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Effect of substrate temperature on the structural, optical, and photoconductive properties of co-evaporated ZnS1-xTex thin films

Este estudio demuestra que variar la temperatura del sustrato durante la coevaporación térmica sintoniza eficazmente la composición, la estructura cristalina y las propiedades optoelectrónicas de las películas delgadas de ZnS1-xTex, permitiendo su aplicación potencial en la fotodetección de banda ancha visible.

Autores originales: Camilo Andrés Velásquez Andrade, Nestor Jaime Torres

Publicado 2026-09-29

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CC BY 4.0

Autores originales: Camilo Andrés Velásquez Andrade, Nestor Jaime Torres

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La luz es más que solo aquello que nos permite ver; es una herramienta que los científicos utilizan para sondear la naturaleza oculta de la materia. En el mundo de los semiconductores, materiales que forman la columna vertebral de la electrónica moderna y las células solares, el color de la luz que un material absorbe o emite está directamente vinculado a su estructura interna. Imagine que estos materiales tienen un umbral de energía específico, una puerta que la luz debe ser lo suficientemente fuerte como para abrir y así desencadenar una respuesta eléctrica. Al mezclar diferentes elementos, los investigadores pueden sintonizar esta puerta, desplazando la sensibilidad del material de un color de luz a otro. Esta capacidad de personalizar cómo un material interactúa con la luz es crucial para construir mejores sensores, cámaras y dispositivos de comunicación. El desafío radica en encontrar la receta adecuada para mezclar estos elementos de modo que el producto final se comporte exactamente como se pretende, una tarea que a menudo depende tanto de cómo se cultiva el material como de de qué está hecho.

En un estudio reciente, los investigadores se propussteron comprender cómo la temperatura de una superficie de vidrio afecta las propiedades de una mezcla específica de zinc, azufre y telurio. Crearon películas delgadas de este material, conocido como ZnS1-xTex, utilizando un proceso llamado coevaporación térmica. Imagine una cámara de vacío de alta tecnología donde polvos sólidos de sulfuro de zinc y telururo de zinc se calientan hasta que se convierten en vapor. Este vapor luego asciende y se deposita sobre un portaobjetos de vidrio, formando una capa microscópica. Los investigadores controlaron la temperatura de este portaobjetos de vidrio, calentándolo a cuatro niveles diferentes: 100, 150, 200 y 250 grados Celsius. Su objetivo era ver si el simple hecho de cambiar el calor del vidrio alteraría la composición química de la película y, consecuentemente, cómo esta interactúa con la luz.

Los resultados fueron sorprendentes y revelaron que la temperatura del vidrio desempeñó un papel decisivo en la determinación de la composición de la película. Cuando el vidrio se mantuvo a 100 grados Celsius, la película resultante fue rica en telurio. A medida que la temperatura aumentó a 200 grados, la cantidad de telurio cayó significamente y la película quedó dominada por el azufre. Sin embargo, cuando la temperatura se elevó a 250 grados, la tendencia se revirtió y el contenido de telurio aumentó de nuevo. Este comportamiento no lineal demostró que el calor del sustrato no solo calienta el material, sino que influye activamente en qué átomos se adhieren a la superficie y cuáles rebotan, creando una relación compleja entre las condiciones de crecimiento y la receta química final.

Estos cambios en la composición química condujeron a cambios distintivos en las propiedades físicas y ópticas de las películas. Los investigadores utilizaron rayos X para examinar la estructura cristalina y descubrieron que todas las películas formaron un patrón cúbico, pero el tamaño de los diminutos cristales dentro de la película variaba con la temperatura. Más importante aún, la temperatura dictó cómo las películas absorbían la luz. Las películas cultivadas a temperaturas más bajas absorbieron la luz a través de un amplio rango del espectro visible, lo que las hacía sensibles a muchos colores diferentes. En contraste, la película cultivada a la temperatura más alta, 250 grados Celsius, desplazó su sensibilidad hacia longitudes de onda más largas, respondiendo más fuertemente al extremo rojo del espectro. Esto significa que, simplemente ajustando el calor durante el proceso de fabricación, los investigadores podían sintonizar el material para que actuara como un detector de colores específicos de luz.

