Avances y limitaciones de la técnica de microscopía electrónica de transmisión-barrido con detección de electrones a alto ángulo para el análisis de nuevos nano-materiales con aplicaciones en eficiencia energética

Abstract

La sociedad actual demanda nuevos materiales cuya aplicación esté orientada al desarrollo de fuentes de energía renovables y a la reducción de los costes energéticos derivados del funcionamiento de equipos tecnológicos, de manera que contribuyan a una menor emisión de gases de efecto invernadero. La incursión de nano-materiales avanzados en todos los sectores industriales augura tanto la mejora en la eficiencia de los dispositivos actuales como la aparición de nuevas aplicaciones en tecnologías emergentes. En esta línea, cabe destacar que el desarrollo de dichos nano-materiales avanzados requiere de técnicas de caracterización capaces de obtener información a escala nano-métrica e incluso atómica, para así entender sus propiedades estructurales y poder correlacionarlas con sus propiedades funcionales. Entre estas técnicas de caracterización cabe destacar la microscopía electrónica de transmisión (TEM, de sus siglas en inglés Transmission Electron Microscopy) y, en particular, su variante en la que el haz de electrones es barrido sobre la zona del material a caracterizar (STEM, de sus siglas en inglés Scanning TEM) con detector de electrones a alto ángulo en campo oscuro (HAADF, de sus siglas en inglés High Angle Annular Dark Field). El HAADF-STEM permite obtener imágenes del material sensibles a la composición, siendo posible alcanzar actualmente una resolución espacial del orden de las decenas de pico-metros lo cual ha supuesto una revolución en la caracterización de materiales. Esta Tesis Doctoral pretende realizar una aportación a la satisfacción de estas demandas respondiendo a dos objetivos generales. El primero es contribuir al desarrollo de nano-materiales avanzados mediante la investigación de sus propiedades estructurales a escala nano-métrica. En particular, se busca contribuir a la mejora del diseño y a la optimización de las condiciones de crecimiento de dispositivos optoelectrónicos de alta eficiencia basados en sistemas epitaxiales de heteroestructuras semiconductoras III-V. Los materiales semiconductores estudiados consisten en sistemas InAlAsSb-InP destinados al desarrollo de celdas solares ultra-eficientes con arquitectura multiunión, y en sistemas GaAsBi-GaAs para dispositivos fotónicos estables a la temperatura que operan en la región del infrarrojo medio. Adicionalmente, se consideran materiales poliméricos reforzados con grafeno que garantizan la reducción del peso de las aeronaves a la vez que mejoran sus prestaciones en servicio. En estos tres sistemas, el rendimiento final se ve muy influenciado por aspectos estructurales a escala atómica, que son analizados en la presente Tesis Doctoral. El segundo objetivo de la Tesis es analizar las limitaciones de la técnica HAADF-STEM en equipos de aberración corregida para el estudio de los materiales avanzados antes presentados. Respecto a los materiales semiconductores cuaternarios, la complejidad adicional que surge en el análisis de su composición a partir de la intensidad de imágenes HAADF-STEM radica en la existencia de una transferencia mutua de intensidad entre las columnas atómicas del material, efecto conocido como crosstalk. En la presente Tesis se evalúa el efecto del crosstalk en la cuantificación de la composición de aleaciones cuaternarias utilizando imágenes HAADF-STEM simuladas, y se propone una metodología que ha demostrado ser apropiada para obtener mapas de composición a nivel de columna atómica evitando el efecto negativo del crosstalk. En relación al GaAsBi, se evalúa la capacidad de las técnicas HAADF-STEM en el estudio de la distribución de Bi diluido y su efecto en la estructura atómica. Respecto a los polímeros reforzados con grafeno, la dificultad del análisis de la distribución del reforzante en el seno de la matriz radica en la similar composición química entre el grafeno y los polímeros, ambos basados en C por lo que producen una intensidad similar en imágenes HAADF. Para superar esta limitación en la presente Tesis se propone marcar las láminas de grafeno con átomos de oro y estudiarlas mediante tomografía electrónica. El estudio realizado utilizando imágenes HAADF-STEM simuladas ha demostrado la efectividad de la aproximación propuesta.