Fabricacion-de-nanoparticulas-metalicas

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Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
Fabricación de nanopartículas metálicas 
para aplicaciones fotovoltaicas
Tesis
Que para obtener el grado de Maestro en Ciencias en 
Ingeniería Mecánica
Presenta
Ing. Marcia Garduño Zavala
Directores
Dra. Rita Aguilar Osorio Dr. Stephen Muhl
México D.F., 2011
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 CARTA CESIÓN DE DERECHOS 
 
En la Ciudad de México, D.F., el día 17 del mes noviembre del año 2011, la que suscribe Ing. 
Marcia Garduño Zavala alumna del Programa de Maestría en Ciencias de la Ingeniería 
Mecánica, opción Diseño Mecánico, con número de registro A090319, adscrito a Sección de 
Estudios de Posgrado e Investigación, manifiesta que es autora intelectual del presente trabajo 
de Tesis bajo la dirección de la Dra. Rita Aguilar Osorio y el Dr. Stephen Muhl y cede los 
derechos del trabajo titulado “Fabricación de nanopartículas metálicas para aplicaciones 
fotovoltaicas”, al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines académicos y de 
investigación. 
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos del 
trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido 
escribiendo a las siguientes direcciones: 
marwrc@yahoo.com.mx 
raguilaro@ipn.mx 
muhl@servidor@unam.mx 
 Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la 
fuente del mismo. 
 
 
 
Ing. Marcia Garduño Zavala 
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 
SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO 
 
 
 
Índice 
 
Resumen i 
Abstract ii 
Nomenclatura iii 
 
Capítulo 1. Introducción 
 
 
1 
Introducción 2 
1.1 Características y propiedades principales de las nanopartículas metálicas 5 
1.2 Breve historia de materiales nanoestructurados 7 
1.3 Importancia de la aplicación de las nanopartículas metálicas 11 
1.4 Alcances 15 
1.5 Objetivos 16 
1.6 Aportaciones 16 
 
Capítulo 2. Revisión bibliográfica relacionada con los métodos de 
fabricación, caracterización y aplicaciones de las nanopartículas metálicas 
 
 
18 
2.1 Métodos de fabricación de nanopartículas metálicas 18 
2.1.1 Top-Down 19 
2.1.1.1 Molienda Mecánica 20 
2.1.2 Bottom up 21 
2.1.2.1 Descarga de arco 21 
2.1.1.2 Descarga de arco sumergido 23 
2.1.2.1 Depósito químico en fase vapor 25 
2.1.2.2 Condensación de vapor químico 27 
2.2 Métodos de caracterización de nanopartículas metálicas 28 
2.2.1 Difracción de Rayos X (XRD) 29 
2.2.2 Microscopía electrónica 30 
2.2.2.1 Microscopía Electrónica de Transmisión TEM (Transmission 
Electron Microscopy) 
32 
2.2.2.2 Microscopía Electrónica de Barrido SEM (Scanning Electron 
Microscope) 
34 
2.2.3 Espectroscopía de dispersión de energía EDS (Energy Dispersive 35 
 
Spectroscopy) 
 
2.2.4 Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, XPS (X-ray 
photoelectron spectroscopy) 
 
37 
2.2.5 Dispersión de luz 39 
 
Capítulo 3. Fabricación de nanopartículas metálicas. 
 
 
42 
3.1 Introducción 43 
3.2 Selección del método de fabricación 43 
3.2.1 Ventajas y desventajas del método de descarga de arco 43 
3.2.2 Ventajas y desventajas del método de descarga de arco sumergido 47 
3.2.3 Ventajas y desventajas del método CVD 47 
3.2.4 Ventajas y desventajas del método CVC 52 
3.3 Descripción del equipo utilizado en la fabricación de nanopartículas 
metálicas 
55 
3.4 Diseño del trabajo experimental 63 
3.4.1 Condiciones de fabricación de las nanopartículas bimetálicas de oro-
plata y plata-bismuto encapsuladas con carbono por el método de descarga 
de arco 
63 
3.5 Proceso de fabricación de nanopartículas metálicas encapsuladas con 
carbono por el método de arco descarga 
64 
3.6 Equipo de descarga de arco en medio acuoso utilizado para la fabricación 
de nanopartículas metálicas 
66 
3.6.1 Descripción e instrumentación del equipo de descarga de arco en 
medio acuoso 
68 
3.7 Diseño de trabajo experimental 72 
3.7.1 Condiciones de fabricación de las nanopartículas metálicas 
encapsuladas con carbono por el método de descarga de arco en medio 
acuoso 
72 
3.8 Proceso de fabricación de nanopartículas metálicas encapsuladas con 
carbono por el método de arco descarga 
72 
 
Capítulo 4. Caracterización de nanopartículas metálicas 
 
 
74 
http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectron
http://en.wikipedia.org/wiki/Spectroscopy
 
4.1 Introducción 75 
4.2 Preparación de la muestra para su posterior caracterización 75 
4.3 Balanza analítica 75 
4.4 Caracterización por difracción de rayos X 77 
4.5 Caracterización estructural y morfológica 78 
4.5.1 Caracterización por Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) 78 
4.5.2 Caracterización por Microscopía de Barrido (SEM) 79 
4.6 Caracterización química 80 
4.6.1 Espectrometría fotoelectrónica de rays X (XPS) 80 
4.6.2 Caracterización EDS 81 
4.7 Dispersión de luz 82 
 
Capítulo 5. Resultados 
 
 
84 
5.1 Resultados de la fabricación de nanopartículas bimetálicas recubiertas con 
carbono por el método de descarga de arco 
85 
5.1.1 Resultados obtenidos con la técnica de caracterización de difracción 
de rayos X 
86 
5.1.2 Resultados obtenidos con la técnica de caracterización de difracción 
de rayos X 
89 
5.1.3 Resultados obtenidos con la técnica de caracterización XPS 92 
5.1.4 Resultados obtenidos con la técnica de caracterización EDS 99 
5.1 Resultados de la fabricación de nanopartículas metálicas recubiertas con 
carbono por el método de descarga de arco sumergido 
103 
5.2.1 Resultados de la técnica de caracterización de difracción de rayos X 106 
5.2.2 Resultados obtenidos con las técnica de caracterización SEM 108 
5.2.3 Resultados obtenidos con la técnica de dispersión de luz 113 
5.3.4 Resultados obtenidos con la técnica de caracterización EDS 118 
 
Capítulo 6. Conclusiones 
 
 
121 
Trabajos futuros 125 
Referencias 126 
Índice de figuras 136 
Índice de tablas 142 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedicatoria 
 
 
 
A mi padres, gracias por sus enseñanzas y 
apoyo para cualquier proyecto que 
emprendo. 
 
 
 
 
A Mariana, eres el ángel que 
adorna mi vida. 
 
 
 
 
A Lohen, compañero de vida, de anhelos, 
parte fundamental de OHANA. Sin tu apoyo 
nada sería posible. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Oscar, todo comenzó hace tiempo 
cuando escuchaba a los “viejos 
ideáticos”, fuiste una parte muy 
importante de la Ingeniería 
Mecánica que ahora existe en mi 
vida y es por eso que siempre 
formarás parte de esto. 
 
A mis amigas, por su apoyo incondicional. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Agradecimientos 
 
Al Dr. Stephen Muhl, por ser un excelente profesor y director. Agradezco el apoyo 
brindado para realizar esta tesis. Su paciencia, pero sobre todo, el ingenio demostrado durante la 
investigación, es una pequeña muestra de la pasión que tiene por esta área. 
A la Dra. Rita Aguilar Osorio, inigualable profesora y directora. Gracias por la oportunidad 
de trabajar en esta área y el apoyo brindado en todo momento de la investigación. Sus enseñanzas 
en el área ingenieril son aquellas que son de vital importancia para comprender el 
comportamiento y aplicación de los materiales en esta. Por enseñarme que la clave principal es 
saber que puedes y quieres hacer las cosas, pero sin paciencia, disciplina y organización es difícil 
lograrlo. 
Gracias a ambos por su invaluable consejo para la realización de este proyecto. 
Al Instituto Politécnico Nacional y la Universidad Nacional Autónoma de México por 
brindarme la oportunidad de realizar mis estudios de maestría. 
Gracias al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), al Programa 
Institucional de Formación de Investigadores (PIFI) y al Instituto Politécnico Nacional por el 
apoyo económico brindado a lo largo de mis estudios. Al Programa de Apoyoa Proyectos de 
Investigación e Innovación Tecnológica (PAPIIT), número de proyecto IN112111. 
A la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI) de la Escuela Superior de 
Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) y al Instituto de Investigación en Materiales (IIM) de la 
Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), en los cuales tuve la oportunidad de 
desarrollar esta investigación. 
A la Dra. Ivonne Rosales Chávez, se dice que los grandes maestros hacen que las cosas más 
complicadas parezcan fáciles. Le agradezco el tiempo dedicado a la revisión de esta tesis y por 
ser una excelente profesora. 
Al Dr. Eduardo Oliva López y el Dr. Jesús Alberto Meda por su evaluación y el tiempo 
dedicado a la revisión de este trabajo de investigación. 
Dra. Sandra Rodil, por su disposición y ayuda con la disponibilidad de materiales y 
conocimientos para la realización de esta tesis. 
Alicia Flores, excelente lingüista, gracias por tu ayuda pero sobre todo por tu amistad. 
Un agradecimiento especial al M. en C. Fermín Maya, por su asistencia técnica en el 
aprendizaje del uso del equipo de descarga de arco. 
 