El estudio también analizó cómo estas películas brillan cuando se exponen a la luz y cómo conducen la electricidad cuando son iluminadas. La película cultivada a la temperatura más baja emitía un brillo amplio que podía descomponerse en dos colores distintos, lo que sugiere que la luz provenía de múltiples fuentes dentro del material. Cuando los investigadores midieron la corriente eléctrica generada por la luz, encontraron que las películas cultivadas a 100 y 150 grados respondían a casi todo el espectro visible, mientras que la película de 250 grados tenía una respuesta que se extendía más hacia el rojo. Estos hallazgos confirman que la temperatura del sustrato es una palanca poderosa para controlar el comportamiento de estos materiales. Si bien las películas aún no están listas para ser utilizadas en dispositivos comerciales sin pruebas adicionales de su velocidad y estabilidad, el estudio demuestra un camino claro hacia la creación de sensores de luz personalizados mediante el dominio del simple acto de calentar el vidrio durante el cultivo.

Resumen Técnico: Efecto de la temperatura del sustrato en las propiedades estructurales, ópticas y fotoconductivas de películas delgadas de ZnS₁₋ₓTeₓ coevaporadas

Planteamiento del problema
Los semiconductores compuestos de II-VI, particularmente el sistema de aleación ternaria ZnS₁₋ₓTeₓ, ofrecen un potencial significativo para aplicaciones optoelectrónicas debido a la gran disparidad en las constantes de red y las energías de banda prohibida entre sus miembros binarios finales (ZnS y ZnTe). Si bien se sabe que la energía de la banda prohibida de ZnS₁₋ₓTeₓ exhibe una marcada dependencia no lineal con la composición (banda prohibida con curvatura o band-gap bowing), en lugar de una simple interpolación lineal, el control preciso de esta composición durante la deposición de películas delgadas sigue siendo un desafío. Específicamente, no se ha establecido plenamente la influencia de las condiciones de crecimiento, tales como la temperatura del sustrato, sobre la estequiometría final, la estructura cristalina y la respuesta optoelectrónica de las películas de ZnS₁₋ₓTeₓ coevaporadas. Este estudio aborda la necesidad de comprender cómo la temperatura del sustrato afecta la relación S/Te y las propiedades resultantes del material, con el objetivo de determinar si las condiciones de deposición pueden utilizarse como una herramienta primaria para adaptar la respuesta espectral de estas películas para la fotodetección visible de banda ancha.

Metodología
Los investigadores depositaron películas delgadas de ZnS₁₋ₓTeₓ sobre sustratos de vidrio Corning mediante coevaporación térmica de alto vacío. El proceso utilizó celdas de Knudsen independientes para los precursores de ZnS y ZnTe (pureza del 99.995%), los cuales fueron calentados a aproximadamente 1000 °C. Las deposiciones se realizaron durante 18 minutos a una presión base de ~1.0 × 10⁻⁵ mbar.

El estudio varió sistemáticamente la temperatura del sustrato ( $T_s$ ) a cuatro niveles distintos: 100, 150, 200 y 250 °C, manteniendo constantes los demás parámetros de deposición. Las películas fueron caracterizadas mediante las siguientes técnicas:

Análisis composicional: Se utilizó espectroscopía de rayos X de energía dispersiva (EDX) para determinar las concentraciones atómicas y calcular la fracción de Te ( $x$ ).
Análisis estructural: Se empleó difracción de rayos X (XRD) en geometría Bragg–Brentano para identificar la estructura cristalina, la orientación preferente, los parámetros de red y el tamaño de cristalita (mediante la ecuación de Scherrer).
Caracterización óptica: Se midieron los espectros de transmitancia (300–2500 nm) para determinar el espesor de la película, el índice de refracción (usando el método de envolvente de Swanepoel) y los coeficientes de absorción. La banda prohibida óptica ( $E_g$ ) se calculó utilizando la relación de Tauc para transiciones directas permitidas.
Fotoluminiscencia (PL): Se realizaron mediciones de PL a temperatura ambiente utilizando una fuente de excitación de lámpara de Hg para la película depositada a 100 °C.
Fotoconductividad: Se midieron las respuestas fotoconductivas espectrales a temperatura ambiente utilizando una lámpara halógena y un monocromador, con electrodos de Cu depositados en una configuración paralela (separación de 1 mm) y una polarización de 90 V aplicada.

