetro de material. 
La estructura de las celdas consiste de un 
conductor transparente y un semiconductor 
tipo “n” 
 
La capa de la ventana es la película tipo “n” 
de la orden de 0,05 a 0,1 mm, y el material 
que generalmente utiliza es el CdS. 
 
La película tipo “p” es de CIS y tiene baja 
Eg, por lo que la adición de pequeñas 
cantidades de Ga mejora el voltaje y por 
tanto la eficiencia del dispositivo. Para la 
fabricación de las películas se emplea la 
evaporación. 
14 
 
1.8.1.2 Estructura de las Celdas Fotovoltaicas de Película Delgada. 
El diseño estructural de la celda solar depende de las limitaciones del material 
usado. Los tres diseños básicos son: 
• Homounión 
• Heterounión 
• Multiunión 
En la Homounión el material más utilizado es el silicio cristalino con el lado tipo p 
dominado por los huecos y el lado tipo n dominado por los electrones que son 
negativos. 
Requiere el uso de materiales que pueden ser tipo p y de tipo n al doparlos, y no 
muchos materiales fotovoltaicos tiene esa propiedad. 
En la Heterounión el material utilizado en este diseño es el CIS, donde la 
enstrutura está formada con dos semiconductores CdS y CuInSe2. Esta estructura 
se elige para producir las celdas de película delgada que absorben la luz mucho 
mejor que el silicio. 
En la Multiunión se consigue eliminar la limitación impuesta por la Eg del material 
puesto que se utilizan celdas diferentes con más de un ancho de banda y más de 
una unión para generar un voltaje. Los dispositivos con multiunión logran una 
mayor eficiencia de conversión total por que pueden convertir una fracción más 
grande del espectro luminoso en electricidad. 
Un dispositivo de Multiunión es un conjunto de celdas individuales de una sola 
junta, colocadas en orden descendente de acuerdo a su ancho de banda Eg. La 
celda más alta captura los fotones de alta energía y deja pasar el resto de los 
fotones hacia abajo para ser absorbidos por las celdas con achos de banda más 
bajos [8]. 
15 
 
CAPÍTULO II. ANTECEDENTES SOBRE LA TÉCNICA DE 
CRECIMIENTO POR BAÑO QUÍMICO 
2.1 Generalidades. 
Antes de empezar hablar de la técnica de baño químico es importante repasar 
algunos conceptos básicos que nos ayudarán a comprender fácilmente el 
mecanismo mediante el cual se obtienen materiales mediante la técnica de baño 
químico. 
2.1.1 Equilibrio Químico. 
En 1864 Cato Maximilian Guldbert (1836-1902) y Peter Waage (1833-1900) donde 
postularon su ley de acción de masas [9], expresan la relación entre las 
concentraciones (expresadas como presiones parciales en el caso de gases y 
como molaridades en el de disoluciones) de los reactivos y productos presentes 
en el equilibrio de cualquier reacción. Supóngase la siguiente ecuación general de 
equilibrio: 
 𝑎𝑎𝑎𝑎 + 𝑏𝑏𝑏𝑏 ↔ 𝑐𝑐𝑐𝑐 + 𝑑𝑑𝑑𝑑 (2.1) 
donde A, B, C y D son las especies químicas participantes y a, b, c y d son los 
coeficientes de la ecuación química balanceada. Según la ley de acción de masas, 
la siguiente expresión muestra la condición de equilibrio cuando todos los 
reactivos están en disolución:𝑘𝑘𝑒𝑒𝑒𝑒 =
[𝑐𝑐]𝑐𝑐 [𝑑𝑑]𝑑𝑑
[𝑎𝑎]𝑎𝑎 [𝑏𝑏]𝑏𝑏
 (2.2) 
 Esta relación se conoce como la expresión de la constante de equilibrio. 
Si se conoce la ecuación química balanceada de un equilibrio, se puede escribir la 
expresión de la constante de equilibrio, aun sin conocer el mecanismo de 
reacción. La expresión de la constante de equilibrio depende únicamente de la 
estequiometria de la reacción, no de su mecanismo. 
El valor de la constante de equilibrio a cualquier temperatura dada no depende de 
16 
 
las cantidades iníciales de reactivos y productos. Tampoco importa si están 
presentes otras sustancias, siempre y cuando estas no reaccionen con un reactivo 
o un producto. El valor de la constante de equilibrio solo varía con la temperatura. 
2.1.2 El pH. 
El pH es un indicador de la acidez o de la alcalinidad de una sustancia. La 
concentración molar H+ (ac) en una disolución acuosa es comúnmente muy 
pequeña. En consecuencia, y por comodidad, [H+] se expresa habitualmente en 
términos del pH, que es el negativo del logaritmo base 10 de [H+]. 
 
 pH= -log[H+] (2.3) 
El control de un adecuado pH es uno de los parámetros que se deben optimizar 
para obtener películas de buena calidad. Muchas de las reacciones químicas que 
se producen en solución acuosa necesitan que el pH del sistema se mantenga 
constante, para evitar que ocurran reacciones no deseadas [10]. Las disoluciones 
amortiguadoras o “buffer” son capaces de mantener la acidez o basicidad de un 
sistema dentro de un intervalo reducido de pH. Estás disoluciones contienen un 
par conjugado ácido-base débil y resisten los cambios drásticos de pH cuando se 
agregan pequeñas cantidades de un ácido o una base fuerte. 
 