A Omar Novelo, Rogelio Morán, Miguel Palacios y al Dr. Antonio Jiménez González por 
el apoyo brindado en la caracterización de las nanopartículas metálicas utilizando el microscopio 
SEM. 
Al Dr. Zenit, por su colaboración con el filtro de pozos. 
A Lázaro Huerta y Adriana Tejeda por la asistencia técnica en el uso del equipo y análisis 
XPS y XDR respectivamente. 
Al Ing. Hermilo Zarco por su colaboración en la construcción del equipo de arco pulsado en 
medio acuoso. 
A Sergio y Adrián, del taller del IIM, por la su asistencia en la fabricación de los 
componentes de los equipos utilizados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Resumen 
 
En esta tesis se presenta la fabricación de nanopartículas metálicas por dos métodos de 
fabricación. Después de realizar un análisis exhaustivo, se determinó que a pesar de existir 
distintos métodos de fabricación, los más apropiados para obtener las nanopartículas metálicas 
son descarga de arco pulsado convencional y descarga de arco pulsado sumergido. La elección de 
estos métodos se realizó considerando la posibilidad de fabricar nanopartículas metálicas 
recubiertas de carbono (propiamente llamadas core-shell) en un solo paso, la complejidad de los 
procesos, los costos de producción, entre otros. 
 
Las nanopartículas resultantes del método descarga de arco fueron analizadas por distintas 
técnicas de caracterización, tales como: XRD, TEM, HRTEM, XPS y EDS, para determinar 
morfología, composición química y tamaño. Los resultados fueron que las nanopartículas, de 
tamaños entre 17-50 nm están compuestas de las aleaciones Au-Ag o Bi-Ag, ambas con un 
recubrimiento de carbono. Además, pueden estar compuestas de dos formas: esferas concéntricas 
en donde el núcleo pertenece a una fase, recubierto por otra fase (ambas metálicas) y, a su vez, 
recubiertas de una tercera fase que corresponde al carbono amorfo; la segunda forma son esferas 
en donde el núcleo está formado por 2 o 3 fases encapsuladas con carbono amorfo. 
 
Las nanopartículas metálicas fabricadas con el método de descarga de arco sumergido, 
fueron analizadas con las técnicas XRD, SEM, EDS y DLS. Los análisis muestran la presencia de 
bismuto y carbono en todas las muestras. En las nanopartículas fabricadas a un voltaje y duración 
de pulso superior a los 50V y 270µs respectivamente, se encontraron óxidos de bismuto y 
carbonato de bismuto. En cuanto a la morfología de las nanopartículas, se observó que al utilizar 
menor voltaje y duración se pulso se promueve la fabricación de nanopartículas esféricas, tal 
como en las muestras fabricadas con 30V - 40V y 140 µs, mientras que a mayor voltaje, es decir, 
superior a 270 µs se produjeron en mayor cantidad hojuelas y fibras. Las estructuras formadas 
pueden ser nanopartículas metálicas recubiertas con carbono, hojuelas de carbono y fibras, en las 
que los tamaños varían entre 30 y 500 nm de diámetro, para el caso de las nanopartículas 
 
esféricas. Este resultado promueve la acción de continuar con la reducción de la duración de 
pulso para trabajos futuros, debido a que las nanopartículas esféricas son utilizadas en el ámbito 
fotovoltaico para formar parte de una celda solar. 
 
Abstract 
 
This work presents the fabrication for two different synthesis methods of metal 
nanoparticles. After a thorough analysis, we determined that despite the existence of different 
manufacturing methods, best suited for metal nanoparticles are conventional pulsed arc discharge 
and pulsed arc discharge submerged. The choice of these methods are carried out considering the 
possibility of manufacturing carbon-coated metal nanoparticles (properly called core-shell) in a 
single step, the process complexity, the costs of production, among others. 
 
The resulting nanoparticles arc discharge method were analyzed by different 
characterization techniques such as XRD, TEM, HRTEM, XPS and EDS to determine 
morphology, chemical composition and size. The results were that the nanoparticles, 17-50 nm in 
size between the alloys consist of Ag or Au-Bi-Ag, both with a carbon coating. They can be 
composed of two ways: concentric spheres wherein the core is in a phase, coated on another 
phase (both metal), coated with amorphous carbon as a third phase, the second shape are 
spheres where the core is formed by 2 or 3 phases encapsulated with amorphous carbon. 
 
The metal nanoparticles produced by the method of submerged arc discharge, were 
analyzed by XRD, SEM, EDS and DLS. The analyzes show the presence of bismuth and carbon 
in all samples. In the nanoparticles produced at a voltage and pulse time greater than 50V and 
270 μs respectively, were found oxides of bismuth and bismuth carbonate. As regards the 
morphology of the nanoparticles, it was observed that by using a lower voltage and pulse 
duration promotes the production of spherical nanoparticles, such as in the samples made with 
30V - 40V and 140 µs, whereas at higher voltage, ie , more than 270 µs is produced in greater 
quantity flakes and fibers. Structures formed metal nanoparticles can be coated with carbon, 
carbon flakes and fibers, in which sizes vary between 30 and 500 nm in diameter. This result 
further promotes the action of the reduction of the pulse duration for further work, because the 
spherical nanoparticles are used in the photovoltaic field to form part of a solar cell. 
 
 
 
 
 
 
Nomenclatura 
NREL National Renewable Energy Laboratory 
nm Nanómetro 
BCC Cúbica centrada en el cuerpo 
FCC Cúbica centrada en el cuerpo 
HCP Hexagonal compacta 
PLASNAMAT Laboratorio de Plasma y Nanomateriales 
SEPI ESIME Sección de Estudios y Posgrado e Investigación, Escuela 
Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica 
BADESNIARN Base de Datos Estadísticos del Sistema Nacional de Información 
Ambiental y de Recursos Naturales 
SEMARNAT Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales 
CO Monóxido de carbono 
µm Micrómetro 
CVD Chemical Vapour Deposition 
MTCVD, MOCVD CVD de temperatura moderada 
PACVD CVD asistido por plasma 
LCVD CVD láser 
Core shell Estructuras recubiertas de carbono 
CVC Chemical Vapor Condensation 
kPa Kilo Pascales 
V Voltaje 
A Ampers 
T Torr 
Top-down Forma descendente de fabricación de nanopartículas 
Bottom-up Forma ascendente de fabricación de nanopartículas 
CVC Chemical vapour condensation 
Cluster Agregado de átomos 
Nano onions Estructuras de tamaño nanométrico en donde la forma asemeja a 
una cebolla. 
XRD X-Ray Diffraction 
TEM Transmission Electron Microscopy 
SEM Scanning Electron Microscope 
EDS Energy Dispersive Spectroscopy 
XPS X-ray photoelectron spectroscopy 
DLS Dynamic Light Scattering 
mm Milímetro 
mol Unidad con que se mide la cantidad de sustancia 
ml Mililitro 
min MinutoµF Microfaradio 
IIM Instituto de Investigación en Materiales 
http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectron
http://en.wikipedia.org/wiki/Spectroscopy
http://es.wikipedia.org/wiki/Unidades_de_medida
http://es.wikipedia.org/wiki/Cantidad_de_sustancia
 
DC Corriente continua 
µs Microsegundo 
ϴ Grados 
ϕ Diámetro 
l Litro 
h Hora 
g Gramos 
UNAM Universidad Nacional Autónoma de México 
NaNoTech Laboratorio Nacional de Nanoteacnología 
CIMAV Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C. 
CIE Centro de Investigación en Energía 
FWHM Full Width at Half Maximum 
RSF Relative Sensitivity Factor 
CCADET Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico 
eV Electronvolt 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 1
Introducción
En este capítulo se presenta una breve historia de
las nanopartículas, la importancia de éstas, así
como sus principales características y
aplicaciones.
 
 
 
 
Introducción 
 
En la actualidad los conceptos de nanociencia y nanotecnología [1-5] están estrechamente 
relacionados con la creación de materiales, dispositivos y sistemas a escala nanométrica con el 
objetivo de explotar las propiedades y fenómenos que resaltan a esta escala. 
 
La nanotecnología [1] se basa en un conjunto de técnicas multidisciplinarias que se utilizan 
para manipular la materia a escala de átomos y moléculas. El prefijo nano [3] hace referencia a la 
milmillonésima parte de un metro (10
-9
). Para comprender el potencial de esta tecnología es de 
vital importancia saber que las propiedades físicas, químicas y mecánicas de la materia cambian a 
escala nanométrica: conductividad eléctrica, color, resistencia, dureza, elasticidad y reactividad, 
entre otras, se comportan de manera diferente a como lo hacen los mismos elementos a mayor 
escala. 
 
La investigación realizada por Palmberg y colaboradores [6], muestra que a nivel 
internacional, el tema de la ciencia y la tecnología de los nanomateriales es algo que ha venido 
creciendo cada día más. Estados Unidos encabeza la lista de publicaciones y patentes en 
actividades de investigación relacionadas con la nanotecnología, seguido por Japón, Alemania, 
Francia, Reino Unido, China, India y Corea. En la figura 1.1 se observa que en los últimos años 
las publicaciones que tienen que ver con este tema se han incrementado con respecto a otras 
publicaciones de diversos temas. Con el fin de desarrollar ampliamente esta área de investigación 
en los próximos años, muchos de los países mencionados anteriormente, están llevando a cabo 
planes nacionales que incluyen inversiones en esta área de investigación como se ilustra en la 
figura 1.2. 
 
Ha quedado expuesto por muchos autores [3, 7, 8] que las mayores aplicaciones de la 
nanotecnología se dirigen hacia la microelectrónica, la informática, las comunicaciones, la 
logística militar, la salud humana y animal, la generación de energía eléctrica, entre otras. 
 
 
Figura 1.1. Publicaciones relacionadas con nanotecnología en comparación a otras publicaciones por país de 1991 al 
2007 [6]. 
 
Figura 1.2. Inversión destinada a nanotecnología de los principales países [6]. 
 
