Desarrollo de nanoestructuras de calcohalogenuros y posibles aplicaciones tecnológicas

Abstract

Esta tesis de Doctorado en Química se enmarca en el estudio y desarrollo de calcohalogenuros, en particular de BiSI y Bi19S27I3, con el propósito de explorar sus propiedades optoelectrónicas y su potencial aplicación en dispositivos tecnológicos, específicamente en detectores de radiación ionizante. Dado el creciente interés en el diseño sostenible de materiales y la necesidad de reducir el impacto ambiental de los dispositivos electrónicos, los semiconductores basados en bismuto emergen como una alternativa viable a las perovskitas de plomo, ofreciendo propiedades similares con menor toxicidad. Estos materiales tienen aplicaciones potenciales en celdas solares, fotodetectores, fotocatálisis y detectores de radiación ionizante, entre otros. En este contexto se desarrollaron métodos de síntesis de BiSI y Bi19S27I3, que contemplaron el uso de solventes amigables con el ambiente y tuvieran bajos requerimientos energéticos. Para el Bi19S27I3 se desarrolló una síntesis por el método de hot injection con la cual se puede dirigir la morfología de las nanopartículas obtenidas mediante el agregado del polímero polietilenglicol. Para el BiSI se estudiaron en profundidad todos los parámetros involucrados xi en la síntesis que conlleva la transformación de Bi2S3 a BiSI por acción sinérgica con el monoetilenglicol y yodo, actuando el Bi2S3 como plantilla auto sacrificable. Para ello se variaron: precursores, tiempo de reacción, solvente, y temperatura. A partir de los conocimientos generados por el estudio del mecanismo de crecimiento de nanovarillas de BiSI, también se estudió el crecimiento de films sobre diferentes sustratos. Se utilizaron diversos métodos, desde deposición física de vapor, deposición química de vapor, drop casting, o deposición dentro de un reactor en solución y se caracterizaron sus propiedades estructurales y morfológicas. Por otro lado, con las nanovarillas de BiSI obtenidas en la síntesis original se fabricaron pastillas que se utilizaron para construir dispositivos prototipo de detectores de radiación X y gamma. Se evaluó la relación entre el empaquetado de las nanovarillas dentro de la pastilla, las condiciones de prensado y el desempeño del dispositivo. Se determinó que el tratamiento térmico a las pastillas es esencial para disminuir la corriente oscura y así el ruido térmico del dispositivo. También se ve mejorada la respuesta a una fuente de 241Am (radiación ionizante hasta 60 keV) en detectores de pastillas pequeñas de 6 mm de diámetro. En detectores de pastillas de mayor tamaño (13 mm) se compararon los desempeños de detectores basados en BiSI y además basados en un nanocompósito de BiSI y carbono amorfo. Este nanocompósito demostró tener un mejor desempeño que el BiSI sin carbono, con una respuesta superior a rayos X de baja energía (hasta 30 keV) y un menor límite de detección del orden de las décimas de μGy/s, comparable con otros prometedores materiales estudiados para este fin. El desarrollo de nanomateriales semiconductores basados en bismuto de esta tesis representa un avance significativo en la Química de Materiales y la Nanotecnología, sentando las bases para la síntesis y optimización de materiales con propiedades mejoradas y aplicaciones innovadoras.