La espectroscopía de absorción de rayos X de estructura cercana al borde (XANES) es bien conocida como una técnica versátil y poderosa para examinar la microestructura de todo, desde sólidos cristalinos hasta materiales amorfos, incluso líquidos. Su extrema sensibilidad también lo convierte en una herramienta ideal para probar la cinética de diversas reacciones químicas. en el lugar .

Los experimentadores que utilizaron la Fuente de Fotones Avanzados de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. En Argonne demostraron recientemente una nueva arruga para XANES que ha abierto una ventana a una técnica poco conocida para la deposición de materiales. Estos conocimientos fomentarán el desarrollo de técnicas de síntesis química mejor controladas y más precisas para semiconductores y otras aplicaciones de nanomateriales. y son valiosos como demostración de la extensión de la espectroscopia XANES a otros ámbitos de experimentación.

Si bien la deposición en baño químico (CBD) se usa ampliamente en el laboratorio y la industria para la creación de películas delgadas y nanoestructuras para semiconductores y energía fotovoltaica, su funcionamiento molecular real sigue siendo un misterio. Esto ha limitado un poco su utilidad, porque la adaptación precisa de los productos de CBD no es posible sin una comprensión clara y, por lo tanto, el control de la mecánica del CBD. Científicos de la Universidad de Drexel y la Universidad de Notre Dame han obtenido el primer análisis detallado de cómo funciona el CBD a nivel molecular. utilizando espectroscopía XANES para presenciar in situ la formación de nanocables de óxido de zinc. El trabajo fue publicado en octubre de 2010 en Química de Materiales .

El CBD comienza con una solución de agua con precursores químicos que contienen los componentes a partir de los cuales se formará la estructura de película deseada. Pero debido a que las especies químicas precursoras tienden a estar muy diluidas dentro de la solución, identificarlos y aislarlos para monitorear su actividad durante el proceso de deposición ha sido un desafío abrumador. "Es muy difícil encontrar técnicas experimentales que le permitan evaluar las diferentes cosas que necesita medir, ”Dijo el investigador principal Jason Baxter de la Universidad de Drexel. "Esto ha llevado a algunas críticas al CBD por estar demasiado basado en recetas, donde puede ser difícil tomar un conjunto de condiciones y decir lo que podría suceder en otros lugares ”. XANES demostró ser la ventana ideal al proceso del CDB. “Te da una sensibilidad muy alta para que puedas medir especies que están muy diluidas, —Dijo Baxter. "Así que pudimos analizar el CBD con un grado de precisión que la gente no podía lograr antes".

Los investigadores sometieron una solución de nitrato de zinc y HMTA (hexametilentetramina) a diferentes temperaturas y presiones dentro de un dispositivo de microrreactor construido a medida para inducir el crecimiento de nanocables de ZnO. observando las reacciones con espectroscopía XANES en la línea de luz 10-ID del Equipo de Acceso Colaborativo de Investigación de Materiales (MR-CAT) en la Fuente de Fotones Avanzada. Baxter señala una ventaja particular de XANES para el trabajo actual:“También tiene una resolución de tiempo lo suficientemente buena como para que pudiéramos ver cómo avanza la reacción a tiempo. Cada minuto podríamos tomar un nuevo conjunto de datos y observar la cinética de la reacción ".

Una pregunta abierta que los investigadores intentaron abordar fue el papel específico de HMTA en el proceso de ZnO CBD. El trabajo anterior había sugerido que HMTA podría descomponerse en formas intermedias que proporcionaban las materias primas para la película de ZnO, tal vez incluso unirse a los iones de zinc en la solución, o que podría actuar simplemente como un tampón de pH para facilitar las reacciones.

Esto primero en el lugar vista ofrecida por la técnica XANES demostró que el HMTA se descompone lentamente bajo calentamiento, liberando iones de hidróxido que reaccionan con los iones de zinc en la formación de ZnO. Esta liberación lenta de hidróxidos también tiene el efecto de minimizar la saturación de ZnO y así controlar el pH de la solución.

"HMTA libera el hidróxido a la velocidad adecuada, justo en el límite donde se cultiva principalmente óxido de zinc en el sustrato con una precipitación mínima, ”Dice Baxter.

El equipo observó el crecimiento de nanocables de ZnO a partir de nitrato de zinc y precursores de HMTA a 90 ° C después de dos horas. con secciones transversales hexagonales típicas y diámetros de 300-500 nm.

También emplearon técnicas de análisis de componentes principales (PCA) para obtener datos cuantitativos sobre las especies observadas durante el proceso de CBD. Esto mostró que el crecimiento de los nanocables de ZnO se produjo a través de la cristalización directa de los materiales precursores sin intermediarios de larga duración. El tampón de pH proporcionado por el HMTA ayuda a evitar la precipitación excesiva de ZnO en la solución, permitiendo el crecimiento controlado de las estructuras de nanocables.

Estos nuevos conocimientos sobre los mecanismos del CBD fomentarán el desarrollo de técnicas de síntesis química mejor controladas y más precisas para semiconductores y otras aplicaciones de nanomateriales.

El trabajo también es valioso como demostración de la extensión de la espectroscopia XANES a otros ámbitos.

“Creo que la parte más útil de este artículo es la aplicación de la espectroscopia XANES a un nuevo tipo de sistema, —Dijo Baxter.

Él y su equipo planean ampliar su trabajo para estudiar otras químicas y procesos del CBD. "De hecho, puede ver lo que está sucediendo a medida que crece, ”Dijo. “Le da a uno mucha información sobre el proceso. Creo que esa es la parte emocionante ".