 
 
 
En la generación de energía eléctrica, una de las opciones en cuanto ahorro de energía son 
las celdas solares. El sol está aportando una cuota a la salud ambiental del planeta, debido a que 
su energía constituye una alternativa para suplir las necesidades de electricidad mundial. Existen 
distintos tipos de celdas solares (dispositivos fotovoltaicos), como se muestra en la figura 1.3, en 
donde se observan los trabajos realizados desde 1975 hasta la actualidad. Esta recopilación 
estuvo a cargo del NREL (National Renewable Energy Laboratory). En esta gráfica se observa 
que los estudios más recientes están encaminados a la construcción de celdas solares que 
involucran elementos nanoestructurados. 
 
Figura 1.3. Resumen de los mejores trabajos sobre celdas solares y su eficiencia [6, 9]. 
 
 En cuanto a nanopartículas metálicas y su aplicación en celdas solares, Stephan Fahr y 
colaboradores [10], del Instituto de Teoría en Materia Condensada y Óptica de Estado Sólido, 
ubicado en Alemania, realizaron una investigación en donde se adicionaron nanopartículas 
metálicas en celdas solares de silicio cristalino. Estas nanopartículas aumentan considerablemente 
la absorción de energía solar, con lo que las celdas aumentan su eficacia en un porcentaje de 
hasta 16%. 
 
 
 
 
 
1.1 Características y propiedades principales de las nanopartículas metálicas 
 
Las nanopartículas metálicas [11-16] han sido objeto de investigación durante los últimos 
años. Sus características como: tamaño, cristalinidad, forma y distribución espacial en la muestra 
son factores que delimitan sus propiedades. La dimensión de una nanopartícula no es un valor 
estándar, generalmente se mencionan intervalos que van de 1 a 100 nm., si se excede esta 
dimensión se consideran micropartículas. 
 
La mayoría de los sólidos poseen una estructura cristalina en donde los átomos están 
dispuestos en forma regular y ordenada. En contraste con estos, en materiales amorfos los 
átomos que los conforman carecen de una estructura ordenada, clara y definida. La figura 1.4 
ilustra los cinco tipos de arreglos en dos dimensiones conocidos como redes de Bravais: (a) 
cuadrado, (b) rectángulo, (c) rectángulo centrado, (d) hexagonal y (e) oblicua. 
 
Figura 1.4. Redes de Bravais que ocurren en 2 dimensiones: (a) cuadrado, (b) rectángulo, (c) rectángulo centrado, (d) 
hexagonal y (e) oblicua [12]. 
 
La mayoría de los metales se cristalizan en una de las tres estructuras cristalinas o redes de 
Bravais [17, 18], estas estructuras son tridimensionales, las cuales se muestran en la figura 1.5 y 
son: 
 
 Cúbica centrada en el cuerpo (BCC). 
 Cúbica centrada en las caras (FCC). 
 Hexagonal compacta (HCP). 
 
Figura 1.5. Celdas unitarias cúbicas de las redes de Bravais [12]. 
 
En la escala nanométrica, la mayoría de las nanopartículas metálicas tienen una estructura 
cúbica centrada en las caras (FCC). Las propiedades de éstas usualmente son muy distintas a las 
de los metales a nivel micro y macro. Tang y Ouyang [13] estudiaron el efecto de la cristalinidad 
en nanopartículas esféricas de plata. Éstas tenían la misma forma y tamaño, la única variante era 
la cantidad y tipo de defectos. Los autores demostraron que los defectos cristalinos modifican la 
reactividad, el módulo de elasticidad y las propiedades fotofísicas de las nanopartículas de plata. 
 
La morfología de las nanopartículas depende principalmente de los parámetros de 
fabricación, tales como, la temperatura, el método de fabricación, el flujo del material de 
crecimiento, la presencia de un sustrato, entre otros. Existen distintas formas de nanopartículas 
como se muestra en la figura 1.6, las cuales pueden tener diferentes morfologías, tales como, 
esféricas, prismáticas, en forma de cebollas (propiamente nombradas core-shell), etcétera. 
 
 
Figura 1.6. Micrografías TEM de: (a) nanopartículas esféricas de SiO2 [14], (b) nanopartículas de Ag en forma de 
prisma [15], (c) nanopartículas de carbono en forma de cebolla [16]. 
 
Recientemente, las propiedades ópticas de nanopartículas de diversos metales han 
provocado gran interés por su uso potencial como catalizadores, sensores, dispositivos 
optoelectrónicos [19], así como en diagnósticos médicos y en productos farmacéuticos. Por 
ejemplo, las nanopartículas de oro tienen un inmenso potencial para el diagnóstico y terapia del 
cáncer [20], convierten de manera eficiente la luz en calor localizado, lo que puede ser utilizado 
en la terapia fototérmica. 
 
Pradeep T. y Anshup [21], realizaron un estudio en donde se propone el uso de 
nanopartículas metálicas para la purificación del agua potable. La aplicación de las reacciones 
químicas quedesencadenan estas nanopartículas promueve la eliminación de pesticidas, metales 
pesados y microorganismos. 
 
Otra aplicación es el uso de nanopartículas metálicas en celdas de combustible y sensores 
analíticos. Guo y Wang [22] muestran los últimos avances en la investigación de la fabricación 
de nanopartículas metálicas de oro, plata, paladio, etcétera, en donde se manipula su 
composición, forma, la combinación de metales para obtener nanopartículas híbridas, así como su 
microestructura, para su aplicación en celdas de combustible y en sensores basados en la 
detección por fluorescencia. 
 
En cuanto a las aplicaciones fotovoltaicas [23,24], las nanopartículas metálicas han sido 
aplicadas a celdas solares a base de silicio, lo cual puede originar un fuerte aumento del campo 
eléctrico a su alrededor cuando son irradiadas con luz y se obtiene una dispersión significativa de 
la luz cuando estas nanopartículas tienen el diámetro adecuado. Las celdas orgánicas [25], 
también han presentado mejoras al incorporarse nanomateriales de carbono, como fullerenos, 
nanotubos o nanopartículas de óxidos metálicos. 
 
 
1.2 Breve historia de materiales nanoestructurados 
 
El interés por el estudio y aplicación de los nanomateriales surgió con gran fuerza en las 
últimas décadas, pero éstas han existido por siglos. Algunas civilizaciones antiguas las utilizaron 
para distintas aplicaciones, aunque posiblemente no podían visualizarlas. 
 
Los primeros vestigios que se han encontrado de los nanomateriales se remontan 
aproximadamente al siglo IV a. C. con la Copa de Licurgo [1] ilustrada en la figura 1.7, que se 
exhibe en el Museo Británico de Londres, Inglaterra. La copa fue fabricada de vidrio a la cual se 
le depositaron nanopartículas de oro, cobre y plata; debido a las propiedades ópticas que se 
resaltan a nivel nanoestructurado, la copa se ve de color verde cuando la luz es reflejada, en 
cambio, se ve de color rojo cuando transmite la luz. En la publicación del Museo Británico [26], 
se explica que la copa fue adquirida por el museo a través de Lord Rothschild en 1958 con la 
ayuda de una contribución del Fondo Nacional de la Colección de Arte. Las escenas mitológicas 
en la copa representan la muerte de Licurgo, rey de los edones en Tracia a manos de Dionisio y 
sus seguidores. 
 
 
 
 
Figura 1.7. Copa de Licurgo (siglo IV a.C.) iluminada desde el exterior (izquierda) y desde el interior (derecha) [26]. 
 
La Copa de Licurgo fue fabricada de un vidrio poco común, cuenta con un alto contenido 
en plata (2270 ppm) y sólo 13 ppm de oro, de modo que el efecto colorante es probable que se 
deba a las nanopartículas que son en gran parte de plata. 
 
En México, se tiene evidencia del uso de nanomateriales utilizados por los mayas como 
colorantes. M. Sánchez del Río y colaboradores [27], describen que el pigmento conocido como 
“azul maya” es un colorante elaborado con nanopartículas. El azul maya es un material 
compuesto por un colorante vegetal azul índigo obtenido de las hojas de añil, una mezcla de 
arcillas, entre las cuales se encuentran la paligorskita y la montmorilonita. Este colorante se 
utilizó para pintar los frescos de las ruinas de Bonampak, Chiapas mostradas en la figura 1.8, 
mismas que datan del siglo VIII. 
 
Otra evidencia del uso de nanopartículas en la antigüedad, son las piezas de cerámica 
elaboradas en el siglo IX d.C. en Mesopotamia. Estas piezas de cerámica poseen reflejos 
metálicos de distintos colores, principalmente rojo y oro, acompañados de efectos iridiscentes, 
debido a un recubrimiento que consiste en un depósito metálico disuelto en un barniz que 
también contiene estaño y plomo. Pandovani y colaboradores [29], han demostrado que el barniz 
aplicado a las piezas cerámicas es una película delgada heterogénea de metal y vidrio de algunos 
cientos de nanómetros de espesor. Las nanopartículas cuasi esféricas de plata y cobre están 
dispersas en las capas externas del barniz. 
http://www.britishmuseum.org/explore/highlights/highlight_image.aspx?image=k737.jpg&retpage=209
 
 
Figura 1.8. Murales de Bonampak, “Edificio de las Pinturas” (finales del siglo VIII d. C.) [28]. 
 
Esta técnica, fue utilizada más tarde en otras ciudades del Medio Oriente hacia el siglo 
X d.C., extendiéndose a lo largo del Mediterráneo en conjunto con la difusión de la cultura 
islámica. 
 
En la figura 1.9 se ilustran cinco fragmentos de cerámica del Medio Oriente Medieval, 
que se encuentran en el Museo Nacional de Irán, pertenecientes a las excavaciones realizadas en 
Neishabur, Ray y Kashan. 
 
 
 
Figura 1.9. Piezas de cerámica recubiertas de barniz enriquecido con nanopartículas de oro y cobre. [29]. 
 
