Estructuras de carbono con incorporación de silicio

Abstract

A lo largo de la historia de la ciencia, las formas sólidas de carbono han formado una parte importante en el desarrollo de nuevas tecnologías. En los últimos tiempos se han buscado formas de obtener nuevas propiedades de estas formas de carbono mediante su dopaje o combinación con otros elementos. El silicio siempre ha resultado uno de los elementos de interés por su afinidad química. En este trabajo nos propusimos estudiar diversas formas alotrópicas del carbono en combinación con silicio. Para cada caso se buscaron analizar propiedades específicas de los materiales producidos, según el tipo de dopaje o combinación elegida. Se utilizaron diversos métodos de síntesis de deposición química en fase vapor (CVD), diseñando y construyendo equipos para sintetizar diamante puro y dopado con silicio, un material que combina fullerenos y silicio, así como equipos para la síntesis de grafeno y siliceno. A pesar de la diferencia entre materiales y técnicas, siempre utilizamos alguna variante del método CVD para producir los materiales: procesos térmicos como el CVD asistido por filamento caliente, el uso de sustratos calientes con efectos catalíticos, procesos electromagnéticos como el CVD asistido por microondas, o incluso PVD (deposición física en fase vapor) en el caso del depósito de fullerenos. Pudimos sintetizar diamante de buena calidad. Se llevó a cabo un análisis del estrés presente en microcristales mediante mapeos por espectroscopia Raman, observando una región de alto estrés isotrópico alrededor del punto de nucleación. Al sintetizar microcristales dopados con silicio, utilizamos un precursor líquido (tetrametoxisilano en etanol) en lugar de silano, más frecuentemente utilizado en estos procesos de síntesis pero que presenta mayores complicaciones de seguridad y de mantenimiento de los equipos. Hallamos parámetros para maximizar el efecto de fotoluminiscencia de los centros de color del silicio en el diamante. Esto resulta de particular interés en el uso de biomarcadores basados en esta tecnología. Sintetizamos un material compuesto por fullerenos y silicio, utilizando PVD para los primeros y HFCVD para el silicio. Se estudiaron las muestras por técnicas como SEM, EDS, WAXS, XPS, espectroscopía Raman y análisis de estabilidad térmica. Concluímos que se trata de un material cristalino, con fullerenos polimerizados a través de enlaces covalentes con átomos de silicio. Simulamos diversos materiales bidimensionales compuestos por carbono y silicio por DFT (teoría del funcional de la densidad), y hallamos que una mezcla 50-50 simétrica es la más estable entre las examinadas. Luego se sintetizó con éxito grafeno de gran calidad, de acuerdo con resultados de espectroscopía Raman. Se intentó producir siliceno hidrogenado, aunque los resultados no fueron determinantes y se dejó planteada la hipótesis de haber generado silicio nanocristalino en su lugar.