Síntesis y estudio de películas de diamante ultrananocristalino tipo-p y tipo-n para aplicaciones en dispositivos foto-termiónicos

Abstract

Las películas de diamante ultrananocristalino (UNCD, por sus siglas en inglés), con tamaño de grano de 3-5 nm) poseen una combinación única de propiedades conocidas: muy alta dureza (similar a las gemas de diamante, el material más duro), muy alta resistencia al desgaste superficial, el más bajo coeficiente de fricción en comparación con recubrimientos metálicos y cerámicos, extremadamente inerte a la corrosión química de cualquier fluido, incluido uno de los ácidos más corrosivos como es el ácido HF, afinidad electrónica negativa y alta conductividad eléctrica para películas de diamante dopadas con átomos apropiados [1]. Las combinaciones de estas propiedades hacen que las películas de diamante puedan ser utilizadas en un gran número de procesos fisicoquímicos [5–9]. En este trabajo de investigación se sintetizaron películas de UNCD sin dopar, dopadas con boro (B-UNCD, tipo p) y con nitrógeno incorporado a las fronteras de grano (N-UNCD, tipo n). Las películas de B-UNCD se prepararon insertando átomos de Boro (B), reemplazando átomos de carbono en la red cristalina de películas de UNCD intrínseco, por medio de un proceso de difusión térmica análogo al utilizado comúnmente para crear uniones p-n durante la fabricación de diodos a base de silicio [7]. Las películas de N-UNCD se formaron vía incorporación de átomos de Nitrógeno (N) en las fronteras de grano durante el crecimiento de estas, usando la técnica de Depósito Químico de Vapor Asistido por Plasma de Microondas (MPCVD, por sus siglas en inglés). Se realizaron mediciones de la corriente de emisión foto-termiónica (PETE, por sus siglas en inglés) en el rango de temperatura de 680-800°C (aproximadamente 900 soles de concentración) de la película de UNCD dopada con boro. Se obtuvo una densidad de corriente de emisión máxima de ~600 nA/cm para una temperatura de ~800°C, el cual se encuentra dos órdenes de magnitud por encima a los reportados en la literatura para películas de diamante microcristalino dopadas con boro en un rango de temperaturas de 1020-1120°C. De lo anteriormente expuesto, se puede concluir que las películas de diamante sintetizadas en esta investigación podrían ser utilizadas como electrodos resistentes a la corrosión para diversas aplicaciones y en energías renovables como celdas solares foto termoiónicas de alta eficiencia.