Respecto a la terminología empleada para designar estas nuevas tecnologías del orden de 
nanómetros y los orígenes de la inquietud por estudiar escalas cada vez más pequeñas, el 29 de 
diciembre de 1959, el físico estadounidense Richard Feynman [30, 31], dio una conferencia ante 
la American Physical Society titulada There's Plenty of Room at the Bottom (Hay mucho espacio 
en el fondo). En esta conferencia, Feynman, mencionó los beneficios que supondría para la 
sociedad el poder manipular la sustancia y fabricar artefactos con una precisión de unos pocos 
átomos, el término que él utilizó fue “miniaturización”. Sin embargo, de acuerdo a diversas 
fuentes [31,32] quien acuñó el término de “nanotecnología” fue Norio Taniguchi en el año 1974 
en relación a procesos de separación, consolidación y deformación de materiales por un átomo o 
una molécula. 
 
La fabricación de nanopartículas metálicas en sistemas controlados comienza a principios 
de 1990. Una de las primeras publicaciones encontradas es la de Reetz y colaboradores [33], en la 
cual se describe la fabricación de coloides metálicos en donde el tamaño de la partícula es de 1-
10 nm. A partir de este año existen publicaciones en donde se producen nanoparticulas metálicas 
bajo diversas condiciones y métodos de fabricación. 
 
 
 
 
1.3 Importancia de la aplicación de las nanopartículas metálicas 
 
La investigación de nanoparticulas es de gran relevancia debido a que tiene una amplia 
gama de aplicaciones. Se tienen aplicaciones potenciales [34] en microelectrónica, óptica no 
lineal, catálisis, fotografía, medicina, dispositivos fotovoltaicos, entre otras. 
 
Como se mencionó anteriormente, las nanopartículas metálicas pueden ser de diversos 
metales, como plata, oro, hierro, titanio, bismuto, entre otros, o pueden fabricarse de dos o más 
metales formando aleaciones. Cada una de estas nanopartículas posee propiedades características. 
Un metal que últimamente ha llamado la atención de los investigadores es el bismuto. Es 
considerado no tóxico a pesar de su estado de metal pesado. Se le ha dado la clasificación de 
elemento verde, la cual es otorgada únicamente a aquellos elementos o compuestos no 
contaminantes o compatibles con el medio ambiente. En cuanto a sus usos en la escala 
nanométrica, existen trabajos en donde se estudia el efecto antimicrobiano de nanopartículas de 
bismuto sobre especies bacterianas de la cavidad oral, realizado por Verónica Campos y 
colaboradores [35]. En aplicaciones en celdas solares [36], se han realizado estudios que 
demuestran que las nanopartículas de óxido de bismuto combinadas con polianilina, aumentan la 
eficiencia de conversión de energía de un dispositivo fotovoltaico. Uno de los primeros trabajos 
orientados al área fotovoltaica y nanomateriales, en el grupo de investigación PLASNAMAT en 
colaboración con la SEPI ESIME Zacatenco, del IPN, es el de Uriel Martínez [37] quien fabricó 
nanotubos de carbono para el desarrollo y caracterización de conductores eléctricos transparentes, 
para su posterior aplicación en celdas solares. 
 
México dispone de abundantes recursos minerales, se encuentra en el tercer lugar mundial 
de producción de bismuto deacuerdo al 2009 Minerals Yearbook [38], en donde hasta el año 
anterior ocupaba el segundo lugar. Sin embargo, los esfuerzos para encontrar aplicaciones 
tecnológicas de este elemento y sus derivados son escasos, lo cual promueve el hecho de que este 
material sólo se comercialice como materia prima. La posibilidad de cambiar este hecho se 
encuentra en realizar estudios que promuevan el utilizar este material en diversas áreas médicas, 
biológicas y, en este caso, en el área ambiental con la conversión de energía solar. 
 
 
 
En la figura 1.10, se ilustra la producción mundial del bismuto, en donde China encabeza la 
lista, México aparece en segundo lugar debido a que se suman los valores de mina y refinería, si 
se orienta sólo a producción, Perú posee el segundo puesto. 
 
 
Figura 1.10. Producción y refinación de bismuto a nivel mundial. 
 
 En cuanto a dispositivos fotovoltaicos [39], las celdas solares a base de silicio son las más 
utilizadas. Entre sus principales desventajas se encuentran el gran espacio que ocupan y su 
eficiencia (expresada en el porcentaje de energía solar convertida en energía eléctrica). Las 
celdas solares, mostradas en la gráfica de la figura 1.3, se fabrican en pequeñas cantidades dentro 
de un laboratorio en donde las condiciones de trabajo son ideales para lograr las mayores 
eficiencias posibles. Este hecho motiva al desarrollo en esta área. 
 
Las celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, es por ello 
que en la actualidad se promueve la utilización de este recurso natural, para convertirla en energía 
eléctrica y posteriormente obtener beneficios, como lo puede ser la electrificación de pueblos en 
áreas donde la electricidad no está disponible y como fuente energética complementaria en zonas 
urbanas. La parte activa de la celda es la encargada de disociar las cargas por efecto de la luz. 
Este efecto es provocado por la excitación de los electrones de los átomos que forman la parte 
activa, debido a la colisión con los fotones de la luz solar. Los electrones excitados son liberados 
de sus orbitales y, por efecto del campo eléctrico entre la pared activa y el contacto posterior, son 
desplazados hacia la parte superior o inferior de la celda, dependiendo del sentido del campo. En 
la figura 1.11 se observan las partes que componen una celda fotovoltaica, la parte activa 
 
contiene a los conductores tipo P y N. Una de las aplicaciones de las nanopartículas metálicas en 
las celdas es en la juntura N-P para incrementar la absorción óptica. 
 
 
Figura 1.11. Partes de una celda solar 
 
Actualmente, los recursos energéticos se basan principalmente en los hidrocarburos. Sin 
embargo, las fuentes comenzarán a escasear en los próximos años y se tiene la necesidad de 
buscar fuentes alternas de energía, así como tomar en cuenta que los hidrocarburos contaminan el 
medio ambiente. El sol está aportando una cuota a la salud ambiental del planeta, debido a que su 
energía constituye una alternativa para suplir las necesidades de electricidad mundial, a través de 
dispositivos fotovoltaicos. De acuerdo a datos estadísticos de la Base de Datos Estadísticos del 
Sistema Nacional de Información Ambiental y de Recursos Naturales (BADESNIARN) [40], 
publicado por la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT), 
anualmente se producen 7, 493,909.19 toneladas de monóxido de carbono (CO) (Figura 1.12), 
que es un gas que se produce por la combustión incompleta de compuestos del carbono, 
consecuentemente pueden verterlo al aire los vehículos automotores y la industria. Algunos 
procesos naturales, como incendios forestales, también pueden producir monóxido de carbono 
aunque en menor proporción. Las celdas solares son una alternativa para proveer de energía a los 
vehículos y diversos procesos industriales, de esta manera disminuir el consumo de combustible 
fósil. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.12. Inventario de emisiones contaminantes por fuente a nivel nacional, publicado en el 2011. 
 
Además, el aprovechamiento de la energía solar a través de paneles solares como fuente de 
energía, incluye un bajo costo de operación y la garantía de que el sistema funciona a largo plazo 
sin mayores costos o dependencias. De acuerdo a las investigaciones realizadas por Green [39], el 
crecimiento del mercado en esta área se ha incrementado hasta un 30% en los últimos años. En 
Japón y Alemania existen proyectos subsidiados por el gobierno para el uso residencial de 
energía fotovoltaica. México ocupa el doceavo lugar en capacidad de producción de energía 
fotovoltaica [41], el territorio nacional posee una radiación solar de 5 kw/m
2
 al día, convirtiendo 
al país en uno de los mejores lugares del mundo para explotar este recurso. En México, no se ha 
dado la importancia a esta fuente de energía natural, debido a que se cuenta con fuentes de 
energía fósil, sin embargo, éstas no son renovables, causan un gran impacto ambiental y es 
preciso orientar las nuevas investigaciones en busca de fuentes alternas para satisfacer las 
necesidades del país. 
 
Con este trabajo de tesis y el de Uriel Martínez [37], se ha comenzado a incurrir en el 
desarrollo en el área de energías alternativas utilizando nanomateriales, de este modo comenzar 
con la introducción de estos materiales a la industria y así fomentar la vinculación entre la 
investigación y ésta. En la actualidad, la nanotecnología no es una prioridad dentro de nuestro 
sistema de investigación, los programas de apoyo económico en este tópico son limitados y se 
compite por igual con el resto de las áreas. Con pocos recursos económicos se tiene poca 
infraestructura y esto dificulta la capacidad para competir. 
 
En esta tesis se presenta el procedimiento de fabricación de nanopartículas metálicas, así 
como la caracterización de la morfología, composición y tamaño de nanopartícula. 
 
0.00 4,000,000.00 
Fuentes fijas 
Fuentes aéreas 
Fuentes 
móviles 
Toneladas CO 
 Toneladas 
Fuentes fijas 167,611.69 
Fuentes aéreas 2,500,852.20 
Fuentes móviles 4,825,445.30 
 
Con este trabajo de investigación se busca crear nuevas oportunidades para el desarrollo 
científico nacional, principalmente, relacionado con la nanotecnología. Adicionalmente, marca 
las bases en la posible aplicación de las nanopartículas fabricadas en el desarrollo de dispositivos 
fotovoltaicos, con los cual se contribuirá a disminuir la problemática de energéticos no 
renovables. 
 
 
 
 
1.4 Alcances 
 
Los alcances propuestos para la presente tesis consisten en la fabricación de nanopartículas 
metálicas y su caracterización. 
 
Las nanopartículas metálicas comenzaron a fabricarse de manera intencional recientemente. 
La falta de teorías o modelos obligó a esta investigación a tomar como punto de partida los datos 
experimentales que se presentan en las diversas publicaciones y literatura con la finalidad de 
obtener los mejores resultados reportados actualmente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1.5 Objetivos 
 
Objetivo general 
 Fabricar nanopartículas metálicas para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos. 
 