Resultados clave

Composición: Contrario a una tendencia monotónica, la fracción de Te ( $x$ ) varió significativamente y de forma no lineal con la temperatura del sustrato. El análisis EDX arrojó valores de $x$ de 0.90, 0.67, 0.13 y 0.39 para las películas depositadas a 100, 150, 200 y 250 °C, respectivamente. Esto indica que la temperatura del sustrato influye fuertemente en la incorporación o reemisión de las especies de S y Te durante el crecimiento.
Propiedades estructurales: Todas las películas exhibieron una estructura de zinc-blenda cúbica policristalina con una orientación (111) preferente. A medida que $T_s$ aumentó, la constante de red disminuyó de 6.081 Å (a 100 °C) a 5.914 Å (a 250 °C), lo cual es consistente con la sustitución de átomos de Te más grandes por átomos de S más pequeños, aunque la tendencia no fue estrictamente paralela a los cambios de composición. Los tamaños de cristalita oscilaron entre 17.4 nm (a 200 °C) y 40.4 nm (a 100 °C).
Propiedades ópticas: La banda prohibida óptica osciló entre 2.19 eV y 3.13 eV. Notablemente, la banda prohibida no siguió una relación monotónica simple con la fracción de Te; las películas con $x=0.90$ y $x=0.67$ exhibieron ambas un $E_g = 2.19$ eV, mientras que la película con $x=0.13$ mostró 2.56 eV, y la de $x=0.39$ mostró 3.13 eV.
Fotoluminiscencia: La película con el mayor contenido de Te ( $x=0.90$ , 100 °C) mostró una banda de emisión ancha ajustada con dos componentes gaussianas centradas aproximadamente en 515 nm y 579 nm, lo que sugiere múltiples canales de recombinación radiativa.
Fotoconductividad: La respuesta fotoconductiva espectral dependió altamente de $T_s$ . Las películas depositadas a 100 y 150 °C mostraron respuestas amplias a través de casi todo el rango visible con máximos cerca de 550 nm. La película de 200 °C se restringió a ~400–650 nm. La película de 250 °C exhibió un máximo desplazado hacia el rojo cerca de 600 nm, con una respuesta que se extiende hasta ~800 nm.

Significancia y afirmaciones
Los autores concluyen que la temperatura del sustrato sirve como un parámetro efectivo para modificar tanto la composición como la respuesta optoelectrónica de las películas delgadas de ZnS₁₋ₓTeₓ coevaporadas. El estudio demuestra que la composición final de la aleación no está determinada únicamente por las cantidades nominales de los precursores, sino que está significada por las condiciones de crecimiento, lo que conduce a variaciones no monotónicas en la fracción de Te.

El artículo afirma que estas películas poseen respuestas fotoconductivas espectrales sintonizables adecuadas para la fotodetección visible de banda ancha. Específicamente, la capacidad de desplazar la respuesta espectral desde la región verde (~~550 nm) hacia la región del rojo/infrarrojo cercano (~~600–800 nm) mediante el ajuste de la temperatura del sustrato resalta el potencial de este sistema para aplicaciones de fotodetectores personalizados. Sin embargo, los autores mantienen una postura modesta respecto a la aplicabilidad inmediata de estas películas, señalando que, si bien la sintonizabilidad espectral está establecida, las métricas de rendimiento de los dispositivos reales —como la responsividad, la detectividad específica, la corriente oscura, el ruido, la respuesta temporal y la estabilidad— aún deben cuantificarse antes de que estos materiales puedan compararse rigurosamente con las tecnologías de fotodetectores establecidas. El trabajo respalda la investigación adicional de ZnS₁₋ₓTeₓ como un material candidato para la fotodetección visible de banda ancha, siempre que se caractericen estos parámetros de rendimiento adicionales.

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