2.1.3 Formación de iones complejos. 
Casi todo los iones metálicos se comportan como ácido en disoluciones acuosas, 
el concepto de Lewis ayuda a explicar las interacciones entre iones metálicos y 
moléculas de agua que dan origen a este comportamiento ácido. 
Debido a que los iones metálicos tienen carga positiva, atraen los pares de 
electrones no compartidos de las moléculas del agua. Esta interacción, es 
conocida como hidratación, es la causa principal de que las sales se disuelvan en 
agua. 
 𝑀𝑀𝑥𝑥+ + 𝑛𝑛𝐻𝐻2𝑂𝑂 ↔ 𝑀𝑀𝐻𝐻2𝑂𝑂𝑛𝑛𝑥𝑥+ (2.4) 
17 
 
Se puede visualizar el proceso de hidratación como una interacción ácido-base de 
Lewis en la que el metal actúa como ácido de Lewis (receptores de pares de 
electrones) y las moléculas de agua como base de Lewis (donadores de pares de 
electrones). Cuando una molécula de agua interactúa con el ión metálico con 
carga positiva, la densidad electrónica es atraída por el oxígeno como se ilustra en 
la figura 2.1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Este flujo de densidad electrónica polariza en mayor grado el enlace O-H; en 
consecuencia, las moléculas de agua ligadas al ión metálico son más ácidas que 
las del disolvente solo. 
Además del agua existen otras interacciones de una base de Lewis con un ácido 
de Lewis, en particular con iones de metales de transición, estas interacciones 
pueden influir espectacularmente en la solubilidad de una sal metálica. Para que 
una base de Lewis aumente la solubilidad de una sal metálica, debe ser capaz de 
interactuar más intensamente que el agua con el ión metálico. La base debe de 
desplazar moléculas de H2O de solvatación para formar un ión complejo. 
 𝑀𝑀(𝐻𝐻2𝑂𝑂)𝑛𝑛𝑥𝑥+ + 𝐻𝐻2𝑂𝑂 ↔ 𝑀𝑀𝐻𝐻2𝑂𝑂𝑛𝑛𝑥𝑥+ + 𝐻𝐻3𝑂𝑂 (2.5) 
Fig. 2.1 Interacción de una molécula de agua con un catión de carga 1+ o 3+. La interacción es 
mucho más intensa con el ión más pequeño que con el de carga más grande; esto aumenta la 
acidez del ion hidratado. 
18 
 
 
La estabilidad de un ión complejo en disolución acuosa se puede juzgar en función 
de la magnitud de la constante de equilibrio de su formación a partir del ión 
metálico hidratado. 
2.1.4 Equilibrio de Solubilidad. 
La constante del producto de solubilidad o producto de solubilidad nos indica cual 
soluble es el sólido en agua. Consideremos la siguiente ecuación para una 
disolución en su forma general: 
 𝑀𝑀𝑎𝑎𝑋𝑋𝑏𝑏 ↔ 𝑎𝑎𝑀𝑀𝑛𝑛+ + 𝑏𝑏𝑋𝑋𝑚𝑚− (2.6) 
El producto de solubilidad (Kps ) es equivalente al producto de la concentración de 
los iones participantes en el equilibrio, cada uno de estos iones disueltos, 
elevados a la potencia de su coeficiente en la ecuación de equilibrio. 
 𝐾𝐾𝑝𝑝𝑝𝑝 = [𝑀𝑀𝑛𝑛+]𝑎𝑎 [𝑋𝑋𝑚𝑚−]𝑏𝑏 (2.7) 
Es importante distinguir entre la solubilidad y la constante del producto de 
solubilidad. La solubilidad de una sustancia es la cantidad que se disuelve para 
formar una disolución saturada; la solubilidad aumenta cuantas mayores sean las 
atracciones entre el soluto y las moléculas de disolvente. La constante de producto 
de solubilidad (Kps) es la constante de equilibrio entre un solido iónico y su 
disolución saturada. 
La solubilidad de una sustancia puede cambiar considerablemente cuando varían 
las concentraciones de otros solutos. En cambio, la constante del producto de 
solubilidad Kps tiene un valor único para un soluto dado a cualquier temperatura 
específica [11]. 
 
 
 
19 
 
2.2 Depósito por baño químico. 
El depósito por baño químico consiste en la adhesión de película delgada sobre 
un sustrato sólido, ver figura 2.2, a partir de una reacción que ocurre en una 
solución acuosa. La mezcla de reacción contiene soluciones acuosas diluidas de 
una fuente de iones metálicos (generalmente una sal), un agente acomplejante y 
una fuente de iones calcogenuros. Los compuestos iónicos cuando se disuelven 
en agua se disocian en sus iones correspondientes, de manera que los iones 
metálicos en la solución se encuentran libres. 
 
 
 El agente acomplejante tiene la función de atrapar a los iones metálicos en la 
mezcla de reacción y liberarlos lentamente, esto ocurre mediante una reacción de 
equilibrio tipo: 
 𝑀𝑀𝑛𝑛+ + 𝑎𝑎 ↔ 𝑀𝑀(𝑎𝑎)𝑛𝑛+ (2.8) 
Donde M representa al ión metálico de valencia n y A al agente acomplejante
 𝑀𝑀(𝑎𝑎)𝑛𝑛+se denomina ión complejo. La concentración de los iones metálicos libres 
a cierta temperatura está determinada por la constante de equilibrio de la reacción 
representada por la ecuación 2.8. Esta constante se denomina constante de 
equilibrio de ión complejo. Si queremos que los iones metálicos se liberen 
lentamente debemos escoger un agente acomplejante adecuado, que forme un 
Fig. 2.2 Esquematización de un baño químico 
20 
 
complejo con el metal con un valor alto de constante de solubilidad [12]. El anión 
calcogenuro se genera mediante la hidrólisis del compuesto que lo contiene, el 
anión calcogenuro se compone de compuestos binarios del grupo 16 en estado de 
oxidación de -2, ver figura 2.3. Los calcógenos tienen electronegatividades 
menores a los halogenuros. Los calcogenuros de los grupos 1 y 2 son iónicos. 
Solo los óxidos de metales de transición en bajos estados de oxidación pueden 
considerarse iónicos. Como es lógico al descender en el grupo (O, S, Se y Te), ver 
tabla 2.1, se produce un aumento del carácter covalente de sus compuestos con 
los elementos electropositivos. 
Tabla 2.1 Electronegatividad de los calcógenos en la escala de Pauling. 
Calcógeno Oxígeno Azufre Selenio Teluro 
Electronegatividad 3,4 2,5 2,4 2,1 
 
Los calcogenuros covalentes se presentancomo sólidos moleculares o covalentes 
en capas o cadenas. Los sólidos moleculares se dan preferentemente entre los 
óxidos de los elementos de menor tamaño ya que en dichos casos se favorece la 
existencia de enlaces dobles y por tanto la naturaleza monómera del compuesto 
[13]. 
 
