La deposición en baño químico , también llamada deposición en solución química [1] y CBD , es un método de deposición de película delgada (sólidos que se forman a partir de una solución o gas), utilizando una solución precursora acuosa. [1] La deposición en baño químico generalmente forma películas utilizando nucleación heterogénea ( deposición o adsorción de iones acuosos sobre un sustrato sólido ), [2] para formar películas delgadas homogéneas de calcogenuros metálicos (principalmente óxidos , sulfuros y seleniuros) [1] y muchos compuestos iónicos menos comunes. [1] [3] La deposición en baño químico produce películas de manera confiable, utilizando un proceso simple con poca infraestructura, a baja temperatura (<100˚C) y a bajo costo. [1] Además, la deposición en baño químico se puede emplear para el procesamiento por lotes de área grande o la deposición continua. Las películas producidas por CBD se utilizan a menudo en semiconductores , células fotovoltaicas y supercondensadores , y existe un creciente interés en el uso de la deposición en baño químico para crear nanomateriales . [1] [4]
La deposición en baño químico es útil en aplicaciones industriales porque es extremadamente barata, simple y confiable en comparación con otros métodos de deposición de película delgada, y requiere solo una solución acuosa a temperaturas (relativamente) bajas y una infraestructura mínima. [1] El proceso de deposición en baño químico se puede ampliar fácilmente a procesamiento por lotes de área grande o deposición continua.
La deposición en baño químico forma cristales pequeños, que son menos útiles para semiconductores que los cristales más grandes creados por otros métodos de deposición de película delgada, pero son más útiles para nanomateriales. Sin embargo, las películas formadas por deposición en baño químico a menudo tienen mejores propiedades fotovoltaicas (banda de separación de electrones) que las películas de la misma sustancia formadas por otros métodos. [1]
La deposición por baño químico tiene una larga historia, pero hasta hace poco era un método poco común de deposición de película delgada. [1]
En 1865, Justus Liebig publicó un artículo que describía el uso de la deposición en baño químico en espejos de plata (para fijar una capa reflectante de plata en la parte posterior del vidrio para formar un espejo), [5] aunque en la actualidad la galvanoplastia y la deposición al vacío son más comunes.
Se cree que alrededor de la Segunda Guerra Mundial, se utilizaron películas de CBD de sulfuro de plomo (PbS) y seleniuro de plomo (PbSe) en detectores infrarrojos. [1] Estas películas son fotoconductoras cuando se forman por deposición en baño químico. [1]
La deposición por baño químico tiene una larga historia en la formación de películas delgadas que también se utilizan en semiconductores. Sin embargo, el pequeño tamaño de los cristales depositados no es ideal para los semiconductores y la deposición por baño químico rara vez se utiliza para fabricar semiconductores en la actualidad. [1]
Las células fotovoltaicas son el uso más común de películas depositadas por deposición en baño químico porque muchas películas tienen mejores propiedades fotovoltaicas cuando se depositan mediante CBD que cuando se depositan mediante otros métodos. [1] Esto se debe a que las películas delgadas formadas por deposición en baño químico exhiben una mayor cuantificación de tamaño y, por lo tanto, cristales más pequeños y una mayor brecha de banda óptica, que las películas delgadas formadas por otros métodos. [1] Estas propiedades fotovoltaicas mejoradas son la razón por la que el sulfuro de cadmio (CdS), una película delgada común en las células fotovoltaicas, es la sustancia más comúnmente depositada por CBD y la sustancia más comúnmente investigada en los artículos de investigación de CBD. [1] [2]
La deposición por baño químico también se utiliza para depositar capas de protección en células fotovoltaicas porque el CBD no daña el sustrato.
Las películas de deposición por baño químico pueden fabricarse para absorber ciertas longitudes de onda y reflejar o transmitir otras según se desee. Esto se debe a que las películas formadas por deposición por baño químico tienen una banda prohibida electrónica que se puede controlar con precisión. Esta transmisión selectiva se puede utilizar para revestimientos antirreflejos y antideslumbrantes, aplicaciones térmicas solares, filtros ópticos , polarizadores , reflectores totales, etc. [1] Las películas depositadas por deposición por baño químico tienen posibles aplicaciones en revestimientos antirreflejos, antideslumbrantes, de control térmico, filtros ópticos , reflectores totales, protección avícola y revestimientos de calentamiento, diodos emisores de luz , fabricación de células solares y varistores . [ cita requerida ]
La deposición química en baño o deposición electrolítica tiene grandes aplicaciones en el campo de los nanomateriales, [1] debido a que el pequeño tamaño de los cristales permite la formación a escala nanométrica, debido a que las propiedades y la nanoestructura de las películas de deposición química en baño se pueden controlar con precisión, y debido a que el espesor, la composición y la geometría uniformes de las películas depositadas por deposición química en baño permiten que la película conserve la estructura del sustrato. [1] El bajo costo y la alta confiabilidad de la deposición química en baño, incluso a escala nanométrica, es diferente a cualquier otra técnica de deposición de película delgada. La deposición química en baño se puede utilizar para producir películas policristalinas y epitaxiales , redes porosas, nanobarras , superredes y compuestos. [4]
La deposición por baño químico se basa en la creación de una solución tal que la deposición (cambio de una sustancia acuosa a una sólida) solo se produzca en el sustrato, utilizando el siguiente método:
Es decir, la solución se encuentra en un estado en el que los iones precursores o las partículas coloidales son "pegajosos", pero no pueden "adherirse" entre sí. Cuando se introduce el sustrato, los iones precursores o las partículas se adhieren a él y los iones acuosos se adhieren a los iones sólidos, formando un compuesto sólido que se deposita para formar películas cristalinas.
