2485-2007-CICATA-ALTAMIRA-MAESTRIA-garcia-perez-luisantonio

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
 
CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN CIENCIA 
APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA. 
UNIDAD ALTAMIRA 
 
 
 
CRECIMIENTO Y CARACTERIZACIÓN DE 
PELÍCULAS DE CdTe:Cu 
 
 
 
T E S I S 
 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: 
MAESTRO EN 
TECNOLOGÍA AVANZADA 
 
 
 
PRESENTA 
 
ING. LUIS ANTONIO GARCÍA PÉREZ. 
 
 
 
DIRECTOR DE TESIS. 
 
DR. MARTÍN G. ZAPATA TORRES. 
 
 
 
 
 
ALTAMIRA, TAMPS. DICIEMBRE DE 2007 
 v 
AGRADECIMIENTOS. 
 
 
� Antes que nada agradezco a Dios por permitirme realizar este proyecto 
pese a todas las adversidades. 
� A mis padres que siempre han sido y serán mi fortaleza, por brindarme 
todo su amor y su apoyo incondicional a lo largo de mi vida. 
� A mis hermanos Cesar Iván, Erick Ricardo y Cinthia Marlen por darme la 
alegría y motivación para salir adelante en mis proyectos de vida. 
� Al Dr. Martín G. Zapata Torres, por darme la oportunidad de trabajar bajo 
su tutela y guiarme con sus sabios y atinados consejos. 
� Al TSU. Javier Andrés Zapata Torres por su gran amistad y apoyo 
técnico en la elaboración del proyecto. 
� Al MC. Fabio Felipe Chalé Lara y al MC. Hernán Peraza Vázquez por 
sus aportes realizados. 
� En especial a Alma Jannet por su apoyo moral e incondicional. 
� A mis amigos Emmanuel, Jorge Estrada, Ricardo, Adán, Bianka, Víctor, 
Maggy, Jackie, Rosy, Jorge Gamez, Edna, Eva Maria, Fhany, Karina, 
Ossana, Deya, Claudia, Juan, Jerry, Efraín, Alicia, Nadia, por su 
invaluable amistad y su grata convivencia todos los días. 
 
 
 
Luis Antonio García Pérez. 
 
 
 
 
 
 vi 
 
RECONOCIMIENTO: 
 
Este trabajo fue desarrollado en el marco de los proyectos de investigación 
“Determinación de los factores de sensibilidad Auger en compuestos ternarios 
semiconductores y sus aplicaciones a la caracterización de películas delgadas”, 
con apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) (No 
38444-E), al proyecto “Crecimiento y caracterización de películas de CdTe:Cu” 
con apoyo de la Secretaría de Investigación y Posgrado (SIP) clave 20060313, 
y al Programa Institucional de Formación de Investigadores del IPN por el 
apoyo recibido; llevados a cabo en el Centro de Investigación en Ciencia 
Aplicada y Tecnología Avanzada del Instituto Politécnico Nacional, Unidad 
Altamira. 
 
 
 
 vii
ÍNDICE 
 
Contenido 
 
Agradecimientos v 
Relación de figuras ix 
Relación de tablas x 
Resumen xi 
Abstract xii 
 
 
Capítulo 1 Introducción. 
 
1.1 Antecedentes. 1 
1.2 Justificación. 5 
1.3 Objetivo general. 5 
1.4 Objetivos específicos. 5 
1.5 Aportaciones. 6 
1.6 Organización del documento. 6 
 
 
Capítulo 2 Fundamentos Teóricos. 
 
2.1 Teluro de Cadmio. 7 
2.2 Aleaciones de Semiconductores. 8 
2.3 Parámetro de la red cristalina de una aleación. 8 
2.4 Ingeniería del ancho de banda de energía prohibida 
 de los grupos II-VI en compuestos ternarios. 9 
2.5 Conceptos generales de la aleación de bandas en un cristal. 11 
2.6 Aleaciones ternarias entre compuestos de los grupos IIb-VI. 13 
 
 
Capítulo 3 Técnicas Experimentales. 
 
3.1 Técnica de crecimiento CSVT-FE. 14 
3.2 Cámara de reacción. 14 
 viii
3.3 Crecimiento de las películas por el sistema CSVT-FE. 16 
3.4 Espectroscopía de absorción. 17 
3.5 Difracción de rayos X. 20 
3.6 Espectroscopía de Energía Dispersiva de Rayos X (EDS). 22 
 3.6.1 Introducción. 22 
 3.6.2 Principios de operación. 23 
3.7 Espectroscopía de Raman. 25 
 
 
Capítulo 4 Metodología Experimental. 
 
4.1 Materiales y reactivos. 30 
4.2 Metodología para la limpieza de los sustratos. 30 
4.3 Metodología para el crecimiento de las películas. 31 
4.4 Configuración del proceso de control de las fuentes evaporadoras. 33 
 
 
Capítulo 5 Resultados y Discusiones. 
 
5.1 Crecimiento de películas de CdTe:Cu. 35 
5.2 Composición química de las películas. 36 
5.3 Análisis mediante difracción de rayos X (DRX). 41 
5.4 Calculo del ancho de banda de energía prohibida (bandgap) 
 en las películas de CdTe:Cu. 45 
5.5 Caracterización estructural mediante espectroscopia de Raman. 48 
 
 
Capítulo 6 Conclusiones. 
 
6.1 Conclusiones. 51 
6.2 Aportaciones. 52 
6.3 Propuestas para trabajos futuros. 52 
 
 
Referencias 53 
 
 
 ix
Relación de Figuras. 
 
Capítulo 1 
 
 
Capítulo 2 
 
Fig. 2.1 Estructura cristalina del CdTe. 7 
Fig. 2.2 Energía del bandgap y constantes de red para la familia 
 de los compuestos de los grupos II-IV 10 
Fig. 2.3 Comparación de la banda de valencia entre los resultados 
 experimentales obtenidos por foto-emisión y las previstas 
 por el modelo de Harrison. 12 
 
 
Capítulo 3 
 
Fig. 3.1 Diagrama de la cámara de reacción del sistema CSVT-FE. 15 
Fig. 3.2 Diagrama del proceso de crecimiento de una película por 
 la técnica CSVT-FE. 17 
Fig. 3.3 Diseño de un equipo experimental para medir absorción 
 o transmitancia a una única longitud de onda. 17 
Fig. 3.4 Difracción de rayos X por un cristal. 22 
Fig.3.5 Diagrama energético a distintos estados vibracionales 
 mostrando las transiciones entre estados energéticos 
 para diferentes interacciones luz-materia. 26 
Fig.3.6 Bandas Rayleigh, Raman Stokes y Raman anti-Stokes. 28 
 
 
Capítulo 4 
 
Fig. 4.1 Cámara de reacción del sistema CSVT-FE. 31 
Fig. 4.2 Curva de calibración de corriente contra temperatura 
 de la lámina de Tantalio modelo EVS7005Ta. 32 
Fig. 4.3 Curvas de calibración de temperatura. 34 
 
 x
Capítulo 5 
 
Fig. 5.1 Micrografía por Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), de 
 la morfología superficial de las muestras M2 y M7, respectivamente. 36 
Fig. 5.2 Espectro de EDS de la M6. 37 
Fig. 5.3 Concentraciones atómicas de los elementos contenidos 
 en las películas de CdTe:Cu. 39 
Fig. 5.4 Gráfica calculada matemáticamente de las concentraciones 
 atómicas de los elementos contenidos en las películas de CdTe:Cu. 40 
Fig. 5.5 Espectros de Difracción de Rayos X. 41 
Fig. 5.6 Corrimiento del pico (111) a distintas concentraciones de cobre 
 en las películas de CdTe:Cu. 42 
Fig. 5.7 Parámetro de red Vs % atómico del Cobre. 43 
Fig. 5.8 Variación del ancho de banda de energía prohibida. 46 
Fig. 5.9 Porcentaje de concentración de cobre Vs Energía en eV. 47 
Fig. 5.10 Estándares característicos de los elementos depositados. 48 
Fig. 5.11 Espectroscopia de Raman de las películas 45 
 
 
 
Relación de Tablas. 
 
Tabla 3.1 Ajuste lineal de la pendiente obtenida. 24 
Tabla 5.1 Concentraciones atómicas de los elementos presentes 
 en las películas de CdTe:Cu. 38 
Tabla 5.2 Ángulo 2θ del plano (111) de las películas de CdTe:Cu. 44 
Tabla 5.3 Ancho de banda de energía prohibida (Eg). 46 
 
 
 xi
RESUMEN 
 
En el presente trabajo se obtuvieron películas del compuesto semiconductor 
CdTe:Cu utilizando la técnica de transporte de vapor en espacio cerrado 
combinado con evaporación libre. Esta técnica de crecimiento está instalada en un 
sistema de evaporación al vacío, evacuado combinando una bomba mecánica y 
una turbomolecular capaz de obtener una presión final de 10-6 Torr. La presión en 
la cámara de crecimiento durante la evaporación fue mantenida por debajo de 
5X10-5 Torr. Los materiales utilizados en la coevaporación fueron CdTe y Cu2Te 
en polvo. Como sustrato fue utilizado porta objetos de vidrio Corning. Con el 
objetivo de obtener diferentes concentraciones de cobre, se varió la corriente de la 
fuente que contiene el Cu2Te de 88 a 100 Amp. Para tal efecto, la temperatura del 
sustrato se mantuvo fija a 400 ºC y la temperatura de la fuente de evaporación del 
CdTe a 600 ºC; el tiempo de crecimiento fue de 10 minutos para todas las 
películas. La determinación del contenido de la concentración de Cadmio, Cobre y 
Telururo sobre las películas fue por medio de la técnica de Espectroscopia de 
Energía Dispersivade rayos X; la estructura cristalina de las películas se 
determinó por difracción de rayos X. Los espectros de absorción óptica se 
obtuvieron mediante un espectrofotómetro de ultravioleta a visible, con el cual se 
determinó la variación del ancho de banda de energía prohibida (Eg), con respecto 
a la concentración de Cu de las películas de CdTe. Adicionalmente se utilizó 
Espectroscopía Raman para la caracterización estructural. Los resultados de DRX 
en las muestras exhibieron las reflexiones de la fase cúbica del CdTe 
correspondientes a los planos (111), (220) y (311), así como un corrimiento hacia 
ángulos mayores indicando la disminución del parámetro de red. En cuanto al 
porcentaje atómico se observa la incorporación del cobre en distintas 
concentraciones. El ancho de banda de energía prohibida (Eg) se ve disminuido 
conforme se incrementa la concentración de cobre. Por medio de Espectroscopia 
Raman se respaldan los estudios de DRX, manifestando que no existe 
segregación de cobre en las películas. 
 
 xii
ABSTRACT 
 
 
 
In the present work films of the semiconducting compound CdTe:Cu were obtained 
using the technique of vapor transport in closed space combined with free 
evaporation. This technique of growth this installed in a system of evaporation to 
the vacuum, evacuated combining a mechanical pump and a turbomolecular able 
to obtain a final pressure of 10-6Torr. The pressure in the chamber of growth during 
the evaporation was maintained below 5X10-5Torr. The materials used in the 
coevaporación were CdTe and Cu2Te powder. As substrate was used Corning 
glass. With the objective to obtain different concentrations of copper, was varied 
the current from the source containing the Cu2Te of 88 to 100 amp.The substrate 
temperature was maintained at 400°C and the temperature of the source of 
evaporation of CdTe to 600°C, the time of growth was of 10 minutes for all the 
films. The determination of the content of the concentration of Cadmium, copper 
and Telluride on the films was by means of the technique Spectroscopy of Energy 
Dispersive of X-ray, the crystalline structure of the films was determined by X-ray 
Diffraction. The optical absorption spectra were obtained by means of a 
spectrophotometer of ultraviolet to visible with which it was determined the 
variation of the bandwidth of energy prohibited (Eg) with respect to the 
concentration of Cu in the films of CdTe. Additionally Raman spectroscopy was 
used for the structural characterization. The results of XRD in the samples are 
observed reflections of the cubic phase of CdTe corresponding to the planes (111), 
(220) and (311), as well as a landslide towards greater angles indicating the 
diminution of the network parameter. As for the percentage atomic noted the 
incorporation of copper in different concentrations. The bandwidth of energy 
prohibited (Eg) decreases as increasing the concentration of copper. Through 
spectroscopy raman endorses the XRD studies declaring that segregation of 
copper does not exist in the films. 
 
 1
CAPÍTULO 1 
 
INTRODUCCIÓN 
 
 
1.1 Antecedentes. 
El desarrollo de nuevas técnicas de fabricación de materiales y la caracterización 
de sus propiedades físicas es una de las actividades científicas que mayor 
repercusión están teniendo en el desarrollo tecnológico. El objetivo de cualquier 
investigador de la ciencia de materiales de esta época es poder diseñar una 
técnica de fabricación que le permita obtener un material con propiedades 
estructurales, químicas, eléctricas y ópticas completamente controlables. Entre las 
aplicaciones más importantes de los materiales está la fabricación de dispositivos 
electrónicos, optoelectrónicos y fotovoltaicos. 
En el marco de la teoría de bandas, un semiconductor es un sólido cuyos átomos 
constituyen una red tridimensional infinita [1], en donde el solapamiento de los 
orbitales atómicos va mas allá de los primeros vecinos, extendiéndose por toda la 
red; resultando así una configuración de estados deslocalizados muy próximos 
entre sí, que forman bandas de estados electrónicos permitidos. Entre las bandas, 
hay intervalos de energía en los cuales no hay estados electrónicos “permitidos”; 
cada uno de estos intervalos es una “banda de energía prohibida” (Eg). Las 
bandas que limitan la banda de energía prohibida son la banda de valencia (BV), 
de menor energía, y la banda de conducción (BC), de mayor energía. 
La mayoría de los materiales que poseen propiedades de semiconductores o que 
se combinan con otros para la fabricación de los mismos pueden encontrarse en 
los grupos IIB, IIIA, IVA, VA y VIA de la Tabla periódica de los elementos 
químicos. 
De los semiconductores binarios III-V y II-VI son de particular interés aquellos 
que muestran una estructura de zinc-blenda o wurzita, que es estable y ayuda a 
 
 2
evitar la formación de imperfecciones cristalinas. Los semiconductores 
elementales del grupo IV con estructura de diamante muestran un enlace 
homopolar estable, pero no son aplicables en dispositivos optoelectrónicos para la 
generación de luz en el rango espectral de hv = 2 a 3 eV. 
 
Por otra parte también, se ha trabajado teóricamente y experimentalmente con 
impurezas en el CdTe, utilizando como impurezas a los elementos del grupo I, II, 
III, IV y V, observándose en estos estudios que de acuerdo a la naturaleza de los 
átomos impurificantes (aceptores o donadores), se pueden obtener nuevas 
aplicaciones. En este contexto, se ha encontrado por experimentos de 
fotoluminiscencia que elementos del grupo I (Li, Cu, Ag y Au) actúan como 
aceptores en CdTe y que están incorporados en sitios de cationes [2]. Para el Li, 
este comportamiento es confirmado por las mediciones de espectroscopía de 
absorción infrarroja (LVM’s) en el CdTe:Li, el cual muestra la formación de pares 
cerrados de Licd – Lii. Por otro lado, Ostheimer et. al. [3], reportaron la formación 
de pares donador-aceptor, por espectroscopía de correlación angular γγ en CdTe 
impurificado con el 111In y como aceptor, diferentes elementos del grupo V ( N, P, 
As y Sb), implantándolos en una concentración de 1019 cm-3. 
 
Así también, para los elementos de la columna III como el In, Ga y Al en el CdTe, 
incorporados en sitios de aniones como donadores, Zhang [4] observó 
teóricamente que los límites de impurificación por átomos de In y Al en el CdTe, 
ocurren cerca del 1.8x1018 y 6.1x1019 cm-3, respectivamente. No obstante, los 
resultados de Chadi [5] sugieren que el aluminio tiene una concentración de 
electrones más alta. 
 
Se ha encontrado que el Cu es un impurificante aceptor para las películas de 
CdTe y ha sido utilizado en celdas solares de alta eficiencia que tiene como base 
este material. Sin embargo el Cu juega dos importantes (a la vez opuestos) 
papeles en el comportamiento del dispositivo en base al CdTe. El Cu puede 
impurificar la superficie del CdTe como una región p y formar un contacto con una 
 
 3
altura de barrera baja. Sin embargo, el Cu también puede difundir rápidamente 
dentro del volumen del CdTe formando trampas de portadores que impactan en el 
comportamiento del dispositivo. En este contexto, en el campo de materiales surge 
la necesidad de realizar un material semiconductor que incorpore en la matriz del 
CdTe al cobre, obteniendo de esta manera un semiconductor impurificado tipo p. 
 
En la literatura, se ha reportado que la técnica CSVT-FE permite controlar el 
crecimiento de una película a partir de un parámetro simple como la temperatura. 
Manipulando esta variable, se puede controlar la concentración de los elementos 
que se están evaporando. De las técnicas reportadas en la literatura, algunas 
presentan ciertas dificultades para garantizar un crecimiento cristalino de las 
películas debidamente controlado, y por lo tanto es difícil establecer un depósito 
ordenado de los átomos sobre el sustrato.Existen algunas referencias de películas de CdTe:Cu elaboradas por otras 
técnicas como por ejemplo: 
 
Mustre de León et al. [6], caracterizaron películas delgadas de Cu:CdTe utilizando 
Espectroscopia de absorción de los rayos X, reportando que la introducción del 
cobre en la matriz del CdTe tiene un pequeño efecto en los vecinos cercanos del 
cadmio, debido a que entran átomos sustitucionales de cobre por el cadmio. 
 
S. López López et. al. [7], crecieron películas delgadas de la aleación 
semiconductora de Cd1-xCuxTe mediante la técnica RF-sputtering, en donde 
reportaron que la estructura cristalina del CdTe es afectada con la incorporación 
del cobre. Adicionalmente mencionan 2 beneficios relacionados con el crecimiento 
de material de alta calidad (1) el cobre favorece el crecimiento cristalino orientado 
preferencialmente con la dirección cúbico simple [111], y (2) el cobre impide la 
formación de Teluro agregado, los cuales son comúnmente observados en el 
CdTe puro cuando son crecidos bajo condiciones de equilibrio termodinámico. 
 
 
 4
Adicionalmente S. Jiménez Sandoval et. al. [8], crecieron también películas 
delgadas de Cd1-xCuxTe, mediante la técnica de RF-sputtering. Reportando que la 
incorporación del cobre en la red del CdTe no afecta significativamente el ancho 
de banda de estructura electrónica (Eg) del CdTe y que las películas son del tipo p 
con valores de resistividad del orden de 5.0x103 a 1.0x10-1 Ω-cm, dependiendo de 
las condiciones de crecimiento y de la concentración del cobre. 
 
A. Ali et. al. [9], reporta el crecimiento de películas de CdTe bañadas en una 
solución de Cu(NO3)2-H2O depositadas por una técnica con dos fuentes de 
evaporación. Señalando un decremento de la transmisión y el aumento del índice 
de refracción, además de una variación en el band gap óptico asegurando la 
difusión de Cu en las películas de CdTe. 
 
Por su parte Mikihiko Nishitani et. al. [10], reportan el crecimiento de películas de 
CdTe dopadas con Cu preparadas por coevaporación de CdTe y Cu, donde se 
menciona que el vapor adicional de Te sobre el sustrato mejora la conductividad 
de las películas de CdTe y Cu tipo-p y es debido a la mayor efectividad del 
dopante cobre impurificando como aceptor dentro de los sitios del cadmio. 
 
G. G. Rusu et. al. [11], reporta el comportamiento óptico de multicapas de 
películas delgadas de CdTe/Cu depositadas por el método de “Stacked Layer”, en 
donde los análisis estructurales mediante DRX revelan una estructura cúbica del 
CdTe, sin picos adicionales relacionados con las estructuras del Cu y Te. El valor 
de la energía del band gap fue de 1.48 eV indicando que la adición de cobre en las 
películas disminuye el efecto del exceso de Teluro en el band gap de las películas 
CdTe. 
 
 
 
 
 
 
 5
1.2 Justificación. 
 
Existe gran interés en el desarrollo de un semiconductor en base al CdTe que esté 
impurificado tipo p y que forme un contacto con altura de barrera baja, con el 
objeto de que pueda ser utilizado en las celdas solares de alta eficiencia. De 
acuerdo con la literatura, una posibilidad para esto es incorporar Cu en el CdTe; 
así mismo se ha visto que el sistema CSVT-FE es versátil y podría ser una 
alternativa para el crecimiento de películas de compuestos ternarios 
semiconductores. Es por esto que en este trabajo se propone el crecimiento y 
caracterización de películas de un semiconductor ternario CdTe:Cu (Teluro de 
Cadmio con Cobre). La finalidad de crecer este tipo de material está asociada con 
las propiedades eléctricas, estructurales y ópticas que se puedan obtener de este 
semiconductor y que contribuyeran a desarrollar una celda solar de mejor 
eficiencia. 
 
1.3 Objetivo General. 
 
Crecimiento y caracterización de películas de CdTe:Cu, mediante la Técnica 
CSVT-FE 
 
1.4 Objetivos específicos. 
 
 Desarrollar una metodología que permita la producción de películas de 
CdTe:Cu mediante la técnica de transporte de vapor en espacio cerrado 
combinada con evaporación libre (CSVT-FE, por sus siglas en inglés), 
 Crecer películas, controlando el proceso de crecimiento hasta llegar a 
obtener películas del semiconductor ternario CdTe:Cu. 
 Determinar la variación del ancho de banda de energía prohibida (Eg) con 
respecto a la concentración de Cu de las películas de CdTe. 
 Caracterización estructural utilizando difracción de rayos x. 
 Determinación de la concentración de los elementos en las películas 
utilizando EDS (Espectroscopía de energía dispersiva de rayos X). 
 Caracterización estructural utilizando espectroscopía de Raman. 
 
 6
1.5 Aportaciones. 
 
En el presente trabajo se pretende elaborar un material semiconductor ternario 
CdTe:Cu generando información a partir de su caracterización, permitiendo que en 
un momento dado estos conocimientos puedan implementarse en el área de opto 
electrónica. 
 
1.6 Organización del documento. 
 
En forma general la redacción de esta tesis esta estructurada de la siguiente 
manera: 
 
El capítulo 2 comprende el marco teórico, en el cual se hace una breve 
introducción acerca de las propiedades del compuesto binario Teluro de Cadmio 
(CdTe). 
 
En el capítulo 3 se presenta la metodología experimental, que comprende la 
técnica de crecimiento transporte de vapor en especio cerrado con evaporación 
libre CSVT-FE, así como su principio de operación. Adicionalmente se da una 
pequeña introducción acerca de las técnicas de caracterización que fueron 
utilizadas. 
 
En el capítulo 4 se detallan los parámetros utilizados, las condiciones de 
crecimiento y caracterización de las películas. 
 
En el capítulo 5 se discuten los resultados obtenidos en la caracterización de las 
películas. 
 
Y por último en el capítulo 6 se dan las conclusiones del trabajo realizado. 
 
 7
CAPÍTULO 2 
 
FUNDAMENTOS TEÓRICOS 
 
 
2.1 Teluro de Cadmio (CdTe). 
 
El CdTe es un compuesto semiconductor de formula química II-VI, siendo el 
Cadmio divalente y el Telurio hexavalente [12]. 
 
Este material se puede presentar en diversos estados estructurales que van desde 
el estado estable de zincblenda (Fig. 2.1) al wurzita, cada uno con propiedades 
ópticas, térmicas o eléctricas específicas [13]. Las propiedades estructurales a 
temperatura ambiente del CdTe son: 
 
• Estructura cristalina: Zincblenda 
• Grupo espacial : 43F m 
• Planos de fractura: {110} 
• Moléculas por celda unitaria: 4 
• Peso molecular: 240.0 gr/mol 
• Constante de red: 6.481 Å 
• Distancia Cd-Te: 2.806 Å 
• Volumen molar: 40.99 cm-3. 
 Figura 2.1 Estructura cristalina del CdTe. 
 
El origen de la estructura estable (zincblenda) del CdTe se obtiene como resultado 
de entrelazar dos redes tipo cúbica centrada en las caras (fcc), donde la segunda 
fcc está desplazada ¼ de la diagonal del cubo. 
En este material, la primera fcc contiene únicamente átomos de Te y la segunda 
fcc contiene sólo átomos de Cd, que se disponen en las siguientes coordenadas: 
Te 
Cd 
 
 8
para el Te en 000, 1 12 20 , 1 12 20 , 1 12 2 0 y para el Cd en 1 1 14 4 4 , 3 314 4 4 , 3 314 4 4 , 
3 3 3
4 4 4 . Alrededor de cada átomo de Te, hay cuatro átomos vecinos de Cd 
igualmente distantes y viceversa, distribuidos en los vértices de un tetraedro 
regular. 
 
La obtención del CdTe en forma de películas se prepara mediante diversas 
técnicas de crecimiento tales como: erosión catódica por radiofrecuencia, 
crecimiento por serigrafía (screen printing), rocío pirolítico, transporte de vapor en 
espacio cerrado (CSVT) y electro-depósito [14,15]. 
 
2.2 Aleaciones de semiconductores. 
 
Las aleaciones son un camino para el diseño de materiales con banda de 
estructura ajustable [16], los cuales pueden ser utilizados para aplicaciones 
específicas. Las aleaciones son sistemas desordenados consistentes en unmaterial, que sirve como huésped, y otro material cuyos átomos sustituyen a los 
del material huésped en sitios de red distribuidos en forma aleatoria. El ancho de 
banda de energía prohibida (Eg) es la característica más importante de la 
estructura de banda de la aleación. Para aplicaciones de muchos dispositivos, se 
necesita conocer el valor de Eg y la masa efectiva en función de la concentración 
de la aleación, como la concentración a la cual la banda de energía prohibida 
directa cruza a una banda de energía prohibida indirecta, por supuesto si esto 
ocurre. 
 
2.3 Parámetro de la red cristalina de una aleación. 
 
El parámetro de red de las aleaciones determinada por difracción de rayos X, 
también puede ser encontrada en una buena aproximación por el promedio de la 
concentración de los componentes, el cual es usualmente referido como ley de 
Vegard. En la caracterización estructural de aleaciones, Vegard [17], encontró que 
las constantes de la red de algunas aleaciones cambian linealmente con la 
 
 9
concentración de los componentes. Dicho autor asume que la constante de red en 
aleaciones 1 x xA B C− de compuestos binarios AC y BC se interpolan de acuerdo a la 
concentración, determinada por: 
( ) (1 ) AC BCa x x a xa= − + (2.1) 
Donde x es la fracción atómica de intercambio, ACa y BCa son los parámetros de 
red correspondiente a los compuestos binarios AC y BC respectivamente y ( )a x 
un valor aproximado de la red de la aleación 1 x xA B C− . Una mejor comprensión de 
la ley de Vegard en aleaciones al azar fue alcanzada recientemente utilizando un 
potencial armónico y las condiciones bajo las cuales se espera que la ley de 
Vegard se cumpla. Este potencial armónico considera las fuerzas de enlace de 
compresión y relajación. 
La aproximación del cristal virtual (VCA, por sus siglas en ingles), es usada 
frecuentemente para describir las aleaciones [18]. En VCA, implica asumir que los 
átomos A y B substituidos forman una subred regular fcc, y la tercera clase de 
átomos C están en sitios de otra subred fcc en aleaciones pseudobinarias zinc 
blenda. Esto, si se toma literalmente, implica que los enlaces AC y BC tienen la 
misma longitud de enlace. Sin embargo, si los radios covalentes de Pauling son 
correctos, la longitud del enlace local para AC y BC en la aleación son diferentes y 
deben preservar sus valores cristalinos AC y BC, respectivamente. Mediciones de 
espectroscopía de absorción de rayos x de estructura fina (EXAFS) mostraron que 
la longitud de enlace local en pseudobinarios son cercanos a los valores del cristal 
puro que sus valores VCA. 
 
2.4 Ingeniería del ancho de banda de energía prohibida de los grupos II-VI en 
compuestos ternarios. 
 
Las aleaciones semiconductoras puede ser considerada simplemente como un 
grupo adicional de compuestos semiconductores, en las cuales los valores de la 
banda de energía varían de acuerdo a su composición. Parámetros importantes 
tales como la banda de energía prohibida y la constante de red son simplemente 
 
 10
valores intermedios entre los compuestos binarios. Estas características de diseño 
y flexibilidad de las propiedades físicas de los compuestos semiconductores son 
especialmente utilizados para el diseño y fabricación de dispositivos de transporte 
y ópticos. La relación entre la banda de energía prohibida y la constante de red de 
algunos compuestos de los grupos II-VI se muestran en la figura 2.2. Las líneas 
sólidas y el área que es rodeada por las líneas sólidas indican que son 
compuestos por dos materiales en el caso de un punto en la línea sólida, tres 
materiales en el caso de un área triangular, y cuatro materiales en el caso de un 
área cuadrangular. Entre los parámetros físicos más importantes en la ingeniería 
de bandas están la banda de conducción y la banda de valencia; en realidad, la 
calidad, el funcionamiento y la posibilidad de tener dispositivos de hetero-unión, 
significativamente dependen de los valores de estas bandas. 
 
 
Figura 2.2. Eg y constantes de red para la familia de los compuestos de los grupos II-IV [29,30]. 
 
 
 
 
 
 
 
 11
2.5 Conceptos generales de las bandas de una aleación. 
 
Los valores de las bandas son previstas en aleaciones y pueden ser obtenidas por 
interpolación de los resultados por compuestos binarios puros. Cardona y 
Christensen [19,20] mostraron que un nivel de energía iE en una aleación ternaria 
)( 1 CBA xx − puede ser calculada como: 
 
[ ])()()1(3)()1()()( 1 BCaACaxxBCExACxECBAE iiiixxi +−−+−+=− 
 [ ]{ }000 /)()( aBCaACa − 
 
Donde ia es la deformación potencial para iE y 0a es la constante de red. Una 
interpolación similar también es indicada por Shih y Spicer [21,22]. En su modelo, 
el efecto de la tensión es despreciable pero el efecto de redistribución de cargas 
en el cristal mezclado es considerado. La validación de estos modelos de 
interpolación fue verificada por Van de Walle [23]. Es generalmente aceptado que 
la posición de la banda de valencia en una aleación puede ser derivado de la 
interpolación lineal entre los compuestos binarios y puros. La aproximación de la 
interpolación lineal puede ser menos adecuada para la banda de conducción. En 
casos donde está presente un gran lazo, la posición de la banda de conducción 
puede ser derivada de valores experimentales del ancho de banda de energía 
prohibida (bandgap), en conjunto con la posición de la banda de valencia. 
 
Algunas reglas semi-empíricas están siendo propuestas como guías cualitativas 
para la predicción de bandas. Un modelo ampliamente citado es la regla del anión 
común [24], y otro modificado propuesto por Menéndez et. al. [25]. Esta regla está 
basada en una descripción física, esta es, la banda de valencia máxima de 
compuestos semiconductores son derivados esencialmente de los estados 
atómicos tipo p del anión. La modificación de Menéndez toma en cuenta la 
ionicidad de los compuestos en la interface. La tendencia de las bandas previstas 
por la regla del anión común modificada está de acuerdo con los datos 
experimentales [26,27] y con las consideraciones teóricas [28]. 
 
 12
La figura 2.3 muestra la relación entre los valores experimentales y teóricos de las 
bandas de algunas heterouniones. Por lo tanto, además de la regla del anión 
común, la ionicidad es un parámetro importante en el diseño de las líneas de 
banda. 
 
Para calcular la banda de conducción, la relación es expresada como: 
 
 vgc EEE Δ+Δ=Δ 
 
Donde cEΔ es la banda de conducción, gEΔ es la diferencia de la energía Eg entre 
los dos materiales y vEΔ es la banda de valencia. Es importante conocer la energía 
del Eg de los cristales para calcular la banda de conducción. 
 
 
Figura 2.3. Comparación de la banda de valencia entre los resultados experimentales obtenidos 
por foto-emisión y las previstas por el modelo de Harrison [27,28]. 
 
 
 13
2.6 Aleaciones ternarias entre compuestos de los grupos IIb-VI. 
 
La variación del encho de banda de energía prohibida en compuestos es la 
primera propiedad de interés cuando se esta considerando una heterounión. La 
dependencia de la composición de la energía Eg con frecuencia puede ser 
representada por: 
( ) 2cxbxaxEg ++= 
ó 
 ( ) ( ) ( ) ( )[ ] 2010 cxxcEEExE gggg +−−+= 
 
donde )0(gE y )1(gE son los valores de la energía Eg para 0=x y 1, 
respectivamente, para un cristal ternario CBA xx −1 o yy DAC −1 . El parámetro de 
enlace C es tratado teóricamente por Van Vechten y Bergstresser [31]. Su teoría 
puede ser usada para calcular C cuando los datos experimentales no son útiles. 
Cualitativamente, las bandas que incluyen estos compuestos ternarios pueden ser 
básicamente obtenidos usando la regla del anión común además de la 
consideración de la ionicidad de los compuestos. La estimación cuantitativa de lasbandas incluye los cristales mezclados que pueden ser obtenidos por interpolación 
entre compuestos binarios puros. Tomando en consideración compuestos 
ternarios y cuaternarios, esto llega a ser fácil de diseñar una heterounión ideal 
debido a que ellos tienen un alto grado de libertad en relación con las propiedades 
del material. 
 
 14
CAPÍTULO 3 
 
TÉCNICAS EXPERIMENTALES 
 
 
3.1 Técnica de crecimiento CSVT-FE. 
 
La técnica de transporte de vapor en espacio cerrado combinada con evaporación 
libre (CSVT-FE, por sus siglas en inglés), es una técnica que emplea el proceso 
de evaporación de un material fuente. El transporte de la especie vaporizada que 
contiene los átomos, los dirige hacia el sustrato, donde ocurre el crecimiento 
cristalino [32]. 
La técnica CSVT-FE es un método conveniente para el crecimiento de materiales 
ternarios debido a que es posible controlar las temperaturas de diferentes 
compuestos separadamente, con el objetivo de tener muestras con diferente 
estequiometria [33]. Es una técnica barata, ya que puede operarse a presión 
atmosférica bajo un gas inerte y usa temperaturas moderadas; su operación es 
simple, y las películas obtenidas son compactas [34]. 
 
3.2 Cámara de reacción. 
 
La cámara de reacción del sistema CSVT-FE se observa en la figura 3.1, y está 
constituida por los siguientes elementos: 
 
1) Campana: consiste en un espacio cerrado por paredes de grafito colocada 
entre la fuente y el sustrato. Tiene geometría externa cilíndrica con diámetro 
de 20 mm y 8 mm de altura; la parte interior del cilindro es un cono truncado 
con diámetro de la base de 15 mm y diámetro superior de 7 mm. 
2) Fuente de evaporación del sistema CSVT-FE: consiste en un bloque de 
grafito (2.1) donde se coloca el material fuente (CdTe) y una lámina de 
Tantalio (2.2), donde se coloca el material impurificante (Cu2Te). 
 
 15
3) El porta-sustrato: está construido a base de grafito, tiene geometría 
cilíndrica en 2 piezas que se ensamblan interiormente (roscado), y se alinea 
a una distancia de 10 mm sobre la fuente de evaporación. 
4) Cerámicos: son piezas aislantes utilizadas entre las fuentes, evitando la 
conducción eléctrica entre estas. 
5) Termopares: son utilizados para monitorear las temperaturas de las fuentes 
de evaporación. 
 
 
 
 
Figura 3.1 Diagrama de la cámara de reacción del sistema CSVT-FE. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4) Cerámico 
Calentamiento 
a 600 °C 
5) Termopar K 
5) Termopar K 
Calentamiento 
a 400°C 
Calentamiento variable 
Material 
Impurificante 
(Cu2Te) 
Material 
Fuente (CdTe) 
Sustrato 
(2.2) Lámina 
de Tantalio 
1) Campana 
de grafito 
(2.1) Bloque 
de grafito 
3) Porta sustrato 
 
 16
 3.3 Crecimiento de las películas por el sistema CSVT-FE. 
 
El crecimiento de las películas por la técnica CSVT-FE se aprecia en la figura 3.2 y 
es llevado a cabo en 3 etapas: 
 
a) El regimen de transformación del material se da a partir de que el material 
contenido en la fuente de evaporación es colocado en fase sólida (polvo), 
cambia a fase vapor. 
b) El transporte de los átomos o moléculas de vapor es a través del espacio 
cerrado hasta incidir sobre la superficie del sustrato. 
c) La condensación del material se da cuando la especie vaporizada incide 
sobre el sustrato donde ocurre el crecimiento cristalino. 
 
Los átomos generalmente tienen cierta energía de choque relativamente pequeña 
y son atraídos a la superficie por las fuerzas mayormente de carácter dipolar o 
cuadripolar, ocurriendo durante cierto tiempo, una fijación a la superficie por 
adsorción, donde la menor energía para que una partícula se adhiera a la 
superficie está caracterizada por el coeficiente α y definida como: 
 
sf
vf
TT
TT
−
−
=α (3.1) 
donde fT es la temperatura correspondiente a la energía de la partícula incidente 
(y determinada por la temperatura de la fuente de evaporación), vT es la 
temperatura de la partícula emitida y sT la temperatura del sustrato. Los valores 
del coeficiente están en el rango de 0 a 1. El valor cero pertenece al caso de la 
reflexión elástica (sin pérdida de energía), la unidad es el valor del total de 
acomodación, cuando la partícula pierde toda su energía excesiva y su estado de 
energía están completamente estabilizados por la temperatura del sustrato. 
 
 
 17
 
Figura 3.2 Diagrama del proceso de crecimiento de una película por la técnica CSVT-FE. 
 
 
3.4 Espectroscopía de absorción. 
 
La espectroscopía consiste en la medición e interpretación de fenómenos de 
absorción, dispersión o emisión de radiación electromagnética que ocurren en 
átomos, moléculas y otras especies químicas. Esta absorción o emisión se 
encuentra asociada a los cambios de estados de energía de las especies químicas 
interactuantes y, puesto que cada especie tiene estados energéticos que la 
caracterizan, la espectroscopía puede utilizarse con fines de identificación [35]. 
La espectroscopía de absorción implica la medida de la fracción de luz de una 
longitud de onda dada que pasa a través de una muestra. La geometría del equipo 
se representa en la figura 3.3; la mayoría de las fuentes producen luz con 
longitudes de onda no deseadas además de la deseada. El paso de la luz a través 
de un monocromador o un filtro selecciona la longitud de onda para el análisis. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.3 Diseño de un equipo experimental para medir absorción o transmitancia a una única 
longitud de onda. 
 
Fuente 
de luz 
Selector de 
longitud de onda 
(monocromador o 
filtro) 
Muestra Transductor Salida
Entrada 
de luz 
 
hv 
Luz 
transmitida 
 
hv 
 
 18
Para los análisis, se hacen dos medidas de la cantidad de luz absorbida. En la 
primera se mide la cantidad de luz (a la longitud de onda elegida) que llega al 
transductor, cuando se coloca un blanco. Se denomina intensidad P0 del blanco, 
es cuando la concentración del material analizado es cero. 
La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras o los patrones 
de calibración con la medida del blanco. Llamamos P a la intensidad que se mide 
con las muestras o con el estándar. La comparación que siempre se hace implica 
la relación P/P0, con ambas intensidades medidas en las mismas condiciones del 
instrumento como longitud de onda, geometría, etc. Se utilizan tres términos 
diferentes para expresar esta relación. El primero es simplificar la relación P/P0 y 
se denomina Transmitancia (T). 
 
0P
PT = (3.1) 
El segundo es el porcentaje de transmitancia: 
 100% ×= TT % (3.2) 
El tercero es el logaritmo negativo de T, que se denomina Absorbancia y se 
abrevia como A. La expresión algebraica para la absorbancia es: 
 T
P
PAbs lnln
0
−=−= (3.3) 
También se utiliza otro nombre para esta cantidad, densidad óptica. 
Para calcular el gap del material aplicamos los modelos que describen el 
coeficiente de absorción para transiciones directas e indirectas entre bandas 
parabólicas. Las transiciones directas son aquellas en que se conserva el 
momento, mientras que en una transición indirecta se requiere de la absorción o 
emisión de un fonón (vibración de la red). 
Cuando el gap del material es directo el porcentaje de transmisión se relaciona 
con la energía del gap por medio de la siguiente ecuación 
 
 19
)(*))ln(( 22 gEhvdAT −=− , 
Por otra parte, para materiales de gap indirecto la relación está dada por la 
siguiente ecuación 
)()ln( ngEhvAdT ξ−−=− 
en las cuales se ha tomado como primera aproximación 
adT =− )ln( 
Donde a es el coeficiente de absorción del material, d es el espesor de la 
muestra, *A y A son factores de proporcionalidad que dependen del material, hv 
es la energía de los fotones incidentes, gE es la energía del gap y nξ es una 
cantidad que depende del dopamiento del material. La forma en que puede 
analizarse el espectro de transmisión de un materialde gap indirecto es ajustando 
dos rectas a un gráfico 2
1
)ln( T− vs hv ; la energía del gap se asocia con un medio 
de la suma de las razones de ordenada a pendiente y la energía del fonón con un 
medio de la diferencia [36]. 
Para determinar el coeficiente de transmisión se utilizó un espectrómetro de UV-
Vis con el cual se obtuvieron los espectros, obteniendo el porcentaje de 
transmisión para distintas longitudes de onda del haz incidente, (las distintas 
longitudes de onda son análogas a distintas energías del haz incidente por la 
relación: E = hc/λ, donde c es la velocidad de la luz y h la constante de Planck) El 
espectrofotómetro es de rango infrarrojo cercano-visible para que abarque en el 
barrido la energía del salto de los materiales utilizados. 
 
En los materiales de Gap directo se cumple la relación: 
2/1)( gEhvA −=α 
donde: α - coeficiente de absorción del material. 
 A - constante de proporcionalidad 
 h - la constante de Planck 
 v - la frecuencia del fotón incidente 
Eg - energía de la banda prohibida 
 
 20
 
En un gráfico de 2α vs hv (energía del fotón incidente), el ajuste a una recta de la 
parte próxima a α = 0, el intercepto para la ordenada nula es el valor de la 
energía prohibida. Esta recta tiene una expresión y = mx + b; por lo que se tiene 
que buscar el valor de "x" para "y = 0". Esto es x = -b/m. 
 
 
3.5 Difracción de rayos X. 
 
Los rayos X son una radiación electromagnética de exactamente la misma 
naturaleza de la luz visible pero de longitud de onda mucho más corta. La unidad 
de medida en la región de los rayos X es el ángstrom (Å), igual a 10-10m. Ocupan 
la región entre gamma y rayos ultravioleta en el espectro electromagnético, su 
longitud de onda se encuentra entre 0.5-2.5 Å. 
 
En 1912 Von Laue predijo que los átomos de un cristal producirían la difracción de 
un haz cuyas direcciones e intensidades dependerían de la estructura cristalina y 
la composición química. La ubicación de los máximos de difracción fue explicado 
por W. L. Bragg [37]. 
 
Un haz difractado puede ser definido como un haz compuesto de un gran número 
de rayos dispersados reforzados mutuamente. La difracción es, por lo tanto, 
esencialmente un fenómeno de dispersión y no involucra ninguna nueva clase de 
interacción entre los rayos X y los átomos. Para las condiciones particulares 
descritas por la figura 3.4 solo el haz difractado que se forma es mostrado, 
nombrado ángulo θ de reflexión igual al ángulo θ de incidencia. En la figura se 
muestra primero para un plano de átomos y, después para todos los átomos que 
forman el cristal. Considerar los rayos 1 y 1a en el haz incidente; ellos golpean los 
átomos K y P en el primer plano de átomos y son dispersados en todas las 
direcciones. Solo en las direcciones 1´ y 1a´, sin embargo, estos haces son 
dispersados completamente en fase y son capaces de reforzarse unos a otros; 
ellos se hacen así debido a la diferencia entre la longitud de su trayectoria de las 
ondas XX´ y YY´ y es igual a 
 
0coscos =−=− θθ PKPKPRQK 
 
 
 21
Similarmente, los rayos dispersados por todos los átomos en el primer plano en 
una dirección paralela a 1´ están en fase y suman todas sus contribuciones al haz 
difractado. Este estará alineado a todos los planos separadamente, y permanece 
para encontrar las condiciones para el reforzamiento de los rayos dispersados por 
los átomos en diferentes planos. Los rayos 1 y 2, por ejemplo, son dispersados por 
los átomos K y L, y la diferencia de trayectorias para los rayos 1K1´y 2L2´ es 
 
θθ sendsendLNML ´´ +=+ 
 
Esto es también la diferencia de trayectorias para los rayos dispersados que se 
traslapan por los átomos S y P en la dirección mostrada, ya que en esta dirección 
no hay diferencia de trayectoria entre los rayos dispersados por los átomos S y L ó 
P y K. los rayos dispersados 1´y 2´estarán completamente en fase, esta diferencia 
de longitudes es igual a un número entero n de longitudes de onda, o sí 
 
2 ś nn d eλ θ= 
 
 
 
Figura 3.4 Difracción de rayos X por un cristal. 
 
Esta relación es conocida como la ley de Bragg. Esta situación es la condición 
esencial que debe ser ideal si la difracción ocurre, n es llamada el orden de la 
reflexión; esta puede tomar cualquier valor íntegro conforme senθ no exceda la 
unidad y es igual al número de longitudes de onda en la diferencia de trayectorias 
entre los rayos dispersados por planos adyacentes. Por lo tanto, para valores fijos 
 
 22
de λ y d´, donde puede haber varios ángulos de incidencia θ1, θ2, θ3… a los cuales 
la difracción puede ocurrir, corresponden a n = 1,2,3,… En un primer orden (n = 1), 
los rayos dispersados 1´ y 2´ pueden diferir en la longitud de la trayectoria (y en 
fase) por una longitud de onda, los rayos 1´ y 3´ por 2 longitudes de onda, los 
rayos 1´ y 4´ por tres longitudes de onda, y así a través de todo el cristal. Los 
rayos dispersados por todos los átomos en todos los planos están por lo tanto 
completamente en fase y se refuerzan unos a otros (interferencia constructiva) 
para formar un haz difractado en la dirección mostrada. En todas las demás 
direcciones del espacio, los haces dispersados están fuera de fase y se anulan 
unos con otros (interferencia destructiva). 
 
 
3.6 ESPECTROSCOPÍA DE ENERGÍA DISPERSIVA DE RAYOS X (EDS). 
 
3.6.1 Introducción. 
 
El espectrómetro de energía dispersiva de rayos X acoplado al microscopio 
electrónico de barrido y denominado EDS, tuvo su origen en una microsonda para 
el análisis químico que desarrolló R. Castaing a partir de 1950. El funcionamiento 
de este tipo de sistemas se basa en la captación de los fotones de alta energía 
que emite cada elemento al ser bombardeado por el haz primario (rayos X 
característicos). Este tipo de señales es específico de cada elemento de la 
superficie de la muestra y se capta por un detector especial que posee la 
propiedad de transducir cada señal en un pulso específico, que es conducido a un 
sistema que compara esta información con un banco de datos que corresponde a 
los diferentes elementos de la tabla periódica. El sistema cuenta con un programa 
que nos permite la realización gráfica del espectro de picos de energía 
correspondientes a cada uno de los elementos que constituyen el área estudiada, 
pudiendo además conocer, de manera semicuantitativa, en porcentaje, cada uno 
de ellos. El sistema nos permite realizar el análisis de toda el área que se 
encuentre bajo observación en el microscopio al cual está acoplado, y además, se 
 
 23
pueden seleccionar puntos específicos en el área observada correspondientes a la 
amplificación elegida, teniéndose entonces la posibilidad de analizar puntos tan 
pequeños como 1 μm o áreas menores, dependiendo esto de las características 
que la propia muestra posea. Todos los datos, imágenes y espectros de cada 
partícula pueden ser almacenados para facilitar su análisis, comparación y 
ordenamiento que se requieren en los estudios [38]. 
 
El análisis químico en la microscopia electrónica de barrido y el electrón de 
microprueba es llevada a cabo por la medición de la energía y la distribución de la 
intensidad de la señal de los rayos X generados por un haz de electrones 
concentrado. 
 
3.6.2 Principios de operación. 
 
Fitzgerald et al. (1968) primero describieron el uso de un detector de rayos X en 
estado sólido de Litio arrastrado con silicio, montado en un micro analizador 
electrónico de prueba. Aunque su sistema fue apenas capaz de resolver 
elementos adyacentes, esto demostró la posibilidad de hacer una interfaz entre el 
detector de rayos X y un instrumento de haces de electrones. Desde hace algunos 
años se está haciendo una mejora significativa en detectores con resolución de 
500 eV o menores a 130 eV, por eso es una técnica mucho más conveniente para 
los requerimientos del microanálisis. Hoy en día los detectores de estado sólido, 
como son los de silicio o litio en espectrómetrosde energía dispersiva (EDS) y los 
intrínsecos o de alta pureza como Ge (HPGe), son los principales métodos de 
medición de rayos X, utilizados en la espectroscopía de energía de rayos X (0.2 – 
12 keV). La espectroscopía de energía dispersiva de rayos X es también usada en 
combinación con espectrómetros de longitud de onda dispersiva con analizadores 
de microprueba electrónicos, mientras que los sistemas HPGe son usados 
ampliamente con microscopia electrónica de transmisión debido a su mejor 
eficiencia de colección para altas energías de rayos X. 
 
 
 24
Los fotones de los rayos X de la muestra pasan a través de una ventana delgada 
aislando el detector en una cámara fría. La absorción de cada fotón de rayos x 
individual conduce a la expulsión de un fotoelectrón, que deja la mayor parte de su 
energía a la formación de pares electrón-hueco. Ellos a la vez son arrastrados por 
la tendencia aplicada para formar un pulso de carga, el cual es entonces 
convertido a un pulso de voltaje por un convertidor de carga a voltaje 
(preamplificador). La señal es posteriormente amplificada y formada por un 
amplificador lineal y finalmente pasa a la computadora analizadora de rayos X 
(CXA), donde los datos son desplegados como un histograma de intensidad contra 
voltaje. La clave para el entendimiento de cómo trabaja el EDS es identificar que 
cada pulso de voltaje es proporcional a la energía incidente del fotón de rayos X. 
Como resultado de la interacción entre electrones de alta energía y una muestra 
investigada en un microscopio electrónico, los átomos de esta muestra son 
llevados a emitir rayos X. Un espectrómetro EDS utiliza el hecho que átomos de 
diferentes elementos químicos emiten rayos X de energía característica diferente. 
La evaluación del espectro de energía recogido por un detector de rayos X Si(Li) 
de energía dispersiva permite la determinación cualitativa y cuantitativa de la 
composición química de la muestra en la posición del haz actual. Este método 
permite una resolución espacial muy alta porque la información se obtiene de un 
volumen de muestra muy pequeño, de unos pocos micrómetros. Por eso, se llama 
también microanálisis de rayos X. Al emplearlo con microscopios electrónicos de 
barrido, el sistema EDS puede utilizarse para analizar la distribución de elementos 
a lo largo de una línea (barrido de línea) o dentro de una zona de interés (mapeo). 
Otra ventaja de la espectroscopía de energía dispersiva de rayos X es que todos 
los elementos desde el número atómico 5 (boro) hasta 92 (uranio) contenidos en 
la muestra pueden detectarse y analizarse simultáneamente [39]. 
 
 
 
 
 
 
 25
3.7 Espectroscopía de Raman. 
 
La Espectroscopía Raman es una técnica fotónica de alta resolución que 
proporciona en pocos segundos información química y estructural de casi 
cualquier material o compuesto orgánico y/o inorgánico permitiendo así su 
identificación. El análisis mediante espectroscopía de Raman se basa en el 
examen de la luz dispersada por un material al incidir sobre él un haz de luz 
monocromático. Una pequeña porción de la luz es dispersada inelásticamente 
experimentando ligeros cambios de frecuencia que son característicos del material 
analizado e independientes de la frecuencia de la luz incidente. El fenómeno 
conocido como efecto Raman fue descrito por el físico indio Chandrasekhara 
Venkata Raman en el año 1928. Este científico dio nombre al fenómeno inelástico 
de dispersión de la luz que permite el estudio de rotaciones y vibraciones 
moléculares. Sus estudios sobre este fenómeno se inspiraron en los trabajos 
realizados anteriormente por Rayleigh. 
 
El análisis mediante espectroscopía Raman se basa en hacer incidir un haz de luz 
monocromática de frecuencia v0 sobre una muestra cuyas características 
moleculares se desean determinar, y examinar la luz dispersada por dicha 
muestra. La mayor parte de la luz dispersada presenta la misma frecuencia que la 
luz incidente pero una fracción muy pequeña presenta un cambio frecuencial, 
resultado de la interacción de la luz con la materia. La luz que mantiene la misma 
frecuencia v0 que la luz incidente se conoce como dispersión Rayleigh y no aporta 
ninguna información sobre la composición de la muestra analizada. La luz 
dispersada que presenta frecuencias distintas a la de la radiación incidente, es la 
que proporciona información sobre la composición molecular de la muestra y es la 
que se conoce como dispersión Raman. Las nuevas frecuencias, +vr y -vr son las 
frecuencias Raman, características de la naturaleza química y el estado físico de 
la muestra e independientes de la radiación incidente [35]. Las variaciones de 
frecuencia observadas en el fenómeno de dispersión Raman, son equivalentes a 
variaciones de energía. Los iones y átomos enlazados químicamente para formar 
 
 26
moléculas y redes cristalinas, están sometidos a constantes movimientos 
vibracionales y rotacionales; estas oscilaciones se realizan a frecuencias bien 
relacionadas en función de la masa de las partículas que intervienen y del 
comportamiento dinámico de los enlaces existentes. A cada uno de los 
movimientos vibracionales y rotacionales de la molécula le corresponderá un valor 
determinado de la energía molecular. Un diagrama energético en el que cada 
estado de energía se representa por una línea horizontal se muestra en la figura 
3.5. 
 
 
Figura 3.5 Diagrama energético a distintos estados vibracionales mostrando las 
transiciones entre estados energéticos para diferentes interacciones luz-materia. 
 
Cuando los fotones del haz de luz incidente, con energía hv0 (donde h es la 
constante de Plank) mucho mayor a la diferencia de energía entre dos niveles 
vibracionales (o rotacionales) de la molécula chocan con ella, la mayor parte la 
atraviesan pero una pequeña fracción son dispersados (del orden de 1 fotón 
dispersado por cada 1011 incidentes). Esta dispersión puede ser interpretada como 
el proceso siguiente: el fotón incidente lleva a la molécula transitoriamente a un 
nivel de energía vibracional (o rotacional) superior no permitido, el cual abandona 
rápidamente para pasar a uno de los niveles de energía permitidos emitiendo un 
 
 27
fotón; la frecuencia a la cual es liberado este fotón dependerá del salto energético 
realizado por la molécula. 
 
Pueden distinguirse los siguientes casos: 
 
 Si el resultado de la interacción fotón-molécula es un fotón dispersado a la 
misma frecuencia que el fotón incidente, se dice que el choque es elástico 
ya que ni el fotón ni la molécula sufren variaciones en su estado energético; 
la molécula vuelve al mismo nivel de energía que tenía antes del choque y 
el fotón dispersado tiene la misma frecuencia v0 que el incidente, dando 
lugar a la dispersión Rayleigh; 
 Si el resultado de la interacción fotón-molécula es un fotón dispersado a 
una frecuencia distinta de la incidente, se dice que el choque es inelástico 
(existe transferencia de energía entre la molécula y el fotón); en este caso 
pueden darse dos fenómenos: 
 Si el fotón dispersado tiene una frecuencia menor a la incidente, se produce 
una transferencia de energía del fotón a la molécula que, después de saltar 
al estado de energía no permitido, vuelve a uno permitido mayor al que 
tenía inicialmente; el fotón es dispersado con frecuencia v0 -vr y se produce 
la dispersión Raman Stokes; 
 Si el fotón dispersado tiene una frecuencia mayor a la del incidente, se 
produce una transferencia de energía de la molécula al fotón; esto significa 
que la molécula, inicialmente antes del choque pasa a este estado; el fotón 
es dispersado con frecuencia v0 +vr se produce la dispersión Raman anti-
Stokes. 
 
Cada material tendrá un conjunto de valores vr característicos de su estructura 
poliatómica y de la naturaleza de los enlaces químicos que la forman. El espectro 
Raman recoge estos fenómenos representandola intensidad óptica dispersada en 
función del número de onda normalizado u al que se produce. El número de onda 
 
 28
normalizado es una magnitud proporcional a la frecuencia e inversamente 
proporcional a la longitud de onda, que se expresa en cm-1: 
 
λ/1/ == cvu [cm-1] 
 
Como se observa en la figura 3.6, el espectro Raman está formado por una banda 
principal o Rayleigh y dos series de bandas secundarias correspondientes a las 
bandas Raman Stokes y anti-Stokes, situadas simétricamente a ambos lados de la 
banda Rayleigh. 
 
 
Figura 3.6 Bandas Rayleigh, Raman Stokes y Raman anti-Stokes. 
 
A temperatura ambiente, según la ley de distribución de energías de Maxwell-
Boltzman, el 99% de las moléculas se encuentra en el estado vibracional de 
menor energía, y por tanto, la probabilidad de que ocurran transferencias de 
energía que den lugar a la dispersión Raman Stokes es mucho mayor que la de la 
dispersión Raman anti-Stokes. Esto se traduce en que la intensidad de la 
dispersión Raman Stokes es del orden de 100 veces superior a la de la dispersión 
Raman anti-Stokes. La diferencia entre la intensidad del efecto Stokes y el anti-
Stokes hace que habitualmente se trabaje midiendo sólo el efecto Stokes y por 
comodidad se sitúa el resultado en la parte positiva del eje. En ocasiones, debido 
 
 29
a la naturaleza química del material que se analiza, unido al efecto Raman se 
produce un efecto de fluorescencia (fenómeno de absorción de luz) que puede 
llegar a enmascarar las bandas Raman; en estos casos, podría resultar de interés 
medir el espectro anti-Stokes ya que a estas frecuencias, aunque el efecto Raman 
es débil, también lo es el efecto de la fluorescencia y pueden aparecer bandas 
Raman en la parte anti-Stokes del espectro, que se encuentran enmascaradas en 
la parte Stokes. 
 
 
 30
CAPÍTULO 4 
 
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 
 
 
4.1 Materiales y reactivos. 
 
Los materiales utilizados en el crecimiento de las películas fueron: 
 
• Como material fuente se utilizó CdTe en polvo marca CERAC con 99.99% 
at. de pureza. 
• Como material impurificante se utilizó Cu2Te en polvo marca Aldrich con 
99.99% at. de pureza. 
• Las películas fueron crecidas sobre sustratos de vidrio Corning. 
 
4.2 Metodología para la limpieza de los sustratos. 
 
El sustrato utilizado fue de vidrio Corning en forma cuadrada con dimensiones de 
aproximadamente 1 mm de espesor, y 15 mm por lado. 
 
1. Limpieza en baño ultrasónico con agua y jabón por 5 minutos. 
2. Desengrasado con hexano por medio de ultrasonido durante 5 minutos. 
3. Limpieza con acetona mediante ultrasonido durante 5 minutos. 
4. Limpieza en ultrasonido con propanol durante 5 minutos. 
5. Enjuague con agua desionizada en baño ultrasónico por 5 minutos. 
6. Secado con nitrógeno. 
 
La finalidad del proceso de limpieza de los sustratos es eliminar las impurezas, así 
como grasas y polvos que puedan estar presentes en los sustratos. 
 
 
 
 31
4.3 Metodología para el crecimiento de las películas. 
 
En la preparación de las películas se utilizó la técnica de transporte de vapor en 
espacio cerrado con evaporación libre (CSVT-FE por sus siglas en inglés). En la 
figura 4.1 se muestra la cámara de reacción del sistema, y la metodología para el 
crecimiento de las películas es el siguiente: 
 
Inicialmente los polvos de CdTe y Cu2Te son colocados en la fuente evaporadora 
de grafito y de Tantalio respectivamente; por otra parte el sustrato se encuentra 
situado aproximadamente a 10 mm sobre éstas. A continuación se generó un 
vacío aproximadamente de 55 10 torr−× en la cámara de reacción combinando una 
bomba mecánica y una turbomolecular. 
 
 
 
 
Figura 4.1 Cámara de reacción del sistema CSVT-FE. 
 
 
4) Cerámico 
Calentamiento 
a 600 °C 
5) Termopar K 
5) Termopar K 
Calentamiento 
a 400°C 
Calentamiento 
variable 
Material 
Fuente (CdTe) 
Sustrato 
(2.2) Lámina 
de Tantalio 
1) Campana 
de grafito 
(2.1) Bloque 
de grafito 
3) Porta sustrato 
Material 
Impurificante 
(Cu2Te) 
 
 32
Posteriormente se inicia el proceso de calentamiento de las fuentes evaporadoras 
asignando los parámetros de crecimiento (rampas de calentamiento, isotermas, 
tiempo, etc.) en un software de control, previamente desarrollado en LabVIEW 7.0 
Las temperaturas de las fuentes de evaporación fueron monitoreadas por 
termopares tipo K y controladas mediante instrumentación virtual [40], mientras 
que para la fuente de Tantalio se utilizó una curva de calibración en función de 
corriente contra temperatura, dado que al colocar el termopar sobre la lámina, este 
ejerce presión sobre ella ocasionando que se fracture al trabajar a temperaturas 
elevadas. Esta necesidad surge debido a que era necesario reemplazar la lámina 
en cada proceso de crecimiento. En la figura 4.2 se muestra la curva de 
calibración obtenida de las hojas técnicas del proveedor. 
0 20 40 60 80 100 120 140
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
 
 
Te
m
pe
ra
tu
ra
 e
n 
0 C
Corriente en Amperes
 Curva de calibración del Tantalio
 
Figura 4.2 Curva de calibración de corriente contra temperatura de la lámina de Tantalio 
modelo EVS7005Ta. 
 
 
 
 
 33
4.4 Configuración del proceso de control de las fuentes evaporadoras. 
 
Al iniciar el proceso de crecimiento en cada una de las películas, los sustratos se 
encuentran a temperatura ambiente (aproximadamente a 25 ºC). Por otro lado, el 
software esta programado para que una vez iniciado el proceso, estabilice las 
fuentes evaporadoras a 50 ºC en un tiempo de un minuto. El usuario ingresa las 
condiciones de control, utilizando funciones como rampa, escalón e isoterma. 
 
Para el crecimiento de cada una de las películas después de tener estabilizadas y 
controladas las temperaturas de las fuentes a 50 ºC, se realiza una rampa de 
calentamiento hasta llegar a una temperatura de 400 ºC en un tiempo de 2 
minutos para la fuente del porta-sustrato; esto con la finalidad de precalentarlo 
antes de evaporar los materiales y establecer un mejor depósito sobre el sustrato. 
 
Durante este tiempo la temperatura de la fuente del CdTe se mantiene constante a 
50 ºC, después de este lapso se programa una rampa de calentamiento hasta 600 
ºC, en este mismo instante se hace otra rampa de calentamiento en función de la 
corriente y en forma manual a 88 Amp. para la fuente que contiene el Cu2Te, 
ambas rampas se hicieron en 2 minutos. En este instante comienza la evaporación 
de los materiales dando origen al crecimiento cristalino de las películas durante un 
tiempo de 10 minutos manteniendo las temperaturas constantes en este intervalo. 
Cabe mencionar que para la fuente de Cu2Te, con la finalidad de obtener distintas 
concentraciones de cobre, se varían las corrientes en un rango de 88 a 100 Amp. 
correspondiendo a temperaturas del orden de 1060 a 1200ºC aproximadamente, 
mientras que para el porta sustrato y la fuente de Cu2Te se mantienen constantes 
a 400 ºC y 600 ºC respectivamente en todas las películas elaboradas. 
 
 
 
 
 
 34
En la figura 4.3 se observan las curvas de control de temperatura utilizadas para 
calentar las fuentes de evaporación, las curvas punteadas fueron obtenidas 
experimentalmente y corresponden a las fuentes del porta sustrato y del CdTe, 
mientras que la línea sólida fue simulada para representar esquemáticamente la 
metodología utilizada para el crecimiento de las películas de CdTe:Cu. 
 
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
 
Te
m
pe
ra
tu
ra
 (o
C
)
Tiempo (seg)
 Material Fuente (CdTe)
 Portasustrato
 Material Impurificante (Cu2Te)
 
Figura 4.3 Curvas de calibración de temperatura. 
 
 
 
 
 35
CAPÍTULO 5 
 
RESULTADOS Y DISCUSIONES 
 
 
En este capítulo presentamos los resultados obtenidos en la caracterización delas 
películas de CdTe:Cu crecidas por la técnica CSVT-FE. La determinación del 
contenido de Cd, Cu y Te sobre las películas fue por medio de la técnica EDS 
(Espectroscopia de Energía Dispersiva de rayos X), mientras que la estructura 
cristalina de las películas se determinó por difracción de rayos X (DRX). Los 
espectros de absorción óptica se obtuvieron mediante un espectrofotómetro de 
ultravioleta a visible, con el cual se determinó la variación del ancho de banda de 
energía prohibida (bandgap) con respecto a la concentración de Cu de las 
películas de CdTe. Adicionalmente se utilizó Espectroscopia Raman para la 
caracterización estructural. 
 
5.1 Crecimiento de películas de CdTe:Cu. 
 
Las películas fueron crecidas en un sistema de evaporación al vacío, evacuado 
combinando una bomba mecánica y una turbomolecular capaz de obtener una 
presión final de 10-6 Torr. La presión en la cámara de crecimiento durante la 
evaporación fue mantenida por debajo de 5X10-5 Torr. Los materiales utilizados en 
la coevaporación fueron CdTe en polvo 99.99 % at. marca CERAC y Cu2Te 99.99 
% at. marca Aldrich. Como sustrato fue utilizado porta objetos de vidrio Corning. 
Con el objetivo de obtener diferentes concentraciones de cobre, se varió la 
corriente de la fuente que contiene el Cu2Te de 88 a 100 Amp. La temperatura del 
sustrato se mantuvo fija a 400 ºC y la temperatura de la fuente de evaporación del 
CdTe a 600 ºC, el tiempo de crecimiento fue de 10 minutos para todas las 
películas. 
 
 
 36
Las películas elaboradas fueron homogéneas en su estequiometria y firmemente 
adheridas a la superficie del sustrato. Para su análisis se tomaron 3 zonas 
distintas y fueron estudiadas por Espectroscopia de Energía Dispersiva de Rayos 
X (EDS), obteniendo una variación del 1% entre estas 3 zonas. En la figura 5.1 se 
muestran las micrografías de las muestras M2 y M7 obtenidas por Microscopía 
Electrónica de Barrido (SEM) con una resolución de 5,000x. En estas se puede 
observar que las películas están homogéneamente distribuidas, los granos son 
irregulares y están distribuidos aleatoriamente. Todas las muestras presentaron un 
comportamiento similar. 
 
 
 
Figura 5.1 Micrografía por Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), de la morfología 
superficial de las muestras M2 y M7, respectivamente. 
 
 
5.2 Composición química de las películas. 
 
Para el análisis cuantitativo de la composición atómica de las películas de 
CdTe:Cu se utilizó un EDS. En la figura 5.2 se muestra un espectro con los picos 
característicos de los elementos presentes en las películas de CdTe:Cu. Los picos 
observados corresponden a las líneas IIIL Cd (3.537 KeV), IIIL Te (4.341 KeV), 
Kα Cu (0.945 KeV), detectándose a la par la presencia de las líneas Kα Si(1.838 
KeV) y Kα O (0.532 KeV) correspondientes al sustrato [39]. 
 
 
 37
 
Figura 5.2 Espectro de EDS de la M6. 
 
La composición de las muestras fue calculada de las mediciones de EDS a partir 
de las intensidades de los rayos X utilizando la siguiente expresión: 
 
W % = Z*A*F*Imedida/Iestándar 
 
Donde Z, A y F son los parámetros de la matriz de corrección, describiendo los 
efectos del número atómico, de la absorción y de la fluorescencia 
respectivamente. Imedida es la intensidad medida en la muestra e Iestándar es la 
intensidad del estándar. En nuestro caso, como carecemos de los patrones 
experimentales, se hizo la cuantificación con la intensidad del estándar calculado. 
Los valores del ZAF utilizados en la cuantificación son los proporcionados por el 
equipo de medición [39]. 
 
 
 
 38
En la Tabla 5.1 se presentan los resultados de la cuantificación de los elementos 
presentes en las muestras. Adicionalmente se presentan las concentraciones 
porcentuales de los diferentes elementos que están contenidos en las películas, el 
error reportado es la desviación estándar de las 3 zonas medidas. Como se puede 
apreciar conforme se incrementa la temperatura de crecimiento aumenta la 
concentración de cobre, obteniendo un máximo de 69.7% at. siendo este un 
aporte importante dado que en la literatura consultada esta reportado una 
concentración máxima de 36% at de cobre sin obtener resultados significativos. A. 
Ali et. al. [9]. 
 
Tabla 5.1 Concentraciones atómicas de los elementos presentes en las películas 
de CdTe:Cu. 
Cu2Te Atom% 
 
Material 
 
 
Muestra 
 
Temp. 
CdTe 
(°C) 
Temp. 
Aprox. 
 (ºC) 
 
I(amp) 
 
 
Cd 
 
Te 
 
Cu 
CdTe M1 600 - - 52.40 ±1.15 47.60 ±1.15 - 
CdTe:Cu M2 600 1060 88 47.04 ±1.90 47.65 ±1.50 5.31 ±0.4 
CdTe:Cu M3 600 1083 90 47.45 ±1.19 44.81 ±0.97 7.74 ±1.0 
CdTe:Cu M4 600 1119 93 42.82 ±2.50 41.87 ±1.82 15.31 ±2.17 
CdTe:Cu M5 600 1143 95 29.29 ±2.46 34.33 ±0.57 36.38 ±1.91 
CdTe:Cu M6 600 1167 97 20.88 ±16.89 35.38 ±3.98 43.75 ±20.84 
CdTe:Cu M7 600 1203 100 1.25 ±0.32 29.08 ±0.96 69.67 ±0.98 
 
En la figura 5.3 se observa el comportamiento de las películas de CdTe:Cu 
elaboradas con distintas corrientes aplicadas con el objetivo de obtener diferentes 
concentraciones de cobre en ellas. La concentración atómica del cobre se ve 
favorecida conforme se incrementa la corriente aplicada, de manera inversa la 
concentración atómica del Cadmio se ve afectada con el incremento de la 
corriente aplicada, mientras que el Teluro presenta una tendencia negativa en 
cuanto a la concentración atómica pero no tan significativa con respecto a la del 
Cadmio. Este comportamiento es indicativo de que se pudieran estar formando 
diversos compuestos que van desde el CdTe hasta el Cu2Te. 
El cobre que estamos introduciendo no está entrando únicamente de manera 
sustitucional, debido al comportamiento que se tiene de las concentraciones, no 
 
 39
podemos asegurar cuanto está entrando en forma sustitucional, ni cuanto cobre 
está formando otros compuestos, ya que pueden estar presentes de igual manera 
compuestos ternarios como el CdTe:Cu, Cd1-xCuxTe y Cd1-xCu2xTe en distintas 
muestras, así como también en diferentes regiones del sustrato. 
88 90 92 94 96 98 100
0
10
20
30
40
50
60
70
 Cd (% at.)
Te (% at)
C
on
ce
nt
ra
ci
ón
 A
to
m
ic
a 
(%
 a
t.)
Corriente en Amp.
Cu (% at.)
 
Figura 5.3 Concentraciones atómicas de los elementos contenidos en las películas de 
CdTe:Cu. 
 
En la figura 5.4 se presenta una gráfica en la cual se muestra el comportamiento 
que seguirían las concentraciones de los elementos si tuviéramos una solución 
sólida (CdTe)1-x(Cu2Te)x. Lo cual da lugar matemáticamente al compuesto 
ternario Cd1-xCu2xTe, en el que se varía el parámetro “x” de 0 a 1. Si nosotros 
tuviéramos una gráfica de concentraciones en la cual el Cu fuera completamente 
sustitucional al Cd, tendríamos una gráfica en la cual el Te se mantiene constante 
y el Cd disminuiría monótonamente, mientras el Cu aumentaría en la misma 
proporción que disminuye el Cd. Por lo tanto, la variación de las concentraciones 
elementales que se observa en la figura 5.3 podría deberse a que el Cu se 
encuentra en las muestras de 3 maneras: Si trabajará con valencia +2, entraría 
 
 40
sustitucional al Cd, Si trabaja con valencia +1 entraría de la manera descrita en la 
solución Cd1-xCu2xTe; o bien podría estar formando algún compuesto con el telurio. 
 
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0
10
20
30
40
50
60
70
C
on
ce
nt
ra
ci
ón
 A
tó
m
ic
a 
(a
t%
)
X
 Cadmio at%
 Cobre at%
 Teluro at%
Cd1-xCu2xTe
 
Figura 5.4 Gráfica calculada matemáticamente de las concentraciones atómicas de los 
elementos contenidos en las películas de CdTe:Cu. 
 
Las cuantificaciones elementales son muy distintas a las obtenidas por S. López 
López, Jiménez Sandoval y A. Ali et. al. [7,8,9] en las que reportan que la 
concentración del Teluro permanece constante en 50% at. mientras que el otro 
50% at. es complementado por el Cadmio y el Cobre, refiriendo una aleación del 
tipo Cd1-xCuxTe. Mientras que en las cuantificacionesobtenidas en nuestros 
análisis obtenemos otro tipo de comportamiento formando probablemente una 
combinación de varias formas de incorporación. 
 
 
 
 
 
 
 41
5.3 Análisis mediante difracción de rayos X (DRX). 
 
 
Para la caracterización estructural de las películas de CdTe:Cu se utilizó 
Difracción de Rayos X, observando que toda la serie de muestras tienen 
estructura cristalina. En la figura 5.5 se presentan los espectros de difracción de 
rayos X de las muestras M2, M3, M4, M5, M6 y M7 así como una película de 
CdTe. Cabe mencionar que el espectro del Cu2Te en la figura 5.5 fue simulado en 
el software poudrix a partir de la base de datos 49-1411 de la JCPDS (Joint 
Committee on Powder Diffraction Standards) [41], puesto que no se pudo obtener 
una película de este material con propiedades adecuadas. Todos los espectros 
están normalizados para tener una mejor perspectiva en su análisis. 
20 25 30 35 40 45 50 55 60
(H)
 
2θ (grados)
In
te
ns
id
ad
 (U
ni
da
de
s 
Ar
bi
tra
ria
s)
(106)
(006)
Cu2Te (106) H
Cu2Te (006) H
M8 Cu2Te
M7 (100 Amp.)
M6 (97 Amp.)
M5 (95 Amp.)
M4 (93 Amp.)
M3 (90 Amp.)
M2 (88 Amp.)
Cu(200)Cu(111)
cúbico F-43m
M1 CdTe(311)(220)(111)
 
Figura 5.5 Espectros de difracción de rayos X. 
 
 
 
 42
En la figura 5.5 se muestran de manera general los picos de DRX de las películas 
elaboradas, podemos observar que los espectros muestran los picos de difracción 
característicos de la estructura del tipo F-43m del CdTe cristalino, de acuerdo con 
la base de datos 15-0770 de la JCPDS. También se observa que no hay cobre 
cristalino segregado puesto que no se encontraron reflexiones que correspondan 
al cobre en el análisis. Adicionalmente se encontraron picos en los ángulos 2θ ≅ 
24.780° y 27.580°, correspondientes a las reflexiones de los planos (006) y (106) 
respectivamente del Cu2Te hexagonal (JCPDS 491411) [41]. Siendo esto 
indicativo de la formación de al menos 2 fases en las muestras. 
 
23.50 23.55 23.60 23.65 23.70 23.75 23.80 23.85 23.90 23.95 24.00
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
In
te
ns
id
ad
 (U
ni
da
de
s 
ar
bi
tra
ria
s)
2Theta (Grados)
 M1 (CdTe)
 M2 (88 Amp.)
 M4 (93 Amp.)
 M5 (95 Amp.)
 
Figura 5.6 Corrimiento del pico (111) a distintas concentraciones de cobre en las 
películas de CdTe:Cu. 
 
 
 
En la figura 5.6 se hace un acercamiento del pico preferencial (111) de las 
películas de CdTe:Cu observando que existe un corrimiento hacia ángulos 
 
 43
mayores conforme se incrementa la concentración de cobre en las películas; en 
los sistemas cúbicos el parámetro de red y el seno del ángulo de difracción son 
inversamente proporcionales. Como la función seno es creciente para 0900 ≤≤θ , 
un aumento en la posición del pico de difracción implicará una disminución del 
parámetro de red [42]. Esa disminución puede ser atribuida a que átomos de cobre 
están entrando sustitucionalmente por el cadmio en la red del CdTe y dado que la 
diferencia de los radios iónicos entre el átomo sustituyente Cu+2(0.69 Å) y el 
huésped Cd+2(0.78 Å), se manifiesta con la disminución en el parámetro de red. 
En la figura 5.7 se muestra la variación del parámetro de red en las películas con 
respecto a la concentración del cobre en cada una de ellas. Los recuadros en 
negro son los puntos experimentales, en donde las barras de error están basadas 
en la incertidumbre de la posición de los picos y en la longitud de onda de los 
rayos X. Es evidente que existe una disminución en el parámetro de red de las 
muestras con respecto al CdTe, sin embargo no se tiene una tendencia precisa 
debido a que pudieran estar presentes diferentes compuestos en las películas así 
como en distintas regiones del sustrato como ya se mencionó anteriormente. 
 
0 10 20 30 40 50 60 70
6.456
6.460
6.464
6.468
6.472
6.476
6.480
P
ar
ám
et
ro
 d
e 
re
d 
(Å
)
% Atómico del Cobre en el CdTe
 
Figura 5.7 Parámetro de red Vs % atómico del Cobre. 
 
 
 44
Adicionalmente en la Tabla 5.2 se observan los ángulos 2θ del plano (111) en 
cada una de las películas, así como el parámetro de red calculado a partir de la 
posición del pico preferencial (111). Para determinar la posición de los picos (en 
cada uno de los difractogramas), se ajustó cada uno de ellos a una función 
pseudo-voight [la cual es una combinación de las funciones gausiana (G) y 
lorenziana (L) de la forma: GL )1( ηη −+ , siendo η el parámetro de mezclado] [41]. 
 
Tabla 5.2 Ángulo 2θ del plano (111) de las películas de CdTe:Cu. 
 
 
Material 
 
Muestra 
 
% At de Cu
Ángulo 2θ 
del plano (111) 
Parámetro 
de red (Å) 
CdTe M1 - 23.747 6.481 
CdTe:Cu M2 5.3 23.807 6.468 
CdTe:Cu M3 7.7 23.831 6.461 
CdTe:Cu M4 15.3 23.831 6.461 
CdTe:Cu M5 36.4 23.854 6.455 
CdTe:Cu M6 43.7 23.826 6.463 
CdTe:Cu M7 69.7 23.822 6.464 
 
 
 
En cuanto a la caracterización por DRX encontramos picos característicos del 
Cu2Te hexagonal indicando la incorporación del mismo en la reacción. Estos 
resultados son distintos a los obtenidos por S. López López, Jiménez Sandoval y 
G.G. Rusu [7,8,11] puesto que únicamente detectan patrones de difracción 
correspondientes a películas con estructuras orientadas preferencialmente al 
plano (111) del CdTe cúbico, sin encontrar planos correspondientes al Cu, CuTe o 
Cu2Te, por lo cual es evidente que las técnicas de crecimiento utilizadas por ellos 
no favorecen el crecimiento cristalino de este tipo de compuestos. 
 
 
 
 
 
 45
 5.4 Cálculo del ancho de banda de energía prohibida (bandgap) en las 
películas de CdTe:Cu. 
 
Utilizando un espectrofotómetro de UV/VIS, se midió el coeficiente de transmisión 
de las películas para distintas longitudes de onda de la luz incidente en un rango 
de 1100 a 300 nm. A partir de estos datos se calculó el coeficiente de absorción 
para las diferentes energías de dicha luz. Utilizando el modelo de transiciones 
directas entre bandas parabólicas y de la región lineal se ajustó una recta, donde a 
partir de la intersección con el eje x (energía) se encontró el valor de la energía de 
banda prohibida para cada película. 
 
En la figura 5.8 se muestra la variación del ancho de banda de energía prohibida 
en las muestras M1, M2, M4, M5 y M6 a distintas concentraciones de cobre 
indicando la afectación que este produce en la matriz del CdTe. Se observa 
claramente que conforme se incrementa la cantidad de cobre disminuye el ancho 
de banda de energía prohibida con valores que van desde 1.50 eV para el CdTe 
hasta 1.43 eV para la M6 con 43.7% at de Cu. Esta tendencia puede deberse a 
que al incorporar cobre en distintas concentraciones y dado que es un elemento 
metálico no tiene ancho de banda, reduciendo por lo tanto el band gap del CdTe. 
Está reportado por Demtsu et. al. [40] que la incorporación sustitucional de Cu en 
sitios de Cd en el CdTe crea niveles aceptores en este semiconductor, logrando 
con ello una disminución del ancho de banda de energía prohibida. Como se ha 
mencionado anteriormente, no podemos decir cual es la cantidad de Cu que está 
entrando en cada una de las diversas posibilidades, pero el hecho de que el gap 
haya disminuido es una evidencia de que existe Cu en sitios del Cd en la red 
cristalina. La importancia de este resultado radica en que el CdTe es uno de los 
constituyentes principales para la elaboración de celdas solares, dado que su 
energía de trabajo es de 1.50 eV y está muy cercana a la energía irradiada por el 
sol que es de 1.40 eV aproximadamente. Es por ello que el resultado obtenido es 
satisfactorio al reducir de 1.50 a 1.43 eV la banda de energía prohibida, pudiendo 
de esta manera optimizar la efectividad en este tipo de dispositivos. 
 
 46
1,26 1,29 1,32 1,35 1,38 1,41 1,44 1,47 1,50 1,53
(α
hv
)2 
(c
m
-2
eV
2 )
hv (eV)
 M1 (CdTe) 1.50eV
 M2 (5.3% Cu) 1.49eV
 M4 (15.3% Cu) 1.47eV
 M5 (36.4% Cu) 1.44eV
 M6 (43.3% Cu) 1.43eV
 
Figura 5.8 Variación del ancho de banda