Synthesis and characterization of indium oxide at high pressures
- Autores: Bráulio A. Garcia
- Directores de la Tesis: Francisco Javier Manjón Herrera (dir. tes.), Domingo Martínez García (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2018
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Ángel Sans Tresserras (presid.), Javier Ruiz Fuertes (secret.), Julia Contreras García (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física por la Universitat de València (Estudi General)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
VERSIÓN CASTELLANA Introducción:
La naturaleza es sorprendente pero a la vez limitada. A mi entender, nada tiene más potencial que aplicar el ingenio humano para modificar lo que nos rodea y crear algo completamente nuevo.
La Física de la Materia Condensada es un campo que actualmente está ganando importancia en la Física moderna. En virtud de los éxitos logrados en Física de la Materia Condensada se han producido enormes avances en el campo de la electrónica cuántica, de los semiconductores y de la ciencia de materiales, teniendo como resultado numerosas aplicaciones tecnológicas que han cambiado nuestras vidas drásticamente en los últimos 50 años. Una de las ramas de la Física de la Materia Condensada es el estudio de las propiedades de la materia sometidas a condiciones extremas de presión y temperatura. Este estudio tiene como objetivo comprender las fuerzas que actúan dentro de un sólido, las cuales, rigen sus propiedades estructurales, elásticas, vibracionales, ópticas, eléctricas y magnéticas, permitiendo reproducir los procesos y fenómenos que ocurren tanto dentro de la Tierra como en muchos otros planetas.
Gracias a estos estudios, se puede ayudar a comprender los fenómenos físicos, químicos, geológicos e incluso biológicos que ocurren bajo condiciones de alta presión y temperatura.
Tradicionalmente, los experimentos realizados en los laboratorios eran los mayores responsables de proporcionar la mayoría de la información sobre las propiedades de la materia. Sin embargo, en las últimas décadas, el desarrollo de la ciencia computacional con los métodos teóricos de cálculo a partir de los primeros principios o métodos ab initio, en perfecta colaboración con los científicos experimentales, se han convertido en una herramienta indispensable, no solamente para comprender y predecir las propiedades de los materiales, sino para diseñar nuevos materiales, provocando un gran desarrollo en el estudio de las técnicas de HP-HT. Especialmente, los métodos ab initio están fundamentados en la teoría cuántica donde solo se tienen en cuenta el tipo de átomos presentes en el material, sus localizaciones aproximadas en el espacio real y sus interacciones.
La estructura cúbica tipo bixbyita está presente en diversos óxidos binarios como el In2O3, Sc2O3 y Mn2O3. De hecho, aparte del In2O3, muchos óxidos binarios, como ZnO, SnO2 y TiO2 han sido ampliamente estudiados para ser empleados en dispositivos optoelectrónicos debido a sus propiedades especiales como ser un TCO. El amplio uso de la estructura cúbica tipo bixbyita de In2O3 (c-In2O3) en procesos industriales abarca desde la fabricación de capas transparentes en celdas solares, diodos emisores de luz, ventanas electrocrómicas, pantallas de cristal líquido y sensores de gas. Sin embargo, la escasez y el alto coste para obtener indio metálico ha conducido al estudio de nuevos sistemas, como el In2O3 dopado con estaño (ITO) y In2−2xZnxSnxO3 (x ≤ 0.4), también llamado ZITO, con el objetivo de reducir el precio de su proceso de producción.
Se conocen varios polimorfos de In2O3. En condiciones ambiente, el In2O3 cristaliza en la estructura cúbica tipo bixbyita (SG Ia-3, N.º 206, Z = 16), siendo la fase mejor conocida y la más común en los sesquióxidos de tierras raras. Sin embargo, otros polimorfos menos conocidos del In2O3 son la estructura romboédrica tipo corindón (SG R-3c, N.º 167, Z = 6), la estructura ortorrómbica tipo Rh2O3−II (SG Pbcn, N.º 60, Z = 4) y la estructura ortorrómbica tipo alfa-Gd2S3 (SG Pnma, N.º 62, Z = 4) que pueden ser obtenidas a través de la aplicación de presión y temperatura. En la estructura cúbica, romboédrica y Rh2O3−II los cationes tienen coordinación 6; sin embargo, la coordinación de los cationes aumenta hasta alcanzar el valor de 7 y 8 para la estructura alfa-Gd2S3.
