Transporte térmico y caracterización raman de nanohilos semiconductores de silicio y silicio-germanio

Resumo

En esta tesis se analizan diversos aspectos de la caracterización por espectroscopia Raman de nanohilos (NWs) semiconductores de silicio y silicio-germanio. La estructura de la tesis responde de forma jerárquica al grado de interconexión entre los resultados de cada capítulo; es decir, la comprensión del capítulo 5 requiere de los resultados alcanzados en el capítulo 4, que a su vez no pueden explicarse sin el estudio teórico realizado en el capítulo 3, para el cual es fundamental la caracterización de la conductividad térmica llevada a cabo en el capítulo 2. Para que esta estructura piramidal sea más fácil de seguir cada capítulo incorpora su propia introducción recopilando tanto el estado del arte del tema tratado en dicho capítulo, así como de la descripción teórica necesaria para comprender los resultados y conclusiones alcanzados. La adopción de esta estructura implica que el capítulo 1, o introducción, únicamente describe algunos conceptos comunes a la mayoría de los capítulos restantes; i.e. en la introducción se describe la teoría sobre la que descansa la espectroscopia Raman y se realiza una breve descripción del equipo experimental utilizado para la realización de esta tesis. El capitulo 2 muestra el modelo construido para predecir la conductividad térmica en NWs de silicio y silicio-germanio. Este modelo incorpora el efecto introducido por el diámetro de los NWs, las características morfológicas de la superficie y el efecto de la composición en la aleación. De este modo, podemos predecir la conductividad térmica de los NWs de silicio y silicio-germanio en un amplio rango de temperaturas. Este resultado no sólo es fundamental para realizar el estudio teórico de la interacción térmica láser-NW del capítulo 3, sino que tiene relevancia por sí mismo, ya que el estudio de la conductividad térmica de los NWs semiconductores es uno de los campos más explotados actualmente en la literatura científica sobre NWs semiconductores. Una vez conocida la conductividad térmica de los NWs, es posible llevar a cabo el modelado de la interacción térmica láser-NW que sucede en espectroscopia micro-Raman, tal y como se muestra en el capítulo 3. Este modelado se realiza mediante un análisis por elementos finitos (FEM) construido sobre el software de COMSOL Multiphysics. Con este modelo se han estudiado los posibles factores que intervienen en la interacción térmica láser-NW, teniéndose en cuenta para ello que el NW tiene unas dimensiones menores a la longitud de onda incidente y también mucho menores al área de iluminación del haz láser. En el capítulo 4, se muestran los resultados experimentales de diferentes análisis Raman efectuados sobre NWs de silicio y silicio-germanio, mostrándose experimentalmente lo calculado teóricamente en el capítulo 3; e.g. la enorme influencia en el espectro Raman de la temperatura inducida en los NWs, el efecto del medio en el que se encuentran los NWs, las diferencias entre iluminar NWs únicos o conjuntos de NWs, etc... Además, se establece un criterio que permite asegurar la eliminación del efecto de la temperatura en los NWs durante la caracterización Raman. Gracias a esto, se puede abordar en la segunda parte del capítulo 4 la caracterización composicional en NWs de silicio-germanio mediante espectroscopia micro-Raman. En la caracterización experimental de los NWs de silicio y silicio-germanio realizada en el capítulo 4 aparecen algunos resultados anómalos; e.g. picos suplementarios, enormes intensidades Raman, espectros compuestos... Algunos de estos efectos han sido reportados por otros autores, pero no explican satisfactoriamente lo observado en los NWs analizados en este trabajo. Para entender estos efectos anómalos, en el capítulo 5 se realiza un análisis por elementos finitos de la interacción electromagnética láser-substrato-NW, implementada en el software de COMSOL Multiphysics. Gracias a esto, se demostrará que estos efectos anómalos proceden en su mayoría de esta interacción. Además, en este capítulo se muestra como el efecto de que el diámetro del NW sea menor a la longitud de onda incidente introduce una dependencia en la intensidad de la señal Raman con la alineación entre el eje de polarización del NW y del eje de polarización del haz láser. Este efecto se explora tanto experimentalmente como teóricamente en el capítulo 5.