Objetivos particulares 
 
 Realizar un análisis bibliográfico relacionado con los métodos de fabricación de las 
nanopatículas metálicas, de caracterización y sus aplicaciones fotovoltaicas. 
 Seleccionar el método más apropiado para la fabricación de las nanopartículas metálicas. 
 Fabricar las nanopartículas metálicas. 
 Caracterizar las muestras obtenidas de la fabricación en cuanto a morfología, tamaño y 
composición. 
 
 
1.6 Aportaciones 
 
 Fabricación de nanopartículas metálicas y bimetálicas para sus futuras aplicaciones 
fotovoltaicas. 
 Producción de nanopartículas bimetálicas en donde está presente la aleación plata-
bismuto. 
 Construcción del equipo de descarga de arco sumergido. 
 Desarrollo deuna metodología general para la fabricación de nanopartículas por el 
método de descarga de arco sumergido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2
Revisión bibliográfica 
relacionada con los métodos de 
fabricación, caracterización y 
aplicaciones de las 
nanopartículas metálicas
A continuación, se analizan los principales
métodos de fabricación y caracterización de las
nanopartículas metálicas.
 
 
 
Capítulo 2. Revisión bibliográfica relacionada con los métodos de fabricación, 
caracterización y aplicaciones de las nanopartículas metálicas 
 
En este capítulo se presenta un análisis bibliográfico de los métodos de fabricación y 
caracterización de las nanopartículas metálicas, enfocándose en la configuración de los sistemas y 
las características de los productos obtenidos de la fabricación. 
 
 
2.1 Métodos de fabricación de nanopartículas metálicas 
 
En general, existen dos métodos para fabricar nanopartículas (ver figura 2.1). Dichos 
métodos se clasifican en dos formas [42, 43]: 
 
 Forma descendente (top-down) 
 Forma ascendente (bottom-up) 
 
Ambos grupos presentan una gran variedad de técnicas de fabricación, que tienen como 
finalidad la obtención de material a escala nanométrica, tales como nanopartículas, películas 
delgadas, nanotubos, etcétera. En este análisis se abordarán las más importantes, especialmente 
las que se enfocan en la fabricación de nanopartículas. 
 
La forma descendente (top-down) consiste en miniaturizar los dispositivos existentes; éste 
es el camino que ha seguido el desarrollo de la electrónica, originando, entre otras cosas, la 
aparición de las computadoras. La forma descendente se basa en los métodos físicos, donde, por 
subdivisión de materiales a granel, se llega al tamaño deseado. 
 
La segunda forma, la ascendente (bottom-up), consiste en unir la materia átomo por átomo 
a fin de construir moléculas que se integren en sistemas más grandes a partir de precursores 
moleculares que dan lugar a las nanopartículas. Esta forma es parecida a la que ha seguido la 
naturaleza a partir de diversas moléculas que se han formado durante 4 mil millones de años de 
evolución, es así como se llega al mundo complejo que conocemos. 
 
 
 
Figura 2.1. Formas de obtención de nanopartículas: descendente y ascendente. 
 
 
2.1.1 Top-Down 
 
Al utilizar los métodos físicos se fabrican nanopartículas grandes y la distribución de 
tamaños es ancha. El método existente para la fabricación de nanopartículas siguiendo la 
metodología top-down es el de molienda mecánica, el cual se describe brevemente a 
continuación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2.1.1.1 Molienda Mecánica 
 
El método de molienda mecánica [44, 45] es el más ampliamente utilizado en la fabricación 
de materiales para la reducción de tamaños de partículas del orden de nanómetros, es decir, 
1-100 nm y en el mezclado de polvos. Este método utiliza diferentes equipos de molienda de alta 
energía, tal como el molino planetario en el que se emplean diferentes contenedores cilíndricos 
con una resistencia mayor a la del material que se someterá a la molienda. Algunos de los 
materiales empleados como contenedores son: ágata, nitruro de silicio, carburo de tungsteno, 
acero al cromo templado, acero inoxidable u óxido de zirconio, y bolas del mismo material. El 
mecanismo a seguir es que las bolas que se encuentran dentro del cilindro se desplacen por efecto 
de la rotación y comiencen a impactar, rozar o desgastar las partículas del material que se desea. 
Los factores que intervienen son: 
 
 Velocidad a la cual gira el cilindro 
 Tamaño de las bolas 
 Relación cantidad de material-bolas 
 Temperatura a la cual se desarrolla el proceso 
 Temperatura de fusión del material 
 
Usualmente, para obtener un menor tamaño en las partículas del material sometido al 
proceso, se introducen bolas de distintos tamaños para tener un resultado más homogéneo. 
 
Las ventajas que presenta este método son: 
 
 Es útil para producir productos oxidables 
 Se puede realizar una pulverización húmeda 
 Realizar la síntesis de materiales con un menor tiempo y a bajas temperaturas 
 
 
 
La desventaja de este método es la posibilidad de contaminación de la muestra. La 
contaminación de esta puede ocurrir debido al desgaste natural que tienen las bolas a través del 
 
paso del tiempo, esto ocasiona que la muestra obtenida tenga fragmentos del material de las 
bolas. Una forma de disminuir la contaminación es cerciorarse que la resistencia de las bolas sea 
mayor a la de la muestra. 
 
 
2.1.2 Bottom up 
 
Con estos métodos se obtiene una reducción en la distribución de tamaños de las 
nanopartículas fabricadas, con respecto a la forma de obtención top-down y entre ellos están: 
 
 Descarga de arco 
 Descarga de arco en medio acuoso 
 Depósito químico en fase vapor, CVD 
 Condensación de vapor químico, CVC 
 
Este método de fabricación es el que se utilizó en esta investigación para obtener las 
nanopartículas metálicas. 
 
 
2.1.2.1 Descarga de arco 
 
Este método se define como una descarga que produce un plasma proporcionando su propio 
mecanismo de emisión de iones hacia el sustrato [46-54]. 
 
Hay dos tipos de métodos de arco: pulsado y continuo. En el caso de arco pulsado, el arco 
es producido repentinamente usando un circuito de capacitores o circuito eléctrico, lo cual genera 
la suficiente energía para producir el plasma u otro circuito eléctrico. La duración del pulso 
depende del voltaje suministrado y de la capacitancia. Con respecto al método continuo, se utiliza 
una fuente de corriente directa para que el arco sea continuo. 
 
En el proceso, el material se evapora por la acción de un arco eléctrico en un sistema de 
vacío. El sistema consiste en una cámara de vacío, un cátodo, una fuente de alimentación, un 
dispositivo de encendido, un ánodo y un sustrato donde se deposita el material. Los electrodos 
pueden ser ambos del mismo material o de materiales distintos, a los cuales se les aplica un 
 
voltaje de corriente directa, corriente alterna o radio frecuencia. Los electrodos pueden estar 
compuestos de un solo material o de varios, dependiendo del resultado que se desee. 
 
El proceso comienza con la evacuación de la cámara utilizando el sistema de extracción de 
aire para producir vacío y; de esta forma, se genera la pureza necesaria. Posteriormente, se 
continúa con la inyección de un gas inerte, el cual tiene como finalidad minimizar la reacción de 
los precursores con el ambiente y, a su vez, controlar la presión dentro de la cámara. Después de 
establecer las condiciones deseadas, el voltaje es aplicado a los electrodos, el proceso de 
evaporación se lleva a cabo y la fabricación de las nanopartículas ocurre. Para que estas 
nanopartículas recién fabricadas no se dispersen por toda la cámara de reacción es recomendable 
colocar un sustrato donde se depositen estas nanopartículas de donde más adelante se retirarán. 
Esto es con la finalidad de no provocar una dispersión en toda la cámara, lo que minimiza la 
contaminación del material. 
 
Debido a la descarga, el flujo de corriente calienta la superficie de los electrodos 
favoreciendo el desprendimiento de material. Los átomos de los electrodos se evaporan a causa 
de este calentamiento. 
Los voltajes aplicados con mayor frecuencia están en el intervalo de 15 a 50 V, 
dependiendo del material de los electrodos; en cuanto a corriente, los valores utilizados oscilan 
entre 30 y 400 A. 
 
Al hablar de la formación de nanopartículas, es necesario definir el proceso de nucleación 
[43]. Ésta puede ocurrir de dos formas: homogénea y heterogénea. La nucleación heterogénea de 
una fase vapor se puede producir en los núcleos de las partículas extrañas o polvo, los iones o las 
superficies. En cambio, la nucleación homogénea se produce en la ausencia de cualquier partículaextraña o iones cuando las moléculas de vapor se condensan para formar los núcleos. La teoría de 
nucleación de vapor, fue desarrollada por Volmer, Becker y Döring y modificada por Frenkel y 
Zeldovich. Esta teoría se basa en suponer que las agrupaciones de átomos o moléculas se pueden 
describir como gotas líquidas de forma esférica que tienen la densidad del líquido a granel en su 
interior y por fuera poseen la densidad del vapor. La energía libre de estos grupos, en relación 
con el vapor, es la suma de dos términos: una contribución positiva de la energía libre superficial 
y una contribución negativa de la diferencia de energía libre entre la mayor parte del vapor 
sobresaturado y el líquido. 
 
El camino libre medio, se define como la distancia promedio recorrida por una molécula, 
ión o especie evaporada entre colisiones sucesivas. Este recorrido es inversamente proporcional a 
la densidad de estas partículas; a mayor densidad, menor camino libre medio. De no existir 
presiones controladas, el camino libre medio de las especies evaporadas sería muy corto, las 
moléculas o iones empezarían a recombinarse y el proceso de nucleación ocurriría muy rápido, lo 
que incrementa el tamaño de las nanopartículas obtenidas [45]. 
 