HT han sido empleadas sistemáticamente en estudios de HP para inducir transiciones de fase retardadas o incluso impedidas en In2O3 a temperatura ambiente debido a la presencia de efectos cinéticos. En cuanto a los estudios de c-In2O3 bajo HP-HT, se ha observado que el c-In2O3 permanece estable hasta 6 GPa y 1450 ºC. Además, en la década de 1960 se ha citado que el c-In2O3 al someterlo a presiones de 6.5 GPa y temperaturas comprendidas entre 880 y 1300 ºC resulta el crecimiento de la estructura romboédrica tipo corindón en el In2O3 (rh-In2O3) cuando se recupera el material sintetizado a condiciones ambiente. También se ha sintetizado de forma metaestable nanoestructuras y capas delgadas de rh-In2O3 en condiciones ambiente y aplicando ondas de choque en el rango de presiones entre 15–25 GPa a c-In2O3.
El gran interés para obtener rh-In2O3 como fase metaestable en condiciones ambiente es porque se espera que muestre mejores propiedades que c-In2O3, como una mejor estabilidad y una mayor conductividad. Estas propiedades hacen rh-In2O3 especialmente adecuado para el uso en células solares, catálisis y sensores de gas.
Yusa et al. observaron en el In2O3 a través de medidas de XRD la fase Rh2O3−II como la fase posterior a la corindón a 7GPa y 1630 ºC y la fase alfa-Gd2S3 como la fase posterior de la Rh2O3−II sobre 40 GPa y 1730 ºC.
Uno de los resultados contradictorios que nos ha motivado a realizar un estudio más detallado de c-In2O3 a HP y temperatura ambiente fue la propuesta de Liu et al. y Qi et al., donde argumentaban a través de diversos estudios de XRD en material en volumen y en nanocristales, respectivamente, que rh-In2O3 era la fase de HP de c-In2O3. Otro de los motivos que existían era la controversia de obtener la estructura ortorrómbica tipo Rh2O3−II del In2O3 (o1-In2O3) como una fase metaestable en condiciones ambiente mediante tratamientos a HP-HT. La obtención del o1-In2O3 en condiciones ambiente, abriría una nueva vía para ajustar las propiedades de los materiales.
En los últimos años, las propiedades de los nanocristales del In2O3 están recibiendo una mayor atención porque sus propiedades son prácticamente desconocidas. Se han realizado importantes esfuerzos de investigación para la preparación exitosa de nanocristales de In2O3 de tamaño y forma controlada. Además, las propiedades vibracionales de nanoestructuras de In2O3 han comenzado a ser investigadas.
Objetivos:
Los objetivos fundamentales de esta tesis doctoral han sido estudiar la estabilidad en presión y temperatura de diversos polimorfos tanto en material en volumen como en forma nanocristalina de In2O3 y conocer las condiciones óptimas de alta presión y temperatura para sintetizar rh-In2O3 y recuperarla de forma metaestable en condiciones ambiente, partiendo de c-In2O3.
Metodología:
En esta sección se describen los montajes experimentales y las técnicas empleadas para estudiar las propiedades físicas de los materiales estudiados (c-In2O3 y rh-In2O3) tanto a presión ambiente como a altas presiones.
Durante esta tesis doctoral se han empleado dos prensas de gran volumen para sintetizar nuevas fases del In2O3 en condiciones extremas de presión y temperatura. Concretamente se ha empleado la prensa PE (200 toneladas) situada en el departamento de Física Aplicada de la Universidad de Valencia y la prensa MA (Sumitomo 1200 toneladas) situada en el Bayerisches Geoinstitut (BGI) en la ciudad de Bayreuth (Alemania).
Tanto las muestras de partida como las muestras sintetizadas se han caracterizado a través de la microscopía electrónica de barrido, difracción de rayos X y espectroscopía Raman y óptica. Se ha empleado tanto la celda de membrana [59] con yunques de diamante como la celda de yunques de diamante tipo ALMAX-Boehler [60, 61] para generar altas presiones y poder estudiar las propiedades físicas en función de la presión. La gran diferencia entre ambas celdas es el mecanismo para generar la presión. La celda de membrana no es necesario moverla para incrementar o reducir la presión, por lo que es muy útil para medidas sincrotrón debido al ahorro de tiempo en el procedimiento de centrado y alineamiento de la celda con el haz de rayos X. Sin embargo, la celda de yunques de diamante tipo ALMAX-Boehler, aunque requiere más tiempo de ajuste para incrementar la presión, presenta una mayor apertura angular (hasta 4 zeta = 90º) comparada con la celda de membrana. Esto permite observar un mayor número de reflexiones de Bragg y facilitar la resolución de la estructura de una fase desconocida de un material.
Además, se han realizado colaboraciones con el profesor A. Muñoz y la profesora P. Rodríguez-Hernández para hacer cálculos ab initio y poder contrastar la información teórica con los resultados obtenidos experimentalmente. Para realizar los cálculos teóricos, se ha empleado tanto la DFT como la aproximación de pseudopotenciales.
Resultados y conclusiones:
Los resultados y las conclusiones más relevantes que se han obtenido al realizar la tesis doctoral, se pueden resumir en las siguientes ideas.
