Infiltran nanopartículas de plata (AgNP) en capas de silicio poroso nanoestructurado (PSi), logrando mejorar así el rendimiento optoelectrónico de dispositivos fotónicos basados en silicio
El silicio poroso nanoestructurado (PSi) se puede entender como una red de cristales de silicio de tamaño nanométrico rodeados por espacio vacío. Estas características lo hacen útil para mejorar la capacidad óptica antirreflectante del silicio (Si).
Sin embargo, el PSi se oxida muy rápidamente en contacto con el aire, lo que conduce a una rápida degradación de sus propiedades eléctricas.
Ahora, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han demostrado que la incorporación de nanopartículas de plata (AgNP) en capas de Psi puede mejorar significativamente el rendimiento y la estabilidad de los dispositivos optoelectrónicos basados en silicio.
Concretamente, los investigadores estudiaron el impacto de la infiltración de AgNP en capas de PSi en las propiedades ópticas. Además, compararon las propiedades eléctricas de tres estructuras metal-semiconductor diferentes.
Los resultados, presentados en la revista Nanomaterials, demuestran una notable mejora en la absorción óptica y la conducción eléctrica tras la incorporación de nanopartículas metálicas. Específicamente, describen un incremento en un factor 10 de la corriente fotogenerada a consecuencia de la adición de AgNP a las estructuras porosas.
Estudios experimentales
Las tres uniones metal-semiconductor analizadas fueron Al/Si/Au, Al/Si+PSi/Au y Al/Si+PSi+AgNPs/Au. El análisis de CC se ejecutó midiendo las curvas I–V y ajustando los resultados a la ecuación del diodo no ideal.
Los investigadores también utilizaron espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) para establecer el análisis de CA en un amplio rango de frecuencias de 1 Hz a 1 MHz, y ajustar los datos al modelo de circuito equivalente más adecuado para resumir los parámetros eléctricos entre las interfaces.
Los resultados, presentados en la revista Nanomaterials, demuestran una notable mejora en la absorción óptica y la conducción eléctrica tras la incorporación de nanopartículas metálicas / UAM
Además, la fotorrespuesta espectral de las uniones Schottky Al/Si+PSi/Au y Al/Si+PSi+AgNPs/Au se adquirió con sesgo cero, en el rango de longitud de onda de 300 nm a 1200 nm.
Se fabricaron utilizando técnicas electroquímicas tres tipos de muestra de PSi bajo la misma densidad de corriente aunque durante diferentes tiempos de anodización (18, 28 y 40 s). Como resultado, se obtuvieron capas de PSi de 400, 1000 y 1400 nm de espesor, respectivamente.
Las propiedades ópticas de las nanoestructuras híbridas de PSi+AgNPs dependen de la densidad de las nanopartículas metálicas infiltradas. El aumento del espesor de la capa de PSi lleva al crecimiento de una mayor cantidad de nanopartículas dentro de los nanoporos. Como resultado, esto conduce a una reducción de la reflectancia óptica.
Así, aumentando el espesor de la capa de PSi a 1400 nm se consigue una mejora del 20% en la absorción óptica de las nanoestructuras híbridas. En cuanto a la conducción eléctrica, los diodos Al/Si+PSi/Au modificados presentan una degradación en la conducción eléctrica, en comparación con la estructura básica Al/Si/Au. Sin embargo, los diodos Al/Si+PSi+AgNPs/Au muestran una notable mejora en la conducción eléctrica debido a la incorporación de nanopartículas metálicas.
Mejora en la fotorrespuesta
La fotocorriente generada por los fotodiodos Al/Si+PSi+AgNPs/Au es aproximadamente 10 veces mayor que la generada por los fotodiodos Al/Si+PSi/Au en un amplio rango del espectro electromagnético.
En consecuencia, la infiltración de AgNP dentro del silicio porosonanoestructurado conduce a una notable mejora en la fotorrespuesta de los fotodiodos. En suma, en el estudio se identifican tres factores principales que resultan en una mejor respuesta optoelectrónica de las nanoestructuras híbridas de PSi+AgNP:
(1) la pasivación de las capas nanoestructuradas de PSi ocurre durante la infiltración de AgNP a través de la interacción química con un metal noble; (2) la infiltración de AgNP previene parcialmente la oxidación del PSi nanoestructurado, lo que conduce a una reducción drástica en la recombinación de superficial debido a las vacantes de oxígeno; (3) el crecimiento de AgNP en la capa de PSi tiene como consecuencia una mejora general en la conducción eléctrica de los fotodiodos.
Como resultado, el crecimiento de nanopartículas metálicas en estructuras porosas resulta en una mejora óptica y limita la degradación de las propiedades eléctricas en la capa fotovoltaica activa.
Referencia bibliográfica:
Ramadan, R., Martín-Palma, R.J. 2022. The Infiltration of Silver Nanoparticles into Porous Silicon for Improving the Performance of Photonic Devices. Nanomaterials, 12, 271.