En cuanto al proceso de vacío, se requiere de altas presiones de gas para que ocurra la 
fabricación de nanopartículas. El átomo o la molécula evaporada pierde energía por medio de las 
colisiones con los átomos del gas inerte y sufre una condensación homogénea para formar los 
agregados de átomos (clusters). 
 
La principal ventaja de este método es que se tiene un alto nivel de cristalinidad; de igual 
manera, la reproducibilidad del experimento es buena. Uno de los inconvenientes es que se 
obtiene una distribución de tamaños ancha y se requiere de un método adicional para separar las 
nanopartículas en grupos de tamaños similares. 
 
 
2.1.1.2 Descarga de arco sumergido 
 
El método de arco eléctrico sumergido [55-61] es una técnica utilizada actualmente para la 
fabricación de nanopartículas. Consiste en mantener las mismas condiciones del método de arco 
eléctrico (2.1.1.2), agregando un medio acuoso que sustituye al gas inerte. Las principales 
ventajas de este método son: 
 No requiere de instalaciones de vacío, lo que disminuye el riesgo de utilizar gases 
explosivos o corrosivos. 
 Disminución en la pérdida de material sintetizado y minimiza los riesgos a la salud debido 
a que las nanopartículas producidas se concentran en un medio acuoso 
 Fácil acceso a la cámara de reacción durante la operación para cambiar cualquier 
dispositivo en el sistema. 
 Reducción en la dispersión de tamaños con respecto al arco eléctrico convencional y al 
tener el medio acuoso los productos metálicos contaminantes no consumidos se 
dispersan en el agua y no en el medio ambiente. 
 
 
Los primeros trabajos empleando este método datan del año 2001, en donde Hsin y 
colaboradores [62] fabricaron nanotubos de carbono en agua desionizada. En estos experimentos 
se utilizaron dos electrodos de grafito inmersos en un contenedor de vidrio con agua desionizada 
fría, los cuales están conectados a una fuente de energía que varía entre 22 y 27 V, así como entre 
100 y 130 A. A su vez, el contenedor en donde se encuentran los electrodos se coloca en un 
recipiente de plástico en el que se hace circular agua fría, con la finalidad de mantener a baja 
temperatura el área de la descarga. Más tarde, ese mismo año, N. Sano y colaboradores [63, 64] 
fabricaron nanopartículas de carbono de forma esférica, conocidas como nano onions (nano 
cebollas), por el método de arco eléctrico sumergido en agua desionizada. Los valores de voltaje 
utilizados fueron 16 y 17 V con una corriente de 30 A. La mayoría de las nanopartículas 
obtenidas se encuentran en la superficie del agua y el resto caen al fondo debido a la 
aglomeración y el peso que poseen. El tamaño promedio es de 25 a 30 nm de diámetro en un 
intervalo de 5 a 40 nm. La pérdida de agua por evaporación, debido a las altas temperaturas 
desarrolladas en el momento de la descarga, es baja. La refrigeración y la autoalimentación del 
ánodo son mejoras propuestas por los autores para el aumento en eficacia de este método para la 
producción en masa de nanopartículas. Al centrarse en las nano onions depositadas en la 
superficie del agua desionizada se observa que se encuentran en el intervalo de 4 a 36 nm de 
diámetro y poseen una superficie hidrofóbica debido a que éstas flotan a pesar de contar con una 
densidad de 1.64 g/cm
3
, que es mayor a la del agua. 
 
En la publicación de M. Ishigami y colaboradores [65] se describe este método de 
fabricación de nanomateriales, en donde se eliminan las máquinas complejas y costosas asociadas 
a la generación del vacío necesario en el método de arco eléctrico convencional. La fabricación 
se puede ejecutar de manera continua y se puede escalar a niveles de producción industrial. 
 
 
M.Z. Kassaee y F. Buazar [66] utilizaron distintos medios acuosos para fabricar 
nanopartículas, como el etilenglicol, agua destilada, agua, nitrógeno líquido y aceite de girasol; la 
utilización de un medio acuoso determinado depende de las nanopartículas que se deseen obtener. 
En el caso presentado por Bingshe Xu y colaboradores [67] los medios acuosos empleados son 
sulfato de níquel ( ), sulfato de cobalto ( y sulfato de hierro ( . Ambos 
electrodos son de grafito con una pureza de 99.9%. El voltaje va de 22 a 26 V y 30 A de 
corriente. Al igual que N. Sano y colaboradores [63, 64], las nanopartículas obtenidas flotan en la 
 
superficie del medio acuoso, las cuales están compuestas por un núcleo metálico que puede ser 
níquel, cobalto o hierro recubiertos de carbono. 
 
 
2.1.2.1 Depósito químico en fase vapor 
 
En el método de depósito químico en fase vapor o CVD (por sus siglas en inglés Chemical 
Vapor Deposition) [68-75], las nanopartículas se forman como resultado de reacciones químicas 
sobre la superficie de un sustrato caliente inmerso en una mezcla gaseosa, cuyas especies 
reaccionan químicamente entre sí para formar el compuesto deseado con base en la energía de 
activación aportada por el sustrato caliente. Por ello, el proceso se denomina CVD térmico. 
 
Un sistema CVD está compuesto por un sistema de medición de la mezcla de gases inertes 
y reactivos, una cámara de reacción en donde exista un control de temperatura y un sistema para 
el tratamiento y eliminación de los gases de escape. El gas inerte, que por lo general es 
hidrógeno, nitrógeno o argón, y los reactivos que pueden ser haluros metálicos o hidrocarburos, 
se introducen en la cámara de reacción, la cual se calienta a la temperatura deseada. En algunos 
casos, el sustrato es calentado directamente. 
 
Los parámetros de funcionamiento típicos se muestran en la Tabla A. En los últimos años 
se han desarrollado distintas variaciones del método convencional. Estos incluyen: CVD de 
temperatura moderada (MTCVD), CVD asistido por plasma (PACVD), y CVD láser (LCVD). En 
el proceso MTCVD, la temperatura de reacción se reduce a menos de 850°C por el uso de 
compuestos metalorgánicos como precursores, es por ello que esta técnica se conoce también 
como CVD metalorgánica (MOCVD). En la técnica de PACVD, el calentamiento de la mezcla de 
gases se lleva a cabo mediante la creación de un plasma de alta energía que activa las reacciones 
químicas a temperaturas considerablemente reducidas en comparación con CVD convencional. 
En el caso de la técnica de LCVD, el mismo efecto se consigue utilizando un rayo láser para 
calentar el gas o el sustrato. 
 
 
 
 
 
 
Tabla A. Parámetros típicos en un sistema convencional CVD [68] 
 
Temperatura Presión Precursores 
≥ 800°C, 
típicamente 2000°C 
≤10
-6
 a 
1 Torr 
Gases reactivos: halogenuros metálicos, 
carbonilos 
Gas reductor: 
Gas inerte: , 
Otrosgases: , , , otros 
hidrocarburos 
 
Todos los sistemas CVD requieren de un mecanismo con el que se deben tratar los 
productos que se obtienen de la reacción química. Estos productos contienen varios componentes 
reactivos y potencialmente peligrosos, así como partículas en suspensión, que deben ser 
atrapados y neutralizados antes que los gases se escapen a la atmósfera. 
 
El depósito por CVD se puede lograr por medio de la producción de diferentes reacciones 
químicas. Las reacciones entre los diversos componentes se producen en la fase de vapor sobre el 
sustrato calentado y una película sólida se deposita en la superficie. Las reacciones químicas 
utilizadas generalmente en CVD se muestran en la Tabla B. 
 
Tabla B. Reacciones químicas en CVD [68] 
 
Reacción Definición 
Descomposición térmica o 
 Pirolisis 
Un compuesto se separa en al menos otros dos, cuando se 
somete a un aumento de temperatura. 
Reducción Un átomo o ion gana electrones. 
Oxidación Un compuesto cede electrones. 
Hidrólisis Reacción ácido-base entre una sustancia, típicamente una 
sal y agua. También se aplica a algunas reacciones 
ácido-base en las que participa el agua y se rompe un 
enlace covalente. 
 
 
http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo
http://es.wikipedia.org/wiki/Ion
http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n
http://es.wikipedia.org/wiki/Electrones
http://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_qu%C3%ADmica
http://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_%C3%A1cido-base
http://es.wikipedia.org/wiki/Sustancia
http://es.wikipedia.org/wiki/Sal_(qu%C3%ADmica)
http://es.wikipedia.org/wiki/Agua
http://es.wikipedia.org/wiki/Enlace_covalente
 
Las características principales del método CVD pueden resumirse del siguiente modo: 
 
1. El sólido se deposita a moderadas o altas temperaturas por medio de una reacción química en 
fase vapor entre los precursores que se encuentran en forma gaseosa. 
2. El proceso puede llevarse a cabo a presión atmosférica, así como a bajas presiones. 
3. El uso del plasma y la activación del láser activa significativamente las reacciones químicas, lo 
que permite el depósito a temperaturas muy bajas. 
4. La composición química del recubrimiento puede variar para obtener depósitos clasificados o 
las mezclas de recubrimientos. 
 
Gracias a la aplicación de este método se puede fabricar una amplia variedad de metales, 
aleaciones, cerámicas y compuestos. Es una técnica versátil para la fabricación de nanopartículas, 
películas delgadas, y componentes estructurales independientes. 
 
Tabla C. Aplicaciones de CVD 
Recubrimiento tribológicos Películas decorativas. 
Recubrimientos resistentes al desgaste Películas superconductoras. 
Películas aislantes Recubrimientos resistentes a altas 
temperaturas que ofrecen resistencia a la 
corrosión. 
Películas fotovoltaicas Polvos. 
 
 
2.1.2.2 Condensación de vapor químico 
 
 
La fabricación de partículas nanoestructuradas también se ha llevado a cabo mediante un 
proceso de CVD modificado, llamado condensación de vapor químico o CVC (Chemical Vapour 
Condensation) [76-79]. El principio de este proceso se basa también en la nucleación en la fase 
gaseosa (nucleación homogénea). En la aplicación de este método normalmente se utilizan 
precursores metalorgánicos debido a la disponibilidad comercial de estos compuestos y a las 
bajas temperaturas de pirólisis de los mismos. En un principio, se tiene un gas portador a 
temperatura ambiente. El vapor de este gas se introduce a una velocidad controlada en una 
cámara de vacío (1-10X10
2
 Pa) a través de una válvula de aguja. A continuación, las moléculas 
 
metalorgánicas pasan a través de un tubo caliente. Las moléculas individuales comienzan a 
descomponerse térmicamente y se unen para formar pequeños grupos o partículas. A la salida del 
tubo caliente, ocurre una expansión de los grupos de partículas, lo cual sirve para mitigar el 
crecimiento de la partícula y la aglomeración. Por último, las partículas se condensan en 
nitrógeno líquido refrigerado y el polvo obtenido puede ser desprendido del sustrato. 
 
Con la aplicación del método CVC es posible fabricar nanopartículas que posean un núcleo 
metálico recubierto con carbono como lo muestra el trabajo de Z.H. Wang y colaboradores [76], 
en donde se obtuvieron nanopartículas de cobalto recubiertas con carbono, denominadas también 
nanocápsulas o estructuras core shell. En este proceso, el gas portador juega un papel importante, 
debido a que se pueden fabricar distintos tipos de nanopartículas manipulando este factor y los 
precursores. Por otro lado, C.J. Choi, y colaboradores [77] fabricaron nanocápsulas de hierro y 
cobalto de estructura esférica con un núcleo metálico recubierto por óxidos metálicos. 
 
El método de CVC ha crecido rápidamente con un gran potencial en la preparación de las 
nanopartículas. Una de las ventajas de su aplicación es la versatilidad de productos obtenidos 
debido a la amplia gama de precursores disponibles y la producción de gran cantidad de 
nanopartículas con un estado no aglomerado. 
 
 
2.2 Métodos de caracterización de nanopartículas metálicas 
 
Los métodos de caracterización son de gran importancia debido a que determinan con 
precisión el comportamiento de un material para determinada aplicación, es decir, se debe 
entender la relación entre proceso, estructuras, propiedades y su rendimiento. Existe una gran 
cantidad de técnicas de caracterización para las nanopartículas, la aplicación de unas u otras 
depende de las propiedades que se espera que posean. Éstas se pueden dividir en técnicas: físicas, 
químicas, nucleares y espectroscópicas. 
Cabe mencionar que para realizar un análisis completo y tener certeza en los resultados, es 
necesaria la utilización de más de una técnica. 
 
 
 
 
 
2.2.1 Difracción de Rayos X (XRD) 
 
La difracción es un fenómeno que consiste en la dispersión y curvado aparente de las 
ondas electromagnéticas cuando éstas encuentran un obstáculo. Este fenómeno es la causa de 
que las ondas interfieran entre sí, superponiéndose para dar como resultado un patrón de 
ondas. 
La difracción de rayos X (XRD por sus siglas en inglés X-Ray Diffraction) [80-86] ha sido 
utilizada para determinar la estructura de la escala atómica de los materiales. Esta técnica se 
basa en el hecho de que la longitud de onda de los rayos X es comparable a las distancias entre 
los átomos de la materia condensada. La difracción de rayos X de polvo, se utiliza para 
determinar la estructura atómica de los materiales cristalinos, sin la necesidad de grandes 
cantidades de material a analizar. Por esta técnica se puede analizar fases policristalinas en 
compuestos sólidos o películas crecidas sobre un sustrato. 
 
En este método se utiliza el modelo propuesto por Bragg, en el que se considera a los 
cristales como estructuras construidas en capas o planos tales que cada uno actúa como un 
espejo semitransparente. Algunos de los rayos X que inciden en la muestra son reflejados fuera 
del plano con un ángulo de reflexión igual al ángulo de incidencia, pero el resto es transmitido 
para ser reflejado posteriormente por los planos subsecuentes. 
 
El patrón de difracción se utiliza para identificar las fases cristalinas de la muestra y medir 
sus propiedades estructurales, incluyendo la tensión, epitaxia, así como el tamaño y la 
orientación de los cristales. De igual forma se pueden determinar defectos, perfiles de 
concentración, espesor de la película y los arreglos atómicos en materiales amorfos y 
multicapas. Para obtener esta información estructural y física en películas delgadas, existen 
instrumentos y técnicas que están diseñados para maximizar la intensidad de difracción de los 
rayos X, ya que el poder de difracción de películas delgadas es pequeño. 
 
Los rayos X se generan, habitualmente, utilizando un dispositivo denominado tubo de 
rayos X, donde las ondas electromagnéticasse generan por los impactos de electrones de alta 
energía con un blanco de metal. Esta es forma más simple y la fuente más utilizada de rayos X 
 
que están disponibles en un laboratorio de cualquier tamaño. Por lo general tienen baja 
eficiencia y su brillo es limitado por las propiedades térmicas del material utilizado, el cual debe 
ser continuamente enfriado debido a que gran cantidad de la energía cinética de los electrones 
acelerados se convierte en calor cuando se desaceleran rápidamente durante el impacto a un 
blanco de metal. 
 
Entre las desventajas de este método se encuentran: en primer lugar, los picos se 
superponen, de modo que la intensidad medida no puede ser asignada de forma exclusiva a los 
correctos índices de Miller, que son un sistema de planos cristalográficos a los cuales se les 
asigna un juego de tres números que se indican genéricamente con las letras (hkl). En segundo 
lugar, aún cuando las intensidades son perfectamente separadas de manera que las magnitudes 
de los factores de estructura se conocen, no se puede utilizar la transformada de Fourier para la 
estructura de los factores medidos (con lo que se pueden conocer las posiciones atómicas) 
debido a que sus fases no se conocen. 
 
 
2.2.2 Microscopia electrónica 
 
La microscopía electrónica ha revolucionado el conocimiento de múltiples disciplinas 
científicas, incluidas las de materiales. La principal ventaja de este tipo de microscopía es 
alcanzar una extraordinaria amplificación de la imagen de la muestra manteniendo un poder de 
resolución casi mil veces mayor que el óptico. Estas magníficas propiedades se deben a que la 
fuente de iluminación usada es un haz de electrones. 
 
El objeto de este conjunto de técnicas de microscopia electrónica (Figura 2.2) es obtener 
una interacción de los electrones con la materia, lo cual ofrece una solución ideal a los problemas 
que presentan los microscopios ópticos que no ofrecen resolución atómica debido a que la 
longitud de onda de la radiación incidente es demasiado grande. Con el uso de un microscopio 
electrónico se pueden obtener electrones acelerados y por tanto, teóricamente, resolución 
atómica. Con las lentes adecuadas se pueden transformar los electrones difractados en la imagen 
real. 
 
 
 
Figura 2.2. Esquema general del efecto del haz de electrones sobre una muestra que dan a lugar a los tipos de 
microscopía electrónica más importantes. (http://www.uned.es/cristamine/mineral/metodos/micr_electr.htm#tipos) 
 
La formación de la imagen se produce por la dispersión de los electrones, está en función 
de la dispersión y, por consiguiente, perdida de los electrones (Figura 2.3). Esta capacidad de 
dispersión va a depender de las distintas estructuras atómicas de la muestra. El electrón 
retrodispersado es aquel que cambia su trayectoria al atravesar un átomo, mientras que el electrón 
secundario es aquel que surge del átomo al colisionar con él un electrón primario, que a su vez es 
retrodispersado. Estos fenómenos explican la imagen que se produce principalmente en un 
microscopio electrónico de transmisión y en uno de barrido. 
 
 
Figura 2.3. Efectos básicos de los electrones al chocar con la materia. 
 
 
 
2.2.2.1 Microscopia Electrónica de Transmisión TEM (Transmission Electron Microscopy) 
 
El microscopio electrónico de transmisión (TEM) [87-94] tiene un modo de operar similar 
al del microscopio óptico, que está basado en el hecho de que la manera de actuar de un campo 
electromagnético sobre un haz de electrones es análogo a la acción de una lente de cristal sobre el 
haz de fotones. La imagen, sin embargo, se forma sobre una pantalla fluorescente como lo haría 
en una pantalla de televisor. 
 
En TEM, un haz de electrones es enfocado para incidir sobre una muestra que debe tener un 
espesor menor a 200 nm. La señal se obtiene de electrones dispersados y no dispersados que 
penetran el espesor de la muestra a analizar. Posteriormente, una serie de lentes magnéticas que 
se encuentran en la misma posición de la muestra y debajo de ella, son responsables de entregar 
la señal a un detector, por lo general una pantalla fluorescente o una cámara de vídeo. 
Acompañando esta señal de transmisión, está una amplificación de la información espacial que se 
encuentra en la señal y es de por lo menos 50 veces hasta un factor de 106. Este intervalo de 
amplificación es facilitado por la pequeña longitud de onda de los electrones incidentes, y es la 
clave para las capacidades únicas asociadas con el análisis de TEM. 
 
Las partes principales de un microscopio electrónico de transmisión son: 
 Cañón de electrones, que emite los electrones que chocan o atraviesan el espécimen, 
creando una imagen aumentada. 
 Lentes magnéticas para crear campos que dirigen y enfocan el haz de electrones. 
 Sistema de vacío, el cual es una parte muy importante del microscopio electrónico, 
debido a que se tiene la consideración de que los electrones pueden ser desviados 
por las moléculas del aire, esto requiere un vacío casi total en el interior de un 
microscopio de estas características. 
 Placa fotográfica o pantalla fluorescente que se coloca detrás del objeto a visualizar 
para registrar la imagen aumentada. 
 Sistema de registro que muestra la imagen que producen los electrones, que suele 
ser una computadora. 
 
 
En cuanto a resolución, la técnica TEM posee alta resolución lateral espacial, que es la 
consecuencia de varias características del instrumento. En primer lugar, en el sentido más burdo, 
TEM tiene una alta resolución espacial, ya que utiliza un haz de electrones. Este haz se enfoca en 
una pequeña zona de la muestra, con un diámetro de aproximadamente 1µm. Más importante 
aún, la fuente de este haz es un cañón de electrones diseñado para emitir un haz altamente 
coherente de longitud de onda extremadamente pequeña. La longitud de onda, , con electrones 
de 100 keV es de 0,0037 nm, mucho más pequeña que la de la luz, los rayos X o neutrones que 
son utilizados en otras técnicas analíticas. Por último, la alta resolución espacial lateral se 
mantiene a través del uso de muestras muy delgadas. En la mayoría de los experimentos de TEM, 
las muestras deben ser, por lo general, de 200 nm. Para la mayoría de los materiales esto asegura 
poca dispersión, ya que cada electrón atraviesa la muestra, también se limita la difusión del haz 
de electrones. Cuanto mayor sea el voltaje de funcionamiento de un instrumento de TEM, mayor 
es su resolución espacial lateral. El instrumental teórico de resolución de punto a punto es 
 
 . 
Esto sugiere que incrementar el voltaje de operación de 100 kV a 400 kV debería proporcionar 
una reducción de casi 50% en el espacio resoluble mínimo ( se reduce de 0,0037 a 0,0016 nm en 
este caso) y se obtiene una resolución de punto a punto de 0.2 nm, estos instrumentos son 
conocidos como TEM de alto voltaje [89]. 
 
Una de las desventajas de TEM es la resolución de profundidad limitada. La información 
electrónica de la dispersión en una imagen de TEM se origina a partir de una muestra en tres 
dimensiones, pero se proyecta sobre un detector de dos dimensiones (una pantalla fluorescente, 
una placa de la película, o un arreglo de CCD, junto a una pantalla de TV). TEM ofrece dos 
métodos de observación de la muestra, el modo de difracción y el modo de imagen. 
 
En conclusión la microscopía TEM es una técnica que examina la estructura cristalina y la 
microestructura de los materiales. Se utiliza para estudiar todas las variedades de materiales 
sólidos: metales, cerámicas, semiconductores, polímeros y materiales compuestos. 
 
 
 
 
 
 
 
2.2.2.2 Microscopia Electrónica de Barrido SEM (Scanning Electron Microscope) 
 
Para una detallada caracterización de materiales, el microscopio óptico ha sido sustituido 
por dos instrumentos más potentes: el Microscopio Electrónico de Transmisión(TEM) y el 
microscopio electrónico de barrido (SEM) [95-98]. Este a menudo sustituye al microscopio 
óptico en el estudio de materiales en bruto o en escala nanométrica debido a su costo razonable y 
la amplia gama de información que proporciona. Es fundamental para el análisis microestructural 
y, por lo tanto, importante para cualquier investigación relacionada con el procesamiento, 
propiedades y comportamiento de los materiales. 
 
Las principales características del instrumento son: una columna óptico-electrónica 
generadora de un haz de electrones finamente colimado por distintos lentes que inciden sobre la 
superficie de la muestra analizada, un sistema de doble deflexión del haz electrónico, sistema de 
detección de las señales originadas en la superficie de la muestra, sistema electrónico de 
amplificación de estas señales y un sistema de visualización final de las imágenes (CRT). 
 
La bobina del sistema de deflexión desplaza el haz de electrones sobre la muestra, de este 
modo, explora una región seleccionada de su superficie. 
 
En SEM, un haz de electrones se enfoca sobre la muestra. Estos electrones interactúan con 
los átomos en la muestra cuando inciden en un punto de la superficie. Como los electrones 
penetran en la superficie, puede ocurrir una serie de interacciones que dan como resultado la 
emisión de electrones o fotones de la superficie. Una fracción de los electrones emitidos son 
recogidos por los detectores apropiados, y la señal de salida se puede utilizar para modular el 
brillo de un tubo de rayos catódicos (CRT). De esta manera se produce una imagen en el CRT, 
cada punto en donde el haz de electrones golpea a la muestra se asigna directamente al punto que 
le corresponde en la pantalla. 
 
 
Las imágenes producidas en SEM pueden ser de tres tipos: imágenes de electrones 
secundarios, de electrones retrodispersados y mapas elementales de rayos X. Los electrones 
secundarios y retrodispersados son convencionalmente separados en función de sus energías. Se 
producen por diferentes mecanismos. Cuando la energía de los electrones emitidos es inferior a 
 
50 eV, por convención se denominan electrones secundarios. La mayoría de éstos son producidos 
en los primeros nanómetros de la superficie del material. 
 
Los electrones de alta energía son aquellos que son dispersados sin pérdida de energía 
cinética por el núcleo de un átomo. Se consideran electrones retrodispersados cuando salen de la 
muestra con una energía mayor de 50 eV, incluyendo a los electrones Auger. Sin embargo la 
mayoría de estos poseen energía comparable a la que posee el haz de electrones principal. Cuanto 
mayor es el número atómico de un material, mayor es la probabilidad de que se produzca 
retrodispersión. 
 
 
2.2.3 Espectroscopia de dispersión de energía EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) 
 
En ésta técnica se mide directamente la energía de los rayos X característicos emitidos 
como resultado de la interacción de la muestra con un haz de electrones de alta energía. La 
identificación de los elementos presentes en una muestra se centra entonces en la determinación 
de las energías de los fotones X característicos emitidos. 
 
El análisis de los rayos X característicos emitidos por una muestra alcanzada por el haz de 
electrones de alta energía de un microscopio de barrido (EDS) [98-101], permite identificar los 
elementos que componen dicha muestra. Este es el denominado análisis cualitativo. Con la 
medición adicional de la intensidad de los rayos X característicos y procesos de cálculo 
adecuados, también es posible analizar en forma cuantitativa la composición de la zona analizada 
con una precisión del orden de  1%. 
 
La principal ventaja del microanálisis por la técnica EDS es el pequeño volumen de 
material que es analizado, que normalmente es del orden de 1 m cúbico. Dado que las 
propiedades macroscópicas de los materiales dependen de su microestructura, es inmediato ver la 
importancia de poder analizar cantidades tan pequeñas. Otra de las ventajas del sistema es que el 
análisis es no destructivo y por lo tanto, utilizando la misma muestra, la información obtenida 
puede luego ser complementada por otras técnicas. 
 
 
 
Cuando un haz de electrones de alta energía (10 a 50 keV) incide sobre la superficie de una 
muestra, da origen a una serie de señales. Por un lado, los electrones son frenados al aproximarse 
a la nube electrónica negativa de los átomos de la muestra. Parte de su energía es emitida como 
radiación electromagnética de longitud de onda muy corta (0.1 a 20 Å) en el rango 
correspondiente a los rayos X. El espectro total de las energías de los rayos X originados de esta 
manera se denomina espectro continuo, radiación blanca o bremsstrahlung. La energía máxima 
de este espectro corresponde al caso de frenado total, y es por lo tanto igual a E0 la energía del 
haz de electrones incidente. 
 
Por otro lado, la energía de los electrones del haz puede ser transferida parcialmente a los 
átomos de la muestra arrancando los electrones de las distintas órbitas. Las vacancias electrónicas 
así creadas, son inmediatamente llenadas (en menos de 10
-15
 segundos) por algún electrón de las 
orbitas superiores, y la diferencia de energías es radiada en forma de fotones. La energía de estas 
radiaciones es igual a la diferencia entre las energías de ambos niveles y es, por lo tanto, 
característica del átomo considerado. Entonces, mediante el análisis de la energía de esta 
radiación, denominada radiación característica, es posible identificar los elementos presentes en 
la muestra analizada. 
 
En el sistema dispersivo en energía los rayos X característicos son analizados por un 
detector de estado sólido. Este consta de una lamina de Silicio (Si) monocristalino dopado con 
impurezas de Litio (Li). 
 
El sistema electrónico de todo dispositivo de microanálisis, tanto dispersivo en energía 
como en longitud de onda, permite la obtención de la distribución de un elemento dado en la zona 
observada de la muestra. También se suele denominar Mapas de Rayos X (X-Ray Mappings). 
Mediante el sistema analizador es posible seleccionar un conjunto de canales, denominados 
genéricamente ventanas. Se puede variar tanto la posición en energía como el ancho de estas 
ventanas de manera de hacer coincidir la ventana seleccionada con el pico correspondiente a un 
elemento presente en la muestra, el sistema electrónico permite modular la intensidad de la 
pantalla de observación con las señales provenientes solamente de la ventana seleccionada. Cada 
vez que el haz de electrones del microscopio incide sobre una zona de la muestra que contiene el 
elemento seleccionado, aparecerá en la pantalla un punto brillante. El resultado final de un 
barrido completo será una distribución de puntos brillantes en las zonas de mayor abundancia de 
 
ese elemento. Las zonas de mayor densidad de puntos corresponden a una mayor concentración 
del elemento. 
 
 
2.2.4 Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) 
 
El fundamento de la espectroscopia de fotoelectrones es el efecto fotoeléctrico, el cual fue 
descubierto por Hertz en 1887 y explicado por Einstein en 1905. Su desarrollo como una técnica 
analítica fue el resultado del meticuloso trabajo de Siegbahn y su grupo de Uppala en la década 
de los 60. 
La espectroscopía de fotoelectrones generados por rayos X (XPS) [101-104] consiste en 
excitar una superficie con fotones de rayos X, con lo cual se arrancan electrones de los átomos de 
la muestra a estudiar. La medida de la energía de ligadura de los electrones que se encuentran en 
los niveles internos de los átomos (localizados en una región superficial de unas pocas capas 
atómicas), así como las intensidades de los picos de fotoemisión, permiten determinar el estado 
de oxidación y la concentración de los átomos superficiales. Además, el