Por una parte, se ha realizado un estudio de espectroscopía Raman bajo presión en el c-In2O3, comparando el comportamiento del material en volumen y en forma nanocristalina. Este estudio se hizo empleando una mezcla de MEW en las proporciones 16:3:1 como medio transmisor de presión. Se observa que la estructura c-In2O3 es estable hasta 30 GPa en unas condiciones de cuasi hidrostaticidad, tanto para el material en volumen como para la forma nanocristalina como se pueden apreciar en la evolución de los espectros Raman en función de la presión.
Gracias a los cálculos ab initio ha sido posible asignar la simetría de los 16 (8) modos activos Raman observados en el material en volumen (nanocristales) del c-In2O3. Las frecuencias de los modos activos Raman obtenidas en los cálculos difieren en un 5% (subestimación) respecto de las observadas experimentalmente. Por otra parte, los modos siguen una evolución no lineal bajo presión, en la que se comparan los resultados experimentales y los cálculos teóricos.
Se ha descubierto un nuevo polimorfo de In2O3 a altas presiones (o3-In2O3), el cual cristaliza en la estructura ortorrómbica Rh2O3−III con grupo espacial Pbca (N.º 61). Para determinar este polimorfo, hemos realizado un estudio estructural y vibracional en función de la presión hasta 50 GPa del material en volumen, partiendo de la fase cúbica, c-In2O3, y con la ayuda de los cálculos teóricos ab initio.
Se muestra la secuencia de transiciones de fase inducidas bajo presión en el In2O3 hasta 50 GPa en condiciones cuasi hidrostáticas. En ambos experimentos, ya sea empleando helio, en el estudio de XRD, o la mezcla de MEW en las proporciones 16:3:1, en el estudio de espectroscopía Raman como medios transmisores de presión, la estructura c-In2O3 se transforma en la estructura o1-In2O3 sobre los 35 GPa en el proceso de subida en presión. En el proceso de bajada en presión, la muestra se transforma de o1-In2O3 a o3-In2O3 entre 40 y 20 GPa (dependiendo del medio transmisor empleado en el experimento) y posteriormente, a 8 GPa transita a rh-In2O3, la estructura metaestable recuperada en condiciones ambiente de presión y temperatura.
Se muestra la dependencia en presión del volumen de la celda unidad por fórmula unidad de los cuatro polimorfos encontrados de In2O3 (c-In2O3, o1-In2O3, o3-In2O3 y rh-In2O3) hasta una presión máxima de 50 GPa a temperatura ambiente y los resultados experimentales y teóricos (ab initio) del ajuste con una ecuación de estado de segundo orden de Birch-Murnaghan (B0’ = 4).
Una posterior recompresión de la muestra recuperada del primer ciclo de presión a temperatura ambiente (rh-In2O3) muestra la transición de fase a o3-In2O3. Por lo tanto, o3-In2O3 es claramente la fase posterior a la fase corindón, es decir, la fase de alta presión entre las fases R-3c y Pbcn. La diferencia entre las transiciones de fases observadas experimentalmente y las predichas por los cálculos teóricos pueden ser atribuidas a la presencia de grandes barreras cinéticas en las transiciones de fase en este compuesto a temperatura ambiente.
Para intentar recuperar o3-In2O3 de forma metaestable en condiciones ambiente comenzando con el material en volumen c-In2O3, hemos realizado diferentes experimentos de dispersión Raman en función de la presión bajo condiciones no hidrostáticas usando aceite silicona como medio transmisor de presión e incluso sin medio transmisor de presión hasta 27.2 y 39.6 GPa, respectivamente. Los resultados obtenidos han sido los siguientes: Primero, en el proceso de subida en presión, la fase c-In2O3 se transforma en o1-In2O3 a través de la fase intermedia o3-In2O3. Esto contrasta con los resultados obtenidos en condiciones cuasi hidrostáticas cuando se empleó MEW (16:3:1) o helio como medio transmisor de presión. En ambos casos, la muestra se transformaba directamente de c-In2O3 a o1-In2O3. Segundo, aunque o3-In2O3 estuvo coexistiendo con rh-In2O3 hasta 0.7 GPa en el proceso de bajada en presión cuando se empleó un medio transmisor de presión no hidrostático, no se pudo recuperar o3-In2O3 como una fase metaestable en condiciones ambiente. En este contexto, una opción para futuros experimentos sería realizar un nuevo ciclo de presión hasta 50 GPa en las peores condiciones de hidrostaticidad, es decir, sin medio transmisor de presión, permitiendo obtener en el proceso de bajada en presión la fase pura de o3-In2O3 a la presión de 4 GPa. A esa presión, se podrían implementar dos estrategias. La primera estrategia consistiría en hacer una bajada drástica (quenching) en presión en la muestra hasta alcanzar la presión ambiente, mientras que la segunda podría ser una bajada rápida (quenching) en temperatura de la muestra introduciendo la celda de diamante en un tanque de nitrógeno líquido, para posteriormente disminuir la presión lentamente hasta alcanzar la presión ambiente, con el objetivo de recuperar de forma pura o3-In2O3 en condiciones ambiente de presión y temperatura.
