Propiedades físicas y dopado de nanoestructuras de óxido de galio

Résumé

El objetivo de esta tesis doctoral ha sido el estudio de las propiedades físicas de nanoestructuras de ß-Ga2O3 no dopadas y dopadas con varias impurezas y su relación con la morfología. Las nanoestructuras se han crecido mediante un proceso de evaporación térmica controlada para obtener las estructuras deseadas. Los métodos de dopado han sido difusión térmica e implantación iónica. Para el estudio de las propiedades físicas se han utilizado diversas técnicas, como las basadas en la microscopia electrónica de barrido, microscopia electrónica de transmisión, espectroscopía Raman y de fotoluminiscencia en un microscopio confocal, espectroscopia de fotoelectrones (XPS) o la espectroscopia de fotocorriente.Las estructuras sencillas de tipo nanohilo y nanocinta se han dopado con In, Sn y Cr, lo que ha dado lugar a cambios significativos en la morfología, (In, Sn) y la luminiscencia (Cr). Además de estas estructuras sencillas, en esta tesis también se han obtenido como novedad microestructuras jerarquizadas de alecciones ternarias (Zn1-xGa2O4) y cuaternarias (Zn1-xMnxGa2O4), así como estructuras ramificadas y heteroestructuras de Ga2O3/SnO2. Asimismo, se ha llevado a cabo una caracterización de las propiedades eléctricas y ópticas de cada morfología y dopante, así como una monitorización de la recuperación cristalina en nanohilos en los que se ha realizado implantación iónica.Acerca de las propiedades eléctricas de nanohilos individuales, el dopado con Sn introduce una modificación del comportamiento eléctrico al modificar el carácter óhmico del Ga2O3 e introducir un efecto de limitación de corriente por carga espacial, además de presentar un efecto de histéresis eléctrica. Se han estudiado, asimismo, las propiedades de emisión de campo del Ga2O3 en función de la morfología y del dopado con Sn. Por otra parte, la respuesta eléctrica de los nanohilos de Ga2O3 al estimular con luz UV pulsada es mayor en la región del UV profundo (5.1 ¿ 5.4 eV), mostrando una clara dependencia con la frecuencia de los pulsos de excitación (72 - 325 Hz). El rango de respuesta de este material se consiguió ampliar al doparlo con Sn, el cual introduce una nueva banda de absorción a menor energía (3.9 eV). En cambio, para el caso concreto de la aleación de Zn1-xMnxGa2O4, mediante la fotocorriente se pudieron estudiar las líneas de transición intraiónicas características del Mn2+ situadas en la región de longitudes de onda comprendidas entre 300 y 450 nm. Por tanto, se han estudiado las propiedades eléctricas de nanoestructuras basadas en óxido de galio, encontrando características utilizables en distintos tipos de aplicaciones.El dopado de las nanoestructuras de ß-Ga2O3 permite el control del color de emisión y la formación de morfologías complejas que guían la luz. En este trabajo de tesis se muestra la evolución de las bandas de emisión de luz en función del tipo de dopado y de la concentración del dopante en las nanoestructuras. La introducción de dopantes como In, Sn y Zn, ha permitido estudiar las interacciones que aparecen entre los defectos nativos con las impurezas introducidas. Por otro lado, el dopado con iones de tierras raras (Eu y Gd) e iones de metales de transición (Cr y Mn), da lugar a la aparición de nuevas líneas de emisión debidas a las transiciones intraiónicas que presentan estos elementos. Asimismo, hemos estudiado el comportamiento de guía de ondas que presentaban los nanohilos de Ga2O3, tanto para luz externa que se hace incidir sobre una estructura, como de la luminiscencia generada en la misma. En algunos casos, se produce confinamiento óptico, lo que no había sido descrito previamente en este material, si la geometría de la estructura es adecuada. En estos casos, hemos observado y caracterizado las resonancias ópticas debidas al comportamiento de resonador tipo Fabry-Pérot que estos presentaban al confinar la luz roja producida por el dopado con Cr3+.