Los modos de vibración en la red cristalina de un semiconductor
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Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol
Comenzamos a ocupar el nuevo equipo Laser Raman Spectrometer, de la marca Jasco y modelo NRS-4500 con la finalidad de obtener los modos de vibración de la red cristalina de varios semiconductores con vacancias ordenadas. Algo similar a lo que ocurre en los sólidos, cuando se golpea una barra metálica se produce un sonido característico con un movimiento vibratorio u oscilatorio, si es que llegamos a tocar la barra, dan cuenta que los átomos o moléculas que componen el material (en cualquier estado de la materia) entran en movimiento vibracional con los átomos acercándose o alejándose de sus posiciones de equilibrio en las direcciones longitudinales o transversales, respecto a los diferentes enlaces atómicos.
El proceso de calibración consiste en hacer incidir un láser de luz verde sobre una muestra estándar de Silicio (Si), cuya longitud de onda está especificada por el fabricante con un valor de λ = 532,092 nm, una intensidad máxima de Iláser = 20 mW, la cual se puede controlar desde 0,001% hasta 100%, según las condiciones físicas y estructurales de la muestra bajo estudio. El haz de luz se focaliza sobre el patrón de Si, usando un lente objetivo del microscopio (tienen 4 diferentes magnificaciones confocales) para obtener un valor de referencia cercana a 521 nm.
Posteriormente, el haz del láser es focalizado sobre la superficie de la muestra y se prueban distintos valores de intensidad de irradiancia para determinar el límite de afectación que provoca la estimulación excesiva de los modos de vibración de la red cristalina, induciendo el rompimiento de los enlaces covalentes (iónicos o atómicos) entre los distintos elementos que constituyen el material semiconductor.
La interacción entre la radiación luminosa y la materia puede ser detectada por diferentes tipos de sensores, también se pueden producir n cantidades de respuestas descritas como fenómenos físicos (absorción óptica, parámetros elipsométricos, electrones secundarios o electrodispersados, o como el desplazamiento Raman, que es el tema que nos ocupa en esta publicación. Se observa en la imagen anterior, el punto verde proyectado sobre la superficie de la muestra y que corresponde al láser verde de 532,1 nm. El Raman Shift (cm-1), corresponde a las frecuencias a las que ocurre el movimiento de los átomos que están enlazados por las fuerzas de Coulomb, van der Waals, etc.
Espectroscopía Raman
El desplazamiento Raman (Raman Shift) viene acorde con el fenómeno de dispersión (luz-materia) y tiene relación entre la oscilación radiante (luz) y la polarización de esa nube de electrones que circundan los enlaces (materia). La interacción es activada dentro de la red cristalina y algunos movimientos pueden ser más intensos que otros, dependiendo de las fuerzas de enlace entre los átomos constituyentes, recordando que en mi caso particular trabajo con semiconductores ternarios, así que tendremos fuerzas de enlace entre A-B-C, FA-B, FA-C y FB-C, con las masas correspondientes a cada elemento. A veces veremos un espectro Raman como en la siguiente figura y debemos distinguir entre lo que es "ruido" y "pico Raman" por lo que será necesario hacer un estudio cristalográfico del material, determinar su grupo espacial y las distancias interatómicas. Con estos datos preliminares y aplicando la Teoría de Grupos, se establecen cuántos son los modos de vibración de la red cristalina, cuáles correspondes a la rama de vibración óptica y acústica, además de inferir cuántos son activos en Infrarrojo y Raman.
La animación anterior tiene por objeto mostrar el movimiento con diferentes frecuencias vibracionales entre los distintos enlaces covalentes. La interacción de la radiación electromagnética (luz láser) con una frecuencia inicial ν0 perderá energía por la dispersión entre las colisiones elásticas e inelásticas, generando los picos Raman a una frecuencia vibracional mayor o menor, respectivamente.
La intensidad de los picos Raman es, en general, muy débil y debe ser ajustada variando la intensidad del láser (máximo 20 mW) en la mayoría de equipos de medición. La configuración de incidencia de la radiación de luz puede ajustarse a "perpendicular o inclinado" en alguno de los 3 ejes cristalinos (dimensionales) para hacer un mapeo de los modos de vibración detectables (activos) en la espectroscopía Raman.En contraparte, si la potencia de incidencia es baja (< 0,01%) puede ocurrir que la señal detectada se corresponda con mucho ruido, mezclado con algunos modos de vibración en el espectro Raman. Para ver esos detalles experimentales, les presentaré una fotografía de referencia donde no se puede discriminar los picos correspondientes a una frecuencia vibracional determinada.
Por experiencia de varios expertos en Espectroscopía Raman, se ha observado que el rango de interés para "observar" la interacción de la luz con la materia y la "aparición" de los fonones ópticos, está entre 10 cm-1 y 200 cm-1, considerando el tipo de semiconductor ternario que tengo disponible. Igualmente hago la medición hasta 500 cm-1 por si tengo que reportar la combinación de 2 o 3 modos de vibración que pueden sumarse y reflejar un pico Raman hasta ese rango de desplazamiento Raman.
Aportes de esta publicación.
Este artículo constituye la primera parte introducción de la caracterización de nuevos materiales semiconductores que pueden tener aplicaciones en la fabricación de dispositivos optoelectrónicos. Se trata de la Espectroscopía Raman y la determinación de las frecuencias vibracionales o modos de vibración de la red cristalina de un semiconductor, vale decir que según los grados de libertad que posean los enlaces covalentes entre los átomos constitutivos (compuesto ternario: A-B-C) y las fuerzas de estos enlaces, entrarán en vibración (no resonancia) al incidir una oscilación vibrante (lúz láser) que provocará una polarizabilidad de la nube de electrones alrededor de esos enlaces que dará origen a los picos Raman que se observan en el espectro presentado anteriormente. Pronto les presentaré una metodología para tratar los datos obtenidos con el espectrómetro Raman y las asignación de los modos de vibración según la zona de Brillouin que estemos considerando.
Bibliografía y lecturas recomendadas:
○ Raman Spectroscopy○ Espectroscopía vibracional
○ Estructura de los cristales
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