Fig. 2.3 Tabla periódica en la que se señala el grupo VI A de los calcógenos 
21 
 
Los iones metálicos y calcogenuros reaccionan obteniendo un precipitado del 
producto o en la superficie del sustrato mediante un proceso heterogéneo que 
permite la formación de la película. 
El uso agentes acomplejantes para la liberación lenta de los iones metálicos en la 
reacción representa un factor importante ya que los compuestos depositados son 
altamente insolubles. Otro factor importante es la disponibilidad de “núcleos” sobre 
la superficie de sustrato. Para que ocurra la reacción en la superficie del sólido, 
esta debe de contener núcleos. Los núcleos se forman cuando especies metal-
hidroxilo se adsorben en la superficie y se combinan con otras especies formando 
pequeños aglomerados. Al proceso de formación de estos aglomerados se le 
llama nucleación. Los grupos hidroxilo se sustituyen por iones metálicos formando 
una capa inicial de metal calcogenuro. El depósito de la película ocurre por la 
condensación de iones metálicos y calcogenuros sobre esta capa inicial. 
La composición, estructura y morfología de las películas depositadas por baño 
químico son altamente sensibles a condiciones tales como temperatura y 
naturaleza del sustrato. Para que un material se utilice como sustrato debe tener 
una estabilidad térmica alta, resistencia mecánica y una adecuada adhesión de la 
película en intervalos amplios de temperatura. La superficie del sustrato debe ser 
lisa para obtener películas delgadas con calidad. Los sustratos más ampliamente 
usados para películas policristalinas son vidrio, sílice fundida y materiales 
cerámicos [14]. 
2.2.1 Proceso y Mecanismos de Crecimiento 
En el proceso para el crecimiento de la película, los complejos que se forman en la 
solución son adsorbidos sobre la superficie del sustrato produciendo reacciones e 
intercambio de iones. Como ya se mencionó la función del agente acomplejante 
en la solución es liberar controladamente los iones sobre la superficie y en esta 
primera etapa se forman los núcleos. Este proceso de nucleación se divide en dos: 
Nucleación Homogénea y Nucleación Heterogénea [15]. 
22 
 
La nucleación homogénea ocurre debido a fluctuaciones locales en la solución ya 
sea, debido a la concentración, la temperatura, pH u otras variables [16]. La 
nucleación homogénea se da absolutamente al azar por las coaliciones entre 
iones, moléculas y complejos que se forman dentro de la solución. A medida que 
los centros de nucleación generados colisionan entre sí; se comienzan a formar 
aglomerados que finalmente completan una capa. Sin embargo, como las 
coaliciones entre moléculas o complejos en la solución son térmicamente 
inestables es necesario un adecuando control de la temperatura. 
También es posible que bajo ciertas condiciones de pH, temperatura y del tiempo, 
se de la redisolución de la película en la misma solución, por lo tanto es importante 
lograr las condiciones de estabilización cinética del sistema. Las fases que se 
generan en la superficie son dependientes, de los parámetros de crecimiento, 
tales como: temperatura, pH, tipo de acomplejante, entre otros. 
 
En la nucleación heterogénea la energía que se requiere para formar una interface 
entre el aglomerado y el sustrato sólido suele ser menor que la que se necesita 
para la nucleación homogénea, donde no existe tal interface. En la nucleación 
heterogénea, los aglomerados pueden ser adsorbidos en el sustrato y esta puede 
ocurrir cerca de las condiciones de equilibrio de saturación recordemos que en la 
nucleación homogénea ocurre en condiciones de equilibrio de supersaturación 
[17]. 
 
2.2.1.1 Mecanismo ión- ión 
Es un mecanismo simple donde ocurren reacciones iónicas secuenciales y consta 
en la adsorción sucesiva de aniones y cationes sobre la superficie del sustrato 
para formar la película, donde el producto del ión 𝑀𝑀(𝑎𝑎)𝑛𝑛+ excede el producto de 
solubilidad Kps, teniendo en consideración los problemas cinéticos que ocurren en 
la nucleación. Si la reacción se realiza en una solución alcalina (por mucho la más 
común) se necesita un complejo para mantener el ión metal en solución y evitar 
que se precipite. Ya que la descomposición del precursor del calcógeno puede ser 
23 
 
manejada (por T, pH o concentración), la velocidad de formación del ion complejo 
puede ser bien controlada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.2.1.2 Mecanismo hidróxido 
Es un mecanismo en donde la nucleación del calcogenuro es más simple ya que 
está previamente presente una fase sólida (el hidróxido metálico u otra fase 
sólida) y el proceso procede de una reacción de sustitución en esa fase sólida. 
Se inicia cuando nanocristales individuales o pequeños agregados alcanzan el 
sustrato antes de que precipiten en forma de grandes agregados. Esta 
precipitación puede ser minimizada o evitada con un adecuado manejo de los 
parámetros de depósito. El tamaño del cristal no es un factor para que cambie el 
engrosamiento de la película. Se asume que el mecanismo primario en la 
nucleación es la adsorción del hidróxido metálico en el sustrato. Una diferencia 
entre el mecanismo ión por ión y el mecanismo hidróxido es que en el segundo, 
los coloides de la solución se adhieren en la superficie del sustrato y no se 
aumenta significativamente el tamaño a lo largo del espesor de la película. En el 
crecimiento ión- por ión es probable que el crecimiento del cristal ocurra en 
núcleos que ya estén presentes en el sustrato, por lo que el tamaño del cristal 
Fig. 2.4 Diagrama esquemático de los pasos probablemente involucrados en el mecanismo Ion por-Ión. a) 
Difusión de los iones Cd2+ y S2− hacia el sustrato. b) Nucleación de los iones de Cd y S facilitada por la 
nucleación de CdS en el sustrato. c) Crecimiento del CdS nucleado y adsorción de los iones de Cd y S de la 
solución y nucleación de nuevos cristales de CdS. d) Continua el crecimiento de los cristales de CdS, los cuales 
se adhieren a otros a través de fuerzas de atracción mediante interacciones químicas. 
24 
 
puede aumentar durante el depósito [18]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2.5 Diagrama esquemático de los pasos probablemente involucrados en el mecanismo 
aglomerados de hidróxido. a) Difusión de partículas coloidales de hidróxido al sustrato, los cuales se 
adhieren al sustrato. b) reacción de los iones de azufre con los coloides de hidróxido. c) Esta reacción 
puede ocurrir en los coloides que ya fueron adsorbidos por el sustrato así como en los que se 
encuentran dispersos en la solución. La reacción continúa hasta que la mayoría de los hidróxidos son 
convertidos en sulfuro. d) A las primeras partículas formadas de CdS se les pueden adherir otras para 
formar un agregado. e) Parte de las partículas de CdS forman una película y otra parte precipita en la 
solución. 
25 
 
CAPÍTULO III. CARACTERIZACIÓN DE PELÍCULAS 
DELGADAS 
3.1 Espectroscopia de Rayos X. 
Los rayos X se definen como una radiación electromagnética de longitud de onda 
corta. El intervalo de longitudes de onda de los rayos X va desde 
aproximadamente 10 Å hasta alrededor de 100 Å [19]; sin embargo, la 
espectroscopia de rayos X convencional abarca la región de aproximadamente 0.1 
Å a 25 Å. 
 
3.1.1 Obtención de Rayos X. 
Cuando un conjunto de átomos son bombardeados por un haz de electrones de 
elevada energía se producen rayos X. Al igual que los emisores del ultravioleta y 
visible, los rayos X liberados producen un espectro continuo y otro discontinuo (de 
líneas); ambos tipos tienen interés en análisis. La radiación continua se llamatambién radiación blanca o Bremsstrahlung (que significa radiación que proviene 
de la desaceleración por partículas; esta radiación es generalmente continua), ver 
figura. 3.1. En un tubo de rayos X, los electrones producidos en un cátodo caliente 
son acelerados hacia un ánodo metálico (blanco) por un potencial del orden de los 
100 kV; en la colisión, parte de la energía del haz de electrones se convierte en 
rayos X. 
 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 3.1 Diagrama esquemático de la sección transversal de un tubo de rayos X. 
26 
 
La radiación continua de una fuente de haz de electrones es el resultado de las 
colisiones entre los electrones del haz y los átomos del material del blanco. En 
cada colisión, el electrón se desacelera y se produce un fotón de energía de rayos 
X. La energía del fotón será igual a la diferencia entre la energía cinética del 
electrón antes y después de la colisión. Generalmente, los electrones de un haz se 
desaceleran en una serie de colisiones, y las pérdidas de energía cinética difieren 
de una colisión a otra. Por tanto las energías de los fotones de rayos X emitidos 
varían de modo continuo en un intervalo considerable [20]. 
 
3.1.2 Difracción de Rayos X (DRX). 
La DRX es una técnica usada para estudiar la estructura cristalina de los sólidos, 
se usa cuando se requieren mediciones precisas de los parámetros de red 
incluyendo la geometría para la identificación de materiales desconocidos; puede 
usarse para identificar las fases presentes en una muestra, y para estudiar los 
esfuerzos mecánicos en películas. 
Los rayos X tienen gran profundidad de penetración por lo que se pueden analizar 
muestras muy gruesas, aunque también se pueden analizar películas delgadas de 
hasta 5nm [21]. 
 Esta técnica nos permite un estudio estructural de muestras policristalinas y 
monocristalinas basado en un experimento de difracción, en el que un haz de 
rayos X incide sobre un sólido cristalino obteniéndose un conjunto de haces 
difractados producto de las interacciones entre los rayos X y los átomos del 
material, ver figura 3.2, esto nos proporciona un patrón de difracción. Este patrón 
de difracción está relacionado con la distribución de los átomos y su estructura 
cristalina. La estructura cristalina es encontrada haciendo una comparación de las 
posiciones de los picos del patrón de difracción y sus intensidades con alguna 
referencia. 
 
 
 
27 
 
 
 
 
 
 
 
Cuando los rayos X alcanzan la superficie de un cristal a un ángulo θ (ángulo 
incidente), una parte de estos son dispersados por la primera fila de átomos, la 
porción que no es dispersada penetra en la segunda capa de átomos del material, 
donde ocurrirá lo mismo y así sucesivamente en cada capa de átomos del 
material. Por lo tanto cuando un haz llega a un cristal, este será dispersado en 
todas direcciones dentro de él y por distribución regular de átomos habrá una 
interferencia constructiva o destructiva de estas ondas dispersadas. Bragg 
propuso que los átomos en un cristal forman familias de planos paralelos, teniendo 
cada una cierta separación d. Una condición necesaria para el fenómeno de 
interferencia es que la longitud de onda del rayo incidente, (estas condiciones son 
mostradas en la figura 3.2), sea aproximadamente igual a la separación entre los 
planos cristalinos (λ<2d). 
Entonces, la interferencia constructiva solo tendrá lugar cuando la diferencia de 
camino entre los rayos incidentes y el dispersado difiera exactamente un número 
entero, n, de longitudes de onda λ. De la figura 3.2 obtenemos que: 
 
 
 
Fig. 3.2 Representación de Bragg de la difracción de rayos-X. 
 
28 
 
 
La ecuación anterior es conocida como la Ley de Bragg, y nos permite calcular las 
distancias entre las familias de planos atómicos d, que conforman la red cuando 
se conoce el ángulo de incidencia y la longitud de onda. Los ángulos de incidencia 
que no cumplan con la ecuación anterior tendrán una interferencia destructiva [22]. 
Un patrón de difracción de rayos X se muestra en función de la intensidad contra 2 
veces el ángulo de Bragg (2θ), asumiendo que la intensidad de la difracción es 
únicamente función del ángulo de difracción. El haz difractado de un cristal en una 
dirección de ángulo dada, corresponde a una familia de planos de difracción. Los 
haces difractados son interceptados por un detector de área, los cuales se 
convierten en una imagen llamada Patrón de Difracción [23] ver figura 3.3. 
 
 
 
 
 
Fig. 3.3 Ejemplo de un Patrón de Difracción. 
 
29 
 
3.2 Espectroscopia UV-VIS. 
La espectroscopia Ultravioleta-Visible se basa principalmente en la absorción o 
emisión de la radiación electromagnética generalmente en la región UV-Vis. Las 
técnicas espectroscópicas nos permiten analizar cuantitativa o cualitativamente 
una muestra. La absorción selectiva de la radiación produce el espectro de 
absorción, que proporciona información fundamental para la determinación de la 
composición química, la estructura y las propiedades de la materia. Uno de los 
parámetros que la constituyen son la transmitancia y la absorbancia, la 
transmitancia; se define como la relación de la intensidad de la luz transmitida con 
respecto a la intensidad de la luz incidente, ver figura 3.4, mientras que la 
absorción es aquella que mide la energía que absorbe la muestra. 
 
 
 
La absorción de la región Uv-Vis del espectro solo se produce a determinadas 
longitudes de onda y está asociada a la transición de electrones entre orbitales de 
las últimas capas, lo que significa que nos proporciona información esencial para 
conocer la estructura electrónica de la materia [24]. 
 
 
Fig. 3.4 Radiación electromagnética al incidir sobre la materia y los diferentes fenómenos producidos. 
30 
 
3.2.1 Espectrofotómetro UV-VIS. 
Es el equipo que se usa para medir la absorción o transmisión de luz por parte de 
una muestra. Consta de las siguientes partes que se ilustran en la figura 3.5: 
 
1.- Fuente de luz; suele ser una lámpara que emite luz (por incandescencia de un 
filamento) policromática, es decir que contiene distintas longitudes de onda con 
distintas intensidades, P0. 
2.- Sistema óptico; a través de filtros, lentes y redes de difracción se focaliza el 
haz de luz y se selecciona una longitud de onda fija. 
3.- Porta muestras; es donde se coloca la muestra, sobre la que se hace incidir el 
haz de luz monocromática. 
4.- Sistema óptico; recibe la luz transmitida por la muestra, la focaliza y selecciona 
por longitudes de onda. 
5.- Detector; recibe la señal de la intensidad de la luz transmitida a cada longitud 
de onda y la transforma en señal eléctrica que un ordenador pueda procesar [25]. 
 
 
 
Fig. 3.5 Esquema del funcionamiento de un espectrofotómetro Uv-Vis. 
 
31 
 
3.2.2 Transmitancia y Reflexión. 
En la figura 3.4 se muestra un haz paralelo antes y después de atravesar un 
medio que tiene un espesor b. Como consecuencia de la interacción entre los 
fotones y los átomos o moléculas absorbentes, la potencia del haz disminuye de I0 
(radiación incidente) a (radiación transmitida). La transmitancia es la relación 
entre la radiación transmitida y la radiación incidente. 
𝑇𝑇 = 
𝐼𝐼𝑇𝑇
𝐼𝐼0
 
%𝑇𝑇 = 
𝐼𝐼𝑇𝑇
𝐼𝐼0
 𝑋𝑋 100% 
𝐴𝐴 = −𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 𝑇𝑇 
La absorbancia es el logaritmo negativo de la transmitancia. 
La energía del fotón puede ser expresada de la siguiente forma: 
𝐸𝐸 = ℎ𝑣𝑣 = ℎ𝑐𝑐/𝜆𝜆 
Donde h es la constante de Planck (6.63 x 10-34 J•s) , v la frecuencia, c la 
velocidad de la luz ( 3x 108 m/s) y λ la longitud de onda. Cuando los fotones 
interactúan con un material, su comportamiento varía según sea la superficie y 
constitución de dicho material y el ángulo de los rayos incidentes. 
Diferentes fenómenos pueden ocurrir, incluyéndose absorción, transmisión y 
reflexión, ver figura 3.4 donde la intensidad del hazincidente (I0) en la superficie 
del sólido es igual a la suma de las intensidades del haz transmitida (IT), absorbido 
(IA) y reflejado (IR), (I0 = IT + IA + IR) que es igual T+ A +R = 1 en donde T, A y R 
representan, respectivamente las fracciones transmitida (IT/ I0), absorbida (IA/ I0) y 
reflejada (IR/ I0) y su suma deber igual a la unidad. 
En un espectrofotómetro se miden los valores de R y T como función de la λ y así, 
se puede determinar el valor del coeficiente de absorción (α) del material de 
acuerdo con la ecuación: 
32 
 
