Desarrollo de nanoestructuras de calcohalogenuros y posibles aplicaciones tecnológicas
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....
Furkejuvvon:
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2025
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| description | 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. |
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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.CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN -- 1.1.MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS -- 1.2. NANOCRISTALES -- 1.2.1.Síntesis solvotérmica -- 1.2.2.Síntesis en solución (hot injection) -- 1.2.3.Crecimiento de films -- 1.3.ANTECEDENTES DE CALCOHALOGENUROS -- 1.4.BiSI -- 1.4.1.Estructura cristalina -- 1.4.2.Síntesis -- 1.4.3.Propiedades optoelectrónicas -- 1.4.4. Aplicaciones -- 1.5.Bi19S27I3 -- 1.5.1.Estructura cristalina -- 1.5.2.Síntesis -- 1.5.3. Propiedades optoelectrónicas -- 1.5.4.Aplicaciones -- 1.6.DETECTORES DE RADIACIÓN IONIZANTE BASADOS EN SEMICONDUCTORES -- 1.7.ANTECEDENTES DEL GRUPO DE INVESTIGACIÓN DONDE SE ENMARCA LA TESIS -- 1.8.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS -- CAPÍTULO 2: SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE CALCOHALOGENUROS NANOESTRUCTURADOS -- 2.1.Introducción al capítulo -- 2.2. Técnicas y equipos utilizados para la caracterización -- xv 2.3.SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE Bi2S3 -- 2.3.1.Síntesis de Bi2S3 por el método solvotérmico – 1-- 2.3.1.1.Método experimental -- 2.3.1.2.Caracterización morfológica y estructural, resultados y discusión -- 2.3.2.Síntesis de Bi2S3 por el método solvotérmico – 2 -- 2.3.2.1.Método experimental -- 2.3.2.2. Caracterización morfológica y estructural, resultados y discusión -- 2.3.3.Síntesis de Bi2S3 por el método de hot-injection -- 2.3.3.1.Método experimental -- 2.3.3.2.Caracterización morfológica y estructural, resultados y discusión -- 2.4.SÍNTESIS DE BiSI POR EL MÉTODO SOLVOTÉRMICO -- 2.4.1.Método experimental -- 2.4.2. Caracterización morfológica y estructural, resultados y discusión -- 2.5.SÍNTESIS DE BiSI POR EL MÉTODO EN SOLUCIÓN -- 2.5.1.Método experimental -- 2.5.2.Caracterización morfológica y estructural, resultados y discusión -- 2.6.ESTUDIO DEL MECANISMO DE CRECIMIENTO DE NANOVARILLAS DE BiSI -- 2.6.1.Efecto del tiempo y morfología del precursor de Bi2S3 en la formación de BiSI -- 2.6.1.1.Nanovarillas de Bi2S3 como precursor -- 2.6.1.2.Nanoflores de Bi2S3 como precursor -- 2.6.1.3.Nanopartículas de Bi2S3 como precursor -- 2.6.2.Efecto del precursor I2 en la formación de BiSI -- 2.6.3.Efecto del MEG como medio de reacción en la formación de BiSI -- 2.6.4.Efecto de la temperatura en la formación de BiSI -- 2.6.5.Determinación de energías de formación de intermediarios de BiSI a partir de Bi2S3 por cálculos computacionales (DFT) -- 2.6.6. Propuesta del mecanismo de crecimiento de nanovarillas de BiSI a partir de Bi2S3 -- 2.7.SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE Bi19S27I3 -- 2.7.1.Método experimental -- xvi 2.7.2. Caracterización morfológica y estructural, resultados y discusión -- 2.8.ESTUDIO DEL BAND GAP DE CALCOHALOGENUROS DE BISMUTO -- 2.8.1.Determinación del band gap de BiSI -- 2.8.2.Determinación del band gap de Bi19S27I3 -- 2.9.CONCLUSIONES PARCIALES -- 2.10.