Efectos de la incorporación de Ag en capas delgadas de TiO2 obtenidas mediante arco catódico

Resumen

En el trabajo presentado en esta tesis se ha investigado diferentes aspectos relacionados con la incorporación de plata en capas delgadas de TiO2. En particular, se ha analizado el efecto de la plata en los cambios de estructura cristalina del TiO2 tras el tratamiento térmico a diferentes temperaturas. Con el fin de realizar el estudio mencionado, se ha diseñado e implementado, en colaboración con Dr. A. Anders del Lawrence Berkeley National lab, un sistema de arco catódico pulsado. El conjunto está equipado con una cabeza múltiple de cátodos (minigun), a través del cual se pueden realizar el depósito simultáneo de hasta tres materiales diferentes en forma de aleación o de multicapa. La memoria de tesis comprende 6 Capítulos principales y un Apéndice. En el primer capítulo se hace una breve descripción teórica de las propiedades estructurales, ópticas, funcionales del TiO2, así como del efecto del dopaje con otros materiales (plata, oro, cobre, etc). De igual manera, se hace referencia a las propiedades excitónicas del ZnO como parte de un estudio complementario surgido al estudiar el efecto de la incorporación de zinc en la estructura cristalina del TiO2 (sistema Ti-Zn-O). Posteriormente, se detallan en este capítulo los objetivos perseguidos en esta tesis así como la metodología utilizada. En el segundo capítulo se describe los diferentes los equipos utilizados, tanto en la síntesis como en la caracterización de las capas depositadas incluyendo los procedimientos experimentales seguidos en cada caso: arco catódico pulsado, magnetrón sputtering, técnicas espectroscópicas de electrones, fotones, etc. El tercer capítulo se presenta los resultados obtenidos en la medida de las propiedades estructurales y ópticas de las capas delgadas del TiO2. Las capas depositadas han sometidas a tratamientos térmicos comprendidos entre los 200 y 1000ºC con el fin de estudiar la evolución de las fases cristalinas a lo largo del tratamiento. Se ha encontrado que los recubrimientos de TiO2 puro depositados mediante arco catódico son amorfos, cambiando a una estructura tipo anatasa y rutilo a 200 y 1000ºC, respectivamente. Posteriormente, en el cuarto capítulo se trata el efecto de la incorporación de plata en las capas de TiO2 (sistema Ag-TiO2). Se ha analizado el efecto del tratamiento térmico en la morfología, estructura cristalina, tipo de enlace atómico, etc. de las capas depositadas. Los resultados indican que la presencia de plata en las capas da lugar a un retraso en las temperaturas de cristalización de la fase anatasa y un adelanto de la fase rutilo a 400 y 600ºC, respectivamente. A su vez, se ha analizado también la evolución de la plata en los recubrimientos por efecto del tratamiento térmico (reducción al estado metálico, difusión y agregación de los átomos formando nanopartículas). El quinto capítulo está enfocado a las propiedades ópticas y de mojado del sistema Ag-TiO2. La presencia de las nanopartículas de plata en los recubrimientos produce el fenómeno de resonancia plasmónica de superficie (SPR) con una banda de absorción en la región visible, alrededor de los 500 nm, que se desplaza hacia al rojo a medida que aumenta el tamaño de las partículas de plata por efecto del tratamiento térmico. Se ha observado también una disminución en el valor de la anchura de la banda prohibida (gap) al aumentar la concentración de plata en los recubrimientos sin tratamiento térmico. Respecto a las propiedades de mojado, las muestras de Ag-TiO2 sin tratamiento térmico son parcialmente hidrofóbicas. Sin embargo, las muestras tratadas térmicamente con estructura anatasa, pasan a un estado superhidrofílico en un corto periodo de tiempo (20 minutos) tras irradiación con luz ultravioleta. Se ha analizado este fenómeno encontrándose una relación entre diferentes factores (estructura cristalina, tratamiento térmico, rugosidad superficial, concentración y tamaño de las partículas de plata y SPR) Las principales aportaciones y conclusiones de las tesis están recopiladas en el capítulo seis. Finalmente, se ha añadido un Apéndice en el que se describe un trabajo complementario en el que se ha investigado el efecto de la adición de zinc en diferentes proporciones al TiO2 (sistema Ti-Zn-O). Se ha observado que, en el caso extremo, las capas de ZnO puro, presentan interesantes propiedades excitónicas que dan lugar a un fenómeno de confinamiento cuántico cuando el espesor de las capas se reduce a nivel nanométrico.