𝑇𝑇 = (1− 𝑅𝑅)2 𝑒𝑒−𝛼𝛼𝛼𝛼 
Este dato es importante para la evaluación de la Eg de un semiconductor a través 
de la relación entre α y la energía del fotón (hv): 
(𝛼𝛼ℎ𝑣𝑣)𝑛𝑛 = 𝐴𝐴(ℎ𝑣𝑣 − 𝐸𝐸𝐿𝐿) 
Además de proporcionarnos la Eg , los espectros de R y T se emplean para la 
caracterización óptica de las películas y proporcionar información sobre la calidad 
que presentan [26] . 
3.3 Microscopia de Fuerza Atómica (AFM). 
La microscopia de fuerza atómica (AFM) nos proporciona la topografía de la 
superficie de un material. La microscopía de fuerza atómica, también llamada SFM 
por Scanning Force Microscopy. Este tipo de microscopía proporciona información 
del espacio en una muestra y es particularmente importante para el estudio de 
detalles como defectos y otras heterogeneidades químicas. 
Los resultados que se obtienen con este método son mapas de la topografía o la 
forma de la superficie de un determinado material. Un microscopio de fuerza 
atómica en general funciona expuesto al medio ambiente, sin embargo también 
puede ser utilizado inmerso en líquidos o al vacío sin grandes diferencias en su 
funcionamiento general. 
Este método de microscopía consiste en el barrido de la muestra con una sonda 
elástica, a distancias en las que la fuerza de interacción atómica es la de mayor 
importancia, esta fuerza de interacción entre dos átomos puede ser atractiva o 
repulsiva según la distancia a la que se encuentren. 
Utilizando una sonda de AFM es posible generar una diferencia de potencial entre 
la punta de la sonda y la base de la muestra [27]. El soporte se deforma cada vez 
que la punta responde a un pico o a un valle de la topografía de la superficie de la 
muestra. Un sensor detecta las deformaciones experimentadas por el soporte. Por 
medio de un sistema de barrido, se mueve a la muestra hacia arriba o hacia abajo 
33 
 
para mantener constante la deflexión del soporte. Este movimiento hacia arriba y 
hacia abajo es una respuesta de la topografía de la muestra y se usa para generar 
una imagen de la superficie, ver figura 3.6. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3.6 Esquema del funcionamiento del AFM. 
 
34 
 
3.4 Espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS). 
El microscopio electrónico de barrido (MEB) es un instrumento para obtener 
fotografías tridimensionales debido a que tiene una alta resolución y una gran 
profundidad de campo. En las fotografías se puede apreciar la ultra estructura de 
muestras microscópicas detallando, sus características morfológicas y 
topográficas. 
Un instrumento que se ha instalado en el microscopio electrónico de barrido es el 
analizador EDS (espectrómetro de dispersión de energía) de rayos X el cual 
identifica la distribución cuantitativa y cualitativa de elementos químicos que se 
encuentran presentes en la muestra, mostrando gráficas e imágenes relacionadas 
con esa distribución. 
Se obtiene un espectro químico en un punto concreto de la muestra, existen dos 
formas gráficas de obtener información de la señal de rayos X: a) los perfiles de 
línea que permiten identificar gráficamente la variación de la concentración de uno 
o varios elementos entre dos puntos; y b) los mapas de RX que sirven para ver 
gráficamente la distribución de los elementos en la zona seleccionada, asignando 
un color diferente a cada uno [28]. 
El MEB está compuesto por tres 
detectores que proporciona imágenes de 
electrones secundarios, imágenes de 
electrones de retro dispersión y el 
analizador EDS de rayos X, los cuales 
están instalados dentro de la cámara de 
vacío, ver Fig 3.7. La muestra se coloca 
en el portamuestras de la cámara de vacío 
del microscopio, en donde es escaneada 
por medio de un haz de electrones, 
convirtiendo las señales eléctricas en una 
imagen tridimensional que se observa en 
el monitor de las computadoras. 
 
Fig. 3.7 Vista general de la columna del MEB. 
35 
 
En el analizador EDS de rayos X del MEB se realizan diversos análisis 
representados con histogramas e imágenes de distribución de los elementos 
químicos presentes en la muestra. La formación de un espectro EDS de Rayos X 
se obtiene mediante un software (INCA) que recoge durante un determinado 
tiempo (minutos) los fotones emitidos por la muestra, clasificándolos según su 
energía. El espectro se presenta como un histograma en donde el eje de las X 
tiene unidades de energía (Kiloelectrovolts) y el eje de las Y el Número de cuentas 
o intensidad. 
En el espectro se realiza de forma automática la identificación y el análisis 
cualitativo y cuantitativo de los diferentes elementos a través de picos en la 
campana de Gauss observados en el histograma. La figura 3.8 muestra el 
funcionamiento ya mencionado del MEB. En una muestra se elige uno o varios 
sitios de interés para ver si toda la muestra contiene los mismos elementos o hay 
variación de estos en un área determinada [29]. 
 
Fig. 3.8 Esquema del funcionamiento del MEB mostrando una imagen de una amiba tomada con electrones secundarios. 
 
36 
 
CAPÍTULO IV. SÍNTESIS DE PELÍCULAS DELGADAS. 
4.1 Depósito de películas delgadas de ZnO y CdO por medio de la 
técnica de baño químico. 
4.1.1 Limpieza de sustratos. 
Los depósitos de películas delgadas de CdO y ZnO se realizaron sobre sustratos de 
vidrio que requirieron del siguiente procedimiento de limpieza: en un vaso de 
precipitado con detergente Extran, ver figura 4.1, se colocaron los sustratos en un 
porta sustratos, inmediatamente se colocó el vaso de precipitado en baño de 
ultrasonido durante 5 minutos, al sacarlos se enjuagaron con agua destilada y 
nuevamente se colocaron en el ultrasonido, ver figura 4.2. Este procedimiento se 
repitió 2 veces más con acetona y una última vez con etanol. Al terminar los 
sustratos se retiraron del vaso y se secaron em flujo de Nitrógeno de alta pureza. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 4.1 Vaso de precipitado 1000 mL con 
porta sustratos y detergente Extran. 
Fig. 4.2 Limpieza de Sustratos en baño de 
Ultrasonido. 
37 
 
4.1.2 Síntesis de películas delgadas de CdO. 
Se colocaron 4 sustratos limpios en un porta sustrato, posteriormente se colocaron 
en un vaso de precipitado de 500 Ml, ver figura 4.3. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Se le agregaron 100 ml de agua destilada seguida de una solución de 40 ml de 
Cloruro de Cadmio (CdCl2) y 20 ml de Hidróxido de Amonio (NH4OH) reactivo ACS 
28-30%. 
El baño químico se calentó en la parrilla eléctrica con agitación constante; al llegar a 
una temperatura de entre 45 y 50 ºC se le adicionaron 2 ml de Peróxido de Oxígeno 
(H2O2), se dejó por el tiempo especificado con agitación constante, ver figura 4.4. El 
pH idóneo en el crecimiento es de entre 10.5 y 11.5. 
 