El pH, la temperatura y la composición de la película afectan el tamaño del cristal y pueden utilizarse para controlar la velocidad de formación y la estructura de la película. Otros factores que afectan el tamaño del cristal incluyen la agitación, la iluminación y el espesor de la película sobre la que se deposita el cristal. [1] La agitación de la solución evita la deposición de cristales coloidales suspendidos, [6] creando una película más suave y homogénea con una energía de brecha de banda más alta. La agitación también afecta la velocidad de formación y la temperatura a la que se produce la formación, y puede alterar la estructura de los cristales depositados. [6]
A diferencia de la mayoría de los demás procesos de deposición, la deposición por baño químico tiende a crear una película de espesor, composición y geometría uniformes (homogeneidad lateral) incluso en sustratos irregulares (con patrones o formas) porque, a diferencia de otros métodos de deposición, está regida por la química de la superficie. Los iones se adhieren a todas las superficies expuestas del sustrato y los cristales crecen a partir de esos iones. [2] [7]
En la deposición ion por ion, los iones precursores acuosos reaccionan directamente para formar la película delgada.
Las condiciones se controlan de tal manera que se formen pocos iones de hidróxido para evitar la deposición (no sobre el sustrato) o la precipitación de hidróxido metálico insoluble. A veces se utiliza un agente complejante para evitar la formación de hidróxido metálico. [1] La sal metálica y la sal de calcogenuro se disocian para formar cationes metálicos precursores y aniones de calcogenuro, que son atraídos y se adhieren al sustrato por las fuerzas de Van der Waals . [8] Los iones se adhieren al sustrato y los iones acuosos se unen a los cristales en crecimiento, formando cristales más grandes. Por lo tanto, este método de deposición da como resultado cristales más grandes y menos uniformes que el mecanismo de cúmulo de hidróxido. [1]
A continuación se muestra un ejemplo de la reacción que deposita sulfuro de cadmio:
(deposición) [1] [7] [8]
La deposición de grupos de hidróxido ocurre cuando hay iones de hidróxido presentes en la solución y generalmente da como resultado cristales más pequeños y más uniformes que la deposición ion por ion.
Cuando los iones hidróxido están presentes en la solución en cantidad, se forman iones hidróxido metálicos. Los iones hidróxido actúan como ligandos de los cationes metálicos, formando cúmulos coloidales insolubles que se dispersan por toda la solución y se depositan sobre el sustrato. Estos cúmulos son atraídos al sustrato por las fuerzas de Van der Waals. Los aniones calcogenuro reaccionan con los cúmulos de hidróxido metálico, tanto dispersos como depositados, para formar cristales de calcogenuro metálico. Estos cristales forman la película delgada, que tiene una estructura similar a la de un cristalito . En esencia, los iones hidróxido actúan como intermediarios entre los iones metálicos y los iones calcogenuro. Debido a que cada cúmulo de hidróxido es un sitio de nucleación, este método de deposición generalmente da como resultado cristales más pequeños y uniformes que la deposición ion por ion. [7] [8]
A continuación se muestra un ejemplo de la reacción química que deposita sulfuro de cadmio:
(Formación del cúmulo de hidróxido de cadmio)
(Reacción de sustitución) [8]
A diferencia de otros métodos de deposición de película delgada, en teoría, se puede utilizar casi cualquier sustrato que sea químicamente estable en la solución acuosa en la deposición en baño químico. [1] Las propiedades deseadas de la película suelen determinar la elección del sustrato; por ejemplo, cuando se desea transparencia a la luz, se utilizan varios tipos de vidrio, y en aplicaciones fotovoltaicas se utiliza comúnmente. Los sustratos también se pueden modelar con monocapas para dirigir la formación y la estructura de las películas delgadas. [1] También se han utilizado sustratos como espuma de melamina carbonizada (CFM) [ cita requerida ] e hidrogeles de ácido acrílico (AA) [9] para algunas aplicaciones especializadas.
![{\displaystyle {\ce {nCd^2+ (ac) + 2nOH^- (ac) -> [Cd(OH)2] (s)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f7552d54b5a952cc9614a067a86e937127a720d1)
![{\displaystyle {\ce {[Cd(OH)2] n + nS^2- -> nCdS + 2n OH^-}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/29e31dcc5bbc30a910f44668fdfa6862da1676e3)
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