Después de muchas síntesis, se ha podido recuperar la estructura romboédrica tipo corindón en el In2O3 (rh-In2O3) como una fase metaestable en condiciones ambiente, empleando prensas de gran volumen como la prensa MA Sumitomo (1200 toneladas) y la prensa PE (200 toneladas) para generar condiciones extremas de presión y temperatura. El mayor inconveniente a la hora de conseguir dicha fase metaestable fue las reacciones químicas de la muestra de partida (c-In2O3) con los materiales que tenía a su alrededor a altas temperaturas. En los primeros intentos de síntesis a altas presiones y altas temperaturas, el c-In2O3 reaccionó con la cápsula de h-BN formándose la estructura romboédrica tipo corindón de InBO3 (rh-InBO3). Para evitar este problema, se decidió introducir la muestra de partida (c-In2O3) en una cápsula metálica. Inicialmente, se probó con cápsulas de platino y molibdeno, pero en ambos casos se observaron reacciones químicas. Finalmente, se logró evitar la reacción química usando una cápsula de renio, consiguiendo sintetizar de forma pura la fase de rh-In2O3.
Se muestran las condiciones de presión y temperatura que nos permitieron recuperar la fase rh-In2O3 como una fase metaestable en condiciones ambiente.
Los mejores cristales recuperados de las síntesis de alta presión y alta temperatura de rh-In2O3 (desde el punto de vista de la calidad de los espectros Raman) han sido obtenidos en la región de 12 GPa y entre 500 y 600 ºC. La estabilidad térmica de diversos cristales de rh-In2O3 ha sido estudiada a través de las medidas de dispersión Raman. Se ha podido comprobar que la estructura tipo corindón del In2O3 es estable hasta 500 ºC a presión ambiente.
Con la finalidad de analizar la estabilidad de rh-In2O3 en función de la presión, se ha empelado una muestra sintetizada a 12 GPa y 1375 ºC (la mejor muestra obtenida hasta el momento de rh-In2O3) y posteriormente recocida a 300 ºC durante 3 h para mejorar su calidad cristalina. Las medidas de XRD en función de la presión nos han permitido obtener de forma precisa la ecuación de estado experimental de la fase tipo corindón del In2O3 en concordancia con los cálculos teóricos. Para rh-In2O3 se ha obtenido un módulo de bulk menor que para los siguientes materiales isomorfos: rh-Al2O3 y rh-Ga2O3. Este resultado sugiere la posibilidad de usar Cr3+ dopado con rh-In2O3 a temperatura ambiente como un sensor de presión más sensible que el rubí, por lo menos hasta 14 GPa. El incremento del parámetro de la elongación cuadrática en rh-In2O3 al aumentar la presión sugiere la presencia de una inestabilidad mecánica de esta estructura a altas presiones. Este resultado está en concordancia con la menor estabilidad en presión de rh-In2O3 que rh-Al2O3, lo que se constata mediante la transición de fase de rh-In2O3 a o3-In2O3 a mucha menor presión (en torno a 14 GPa según medidas de XRD y Raman) que en rh-Al2O3.
Se han realizado numerosos intentos para sintetizar rh-In2O3 dopado con Cr3+ a altas presiones y altas temperaturas, pero no se ha observado ninguna señal de luminiscencia en las muestras recuperadas. Las muestras de partida se obtuvieron mezclando manualmente en un mortero polvos de c-In2O3 y de rh-Cr2O3. Este método manual, dada la pequeñísima proporción de rh-Cr2O3, es lo que probablemente no nos ha permitido alcanzar una distribución homogénea de Cr en la muestra de partida. Esta podría ser una razón por la que el cromo no se ha incorporado finalmente en la red cristalina de rh-In2O3. Se ha comenzado a colaborar con un grupo de Química de la Universidad de Valencia (Prof. Eduardo Martínez Tamayo) para conseguir una mejor distribución de cromo en la muestra de partida (c-In2O3) para las síntesis a altas presiones y altas temperaturas. Por lo tanto, esperamos que en un futuro cercano seamos capaces de realizar nuevos intentos para sintetizar diferentes dopados de Cr3+ en rh-In2O3.
Finalmente, se ha estudiado tanto el comportamiento estructural como vibracional de nanocristales de rh-In2O3, sintetizados por colaboradores de la India, hasta 30 GPa. Estos resultados han sido comparados con los resultados obtenidos en el material en volumen y con las simulaