Modificación química de óxido de zinc con magnesio: estudio teórico y experimental de la relación entre las propiedades electrónicas y termoluminiscentes

Abstract

Tesis de doctorado en ciencia de materiales. En el presente trabajo se llevó a cabo la síntesis de fósforos de ZnO y ZnO impurificados con Magnesio a partir de un método químico de precipitación controlada, utilizando una sal de zinc y tiourea en un medio alcalino. Para el dopaje de Mg, se utilizó una sal de magnesio, con concentraciones de 1, 3, 5 y 10 % molar. Los polvos obtenidos fueron tratados térmicamente a una temperatura de 700 ° C por 24 horas en atmósfera aire. Los resultados obtenidos por difracción de rayos X muestran que se forma una solución sólida de los materiales obtenidos, cristalizando en su fase hexagonal zincita. Al incorporar Mg en la red de ZnO, se observa un cambio en la morfología de los fósforos sintetizados, así como una disminución del tamaño de partícula. Se observa un corrimiento del borde de absorción del ZnO hacía el azul al aumentar la concentración de Mg en la red en el espectro de reflectancia difusa. De igual manera el espectro de fotoluminiscencia presenta un corrimiento hacía mayor energía del pico localizado a 420 nm al introducir mayor cantidad de Mg. Se observó un incremento del valor del band gap de 2.25 a 3.35 eV al incorporar Mg. Los fósforos de ZnO:Mg con 5 % de Mg presentan propiedades atractivas para ser utilizados en dosimetría termoluminiscente (DTL) en un amplio intervalo de dosis. La curva de brillo obtenida presenta un máximo de emisión localizado en una posición considerada estable a temperatura ambiente. Así como un comportamiento lineal en el intervalo de dosis de 10 a 800 Gy Adicionalmente, este fósforo exhibe buena estabilidad en pruebas de reusabilidad en ciclos repetidos de irradiación-lectura, así como un bajo desvanecimiento de la termoluminiscencia al almacenar muestras irradiadas en condiciones ambientales, una mínima dosis detectable de 3 Gy. Los resultados teóricos mostraron que la incorporación de Mg en superceldas de ZnO, no produce estados localizados en la banda de energía prohibida, sino que la principal contribución que produce, es la presencia de estados localizados en el tope de la banda de conducción, debido a los estados de orbitales s. Además, se encontró una correspondencia directa entre los resultados obtenidos de forma experimental con los resultados teóricos, en los valores obtenidos de la banda de energía prohibida y los parámetros estructurales de las celdas de ZnO en su fase hexagonal. De acuerdo a los resultados obtenidos, la emisión de TL del pico principal se puede atribuir a vacancias de oxígeno, esto debido a que la posición de este defecto, obtenido por cálculos teóricos, se encuentra a una profundidad muy cercana al valor de energía de activación calculada experimentalmente para este pico, así como el pico de emisión fotoluminiscente en la región del azul, obtenido de los fósforos, atribuida a este tipo de defectos en el ZnO.