 
Fig. 4.3 Arreglo experimental para el depósito de películas delgadas por medio de la técnica de baño químico 
38 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A continuación se muestran las condiciones de deposición de cada crecimiento 
donde se vario la concentración y el tiempo como se muestra en la siguiente tabla. 
 
Tabla 4.1 Condiciones de crecimiento de las películas de Cd(OH)2 
 
 
 
Concentración CdCl2 [M] Muestra Tiempo ( hrs) 
 
0.03 
L-01 
L-02 
L-03 
1 
1.5 
2 
 
0.035 
L-05 
L-08 
L-09 
1 
1.5 
2 
 
0.04 
L-06 
L-07 
L-10 
1 
1.5 
2 
Fig. 4.4 Preparación de Baño químico para la síntesisde Películas Delgadas de Cd(OH)2. 
39 
 
La síntesis de CdO está dada por las siguientes reacciones en donde primero se 
forma el complejo Cd (OH)2, ver figura 4.5: 
 𝐶𝐶𝐶𝐶+2 + 2𝑂𝑂𝐻𝐻− → 𝐶𝐶𝐶𝐶(𝑂𝑂𝐻𝐻)2………………………….………..4.1 
Las películas delgadas de Cd (OH)2 cuando se someten a un tratamiento térmico a 
altas temperaturas en este caso 300°C, se convierten a CdO siguiendo la siguiente 
reacción química [30]: 
 𝐶𝐶𝐶𝐶(𝑂𝑂𝐻𝐻)2 → 𝐶𝐶𝐶𝐶𝑂𝑂 + 𝐻𝐻2𝑂𝑂 ………………………………..……..4.2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Al terminar se vació la solución y se enjuagaron los sustratos con agua destilada en 
baño de ultrasonido, posteriormente se secaron en flujo de nitrógeno de alta presión. 
Se guardaron y etiquetaron para su caracterización. 
 
Fig. 4.5 Solución Obtenida de Cd(OH)2 después de la reacción ocurrida en el baño químico. 
40 
 
4.1.3 Síntesis de películas delgadas de ZnO. 
Se colocaron 4 sustratos limpios en un porta sustratos dentro de un vaso de 
precipitado posteriormente se le agregaron 200 mL de agua destilada seguida de una 
solución de Acetato de Zinc (Zn(O2CCH3)2) (40 mL) Reactivo ACS ≥ 98% y de 
Hidróxido de Amonio (NH4OH) (20 mL) Reativo ACS 28-30% . 
El baño químico se calentó en una parrilla eléctrica con agitación constante, ver 
figura 4.6, hasta llegar a una temperatura de entre 80 y 85 °C, inmediatamente se le 
adiciono una solución de [0.065 M] de Citrato Trisódico 
(HOC(COONa)(CH2COONa)2) (40ml) Reactivo ACS ≥ 99%. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Se dejo con temperatura y agitación constante durante 1 hr. El Ph idóneo de depósito 
es de entre 10 y 11. En cada depósito se vario la concentración de Acetato de Zinc 
empezando con [0.1 M], [0.125 M], [0.15 M], [0.175 M], [0.2 M], y [0.225M]. 
 
Fig. 4.6 Inicio de la Reacción del Baño Químico. 
41 
 
Tabla 4.2 Condiciones de crecimiento de las películas de Acetato de Zinc. 
 
La síntesis de ZnO está dada por las siguientes reacciones en donde primero se 
disocian para formar los iones complejos [31]: 
 𝑍𝑍𝑍𝑍(𝐶𝐶𝐻𝐻3 𝐶𝐶𝑂𝑂𝑂𝑂)2 + 6𝐻𝐻2 𝑂𝑂 → [𝑍𝑍𝑍𝑍 (𝐻𝐻2 𝑂𝑂)6 ]2+ + 2(𝐶𝐶𝐻𝐻3 𝐶𝐶𝑂𝑂𝑂𝑂−) ………..4.3 
 𝑁𝑁𝑁𝑁3 𝐶𝐶3 𝐻𝐻5𝑂𝑂𝐶𝐶(𝑂𝑂𝑂𝑂)3 + 𝐻𝐻2𝑂𝑂 → 𝐶𝐶3 𝐻𝐻5𝑂𝑂𝐶𝐶(𝑂𝑂𝑂𝑂−)3 + 3𝑁𝑁𝑁𝑁+…………………….4.4 
El proceso general se propone de acuerdo a la siguiente reacción: 
 𝑍𝑍𝑍𝑍2+ + 𝐶𝐶3 𝐻𝐻5𝑂𝑂𝐶𝐶(𝑂𝑂𝑂𝑂−)3 → 𝑍𝑍𝑍𝑍𝑂𝑂 + 2𝑁𝑁𝑁𝑁(𝐶𝐶𝐻𝐻3 𝐶𝐶𝑂𝑂𝑂𝑂)2 + 𝑁𝑁𝑁𝑁𝐻𝐻2(𝐶𝐶3𝐻𝐻5𝑂𝑂(𝐶𝐶𝑂𝑂𝑂𝑂)3……..4.5 
El ión amonio además de regular el pH de nuestra solución juega dos roles, provee 
iones OH- y actúa como ligando. El ión de amonio es menos estable que el ion 
hidroxi, por lo tanto a altas temperaturas se lleva a cabo un intercambio de ligandos, 
como se muestra en la siguiente reacción, ver figura 4.7 [32]: 
 [𝑍𝑍𝑍𝑍 (𝐻𝐻2 𝑂𝑂)6 ]2+ 
𝑁𝑁𝐻𝐻3�⎯� [𝑍𝑍𝑍𝑍 (𝑁𝑁𝐻𝐻3)4 ]2+ → [𝑍𝑍𝑍𝑍 (𝐻𝐻2 𝑂𝑂)4 (𝑂𝑂𝐻𝐻)2] → 𝑍𝑍𝑍𝑍𝑂𝑂 + 𝐻𝐻2 𝑂𝑂 …….4.6 
 