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS -- CAPÍTULO 3: DEPOSICIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE FILMS DE CALCOHALGENUROS NANOESTRUCTURADOS -- 3.1.Introducción al capítulo -- 3.2.Técnicas y equipos utilizados para la deposición y la caracterización -- 3.3.DEPOSICIÓN DE FILMS DE CALCOHALOGENUROS DE BISMUTO A PARTIR DEL SÓLIDO SINTETIZADO PREVIAMENTE -- 3.3.1.Deposición de BiSI y Bi19S27I3 por drop-casting -- 3.3.1.1.Método experimental -- 3.3.1.2.Caracterización morfológica y estructural, resultados y discusión -- 3.3.2.Deposición física de vapor -- 3.3.2.1.Método experimental -- 3.3.2.2.Caracterización morfológica y estructural, resultados y discusión -- 3.4.DEPOSICIÓN DE FILMS DE CALCOHALOGENUROS DE BISMUTO A PARTIR DE Bi2S3 -- 3.4.1.Deposición de films de Bi2S3 -- 3.4.1.1.Deposición por baño químico -- 3.4.1.2.Deposición por spray pirolisis -- 3.4.2.Deposición química de vapor – 1 (deposición por sublimación y reacción de I2) -- 3.4.2.1.Método experimental -- 3.4.2.2. Caracterización morfológica y estructural, resultados y discusión -- 3.4.3.Deposición química de vapor – 2 (deposición por sublimación y reacción de xvii BiI3) -- 3.4.3.1.Método experimental -- 3.4.3.2.Caracterización morfológica y estructural, resultados y discusión -- 3.5.DEPOSICIÓN DE FILMS DE BiSI POR SÍNTESIS EN SOLUCIÓN -- 3.5.1.Método experimental -- 3.5.2.Caracterización morfológica y estructural, resultados y discusión -- 3.6. CONCLUSIONES PARCIALES -- 3.7.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS -- CAPÍTULO 4: PASTILLAS DE NANOESTRUCTURAS DE CALCOHALOGENUROS COMO DETECTORES DE RADIACIÓN -- 4.1.Introducción al capítulo -- 4.2.Técnicas y equipos utilizados para la deposición y la caracterización -- 4.3.PASTILLAS DE 6 mm DE DIÁMETRO -- 4.3.1.Método experimental -- 4.3.2.Caracterizaciones, resultados y discusión -- 4.3.2.1.Detectores de BiSI -- 4.3.2.2.Detectores de BiSI/Bi2S3 -- 4.3.2.3.Detector de BiSI/C -- 4.3.2.4.Influencia de partículas amorfas de carbono -- 4.4.PASTILLAS DE 13 mm DE DIÁMETRO -- 4.4.1.Detectores del Set FQ -- 4.4.1.1.Método experimental -- 4.4.1.2. Caracterizaciones, resultados y discusión -- Determinación de la resistividad -- Estudio del comportamiento eléctrico de los detectores con la temperatura -- Estudio de la fotorrespuesta a la luz visible -- Estudio de la respuesta a la radiación ionizante a partir de fuentes puntuales --xviii 4.4.2.Detectores del Set OX -- 4.4.2.1.Método experimental -- 4.4.2.2.Caracterizaciones, resultados y discusión -- Determinación de la resistividad -- Estudio de la respuesta a la radiación ionizante producida por tubos de rayos X -- 4.5. CONCLUSIONES PARCIALES -- 4.6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS -- CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES FINALES Y PERSPECTIVAS FUTURAS -- ANEXO I -- ANEXO II -- ANEXO III -- ANEXO IVUdelar. FQ : PEDECIBAMombrú Frutos Maia2025-10-24T17:37:47Z2025-10-24T17:37:47Z2025Tesis de doctoradoinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersion346 p.application/pdfMombrú Frutos, M. Desarrollo de nanoestructuras de calcohalogenuros y posibles aplicaciones tecnológicas [en línea]. Tesis de doctorado. Montevideo : Udelar. FQ : PEDECIBA, 2025https://hdl.handle.net/20.500.12008/52229reponame:COLIBRIinstname:Universidad de la Repúblicainstacron:Universidad de la RepúblicaesspaLas obras depositadas en el Repositorio se rigen por la Ordenanza de los Derechos de la Propiedad Intelectual de la Universidad de la República.(Res. Nº 91 de C.D.C. de 8/III/1994 – D.O. 7/IV/1994) y por la Ordenanza del Repositorio Abierto de la Universidad de la República (Res. Nº 16 de C.D.C. de 07/10/2014)info:eu-repo/semantics/openAccessLicencia Creative Commons Atribución - No Comercial - Sin Derivadas (CC - By-NC-ND 4.0)oai:colibri.udelar.edu.uy:20.500.12008/522292026-04-14T10:17:00Z |
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