 
Concentración de 
Acetato de Zinc [M] 
 
Muestra 
 
Tiempo 
 
0.1 
0.125 
0.15 
0.175 
0.2 
0.225 
 
L-29 
L-28 
L-23 
L-26 
L-17 
L-27 
 
 
 
1 hora 
 
42 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Al terminar se vació la solución y se enjuagaron los sustratos con agua destilada en 
baño de ultrasonido, posteriormente se secaron en flujo de nitrógeno. Se guardaron 
y etiquetaron para su caracterización. 
 
Fig. 4.7 Solución obtenida de ZnO después de la reacción ocurrida en el baño químico. 
43 
 
CAPITULO V 
Análisis y discusión de resultados. 
En este capítulo se presentan los resultados obtenidos en este trabajo de 
investigación de tesis, en la primera parte se muestran los resultados de la 
caracterización estructural, óptica y morfológica del material peróxido de cadmio 
(CdOH2) antes y después de ser tratado térmicamente. 
En la segunda parte se muestran los resultados de la caracterización estructural, 
óptica y morfológica del material óxido de zinc (ZnO). 
5.1 Caracterización de Películas de CdO. 
5.1.1 Propiedades Estructurales. 
En esta sección de resultados se presentan los patrones de difracción de rayos X 
de las películas de CdO. Los difractogramas de las muestras L-01, L-02, L-03, L-
05, L-08, L-09, L-06, L-07 y L-10 revelaron que los máximos coinciden con las 
posiciones de los picos correspondientes reportados para peróxido de cadmio, 
mostraron picos de difracción anchos en 28.26°, 32.98°, 47.66° y 56.38°; las 
cuatro orientaciones o familias de planos más intensas son las direcciones (111), 
(200), (220) y (311) . Estos planos de difracción fueron indexados mediante los 
archivos de difracción de polvo PDF (powder diffraction files) 39-1221. Para la 
conversión de peróxido de cadmio a óxido de cadmio las muestras se sometieron 
a un tratamiento térmico de 300°C durante una hora [33]. 
En la figura 5.1 se presentan los patrones de difracción de las muestras L-01, L-02 
y L-03 a tres diferentes duraciones de baño 1 hr, 1.5 hrs y 2 hrs, respectivamente 
con una concentración constante de CdCl2 [0.3 M]. Se puede observar que la 
película L-02 muestra una mejor cristalinidad ya que los picos so mas definidos y 
son más intensos en comparación de las otras dos películas que presentan una 
baja calidad cristalina. 
44 
 
 
 
 
 
En la figura 5.2 se presentan los patrones de difracción de las muestras L-05, L-08 
y L-09 las cuales fueron depositadas con una concentración constante de CdCl2 
[0.35M]. Los tiempos de crecimiento fueron: 1 hr, 1.5 hrs y 2 hrs, respectivamente. 
Se puede observar que para esta concentración de CdCl2 las películas muestran 
una baja calidad cristalina. Sin embargo, las películas L-05 y L-08 presentan 
claramente picos de difracción bien definidos, mientras que dichos picos apenas 
son observables en la muestra L-09. 
Figura 5.1 Difracción de rayos X de las muestras L-01, L-02 y L-03 a 3 diferentes duraciones de 
baño 1 hr, 1.5 hrs y 2 hrs respectivamente con una concentración constante de CdCl2 [0.3 M]. 
45 
 
 
 
 
 
En la figura 5.3 se presentan los patrones de difracción de las muestras L-06, L-07 
y L-10 a tres diferentes duraciones de baño 1 hr, 1.5 hrs y 2 hrs respectivamente 
y una concentración constante de CdCl2 [0.4 M]. La películas L-07 y L-10 muestran 
una deficiencia cristalina al no distinguirse con exactitud los máximos en los 
patrones, en cuanto la L-06 presenta una buena cristalinidad. 
 
Figura 5.2 Difracción de rayos X de las muestras L-05, L-08 y L-09 a 3 diferentes duraciones de baño 1 hr, 1.5 
hrs y 2 hrs respectivamente y una concentración constante de CdCl2 [0.35 M]. 
46 
 
 
 
 
Al observar y comparar todos los difractogramas de la películas a diferentes 
concentraciones y duraciones de baño, la película L-06 muestra la mejor calidad 
cristalina. Debido a que la muestra L-06 presenta buena cristalinidad, se graficaron 
los difractogramas de las películas con duración de baño de una hora, con el 
objeto de investigar el efecto que tiene el cambio de la concentración de CdCl2 
sobre las propiedades físicas de las películas, ver figura 5.4. En donde podemos 
observar que al aumentar la concentración de CdCl2 las películas muestran mayor 
cristalinidad. Como se mencionó anteriormente, todas estas películas 
corresponden al CdO2, razón por la cual realizamos un tratamiento térmico en aire 
a 300 °C, para obtener películas de CdO. 
Figura 5.3 Difracción de rayos X de las muestras L-06, L-07 y L-10 a 3 diferentes duraciones de baño 1 
hr, 1.5 hrs y 2 hrs respectivamente y una concentración constante de CdCl2 [0.4 M]. 
47 
 
 
 
Al hacer el tratamiento térmico de la muestras L-02, L-05 y L-06, la película L-02 
se evaporó, siendo imposible su caracterización. 
Posteriormente, se caracterizaron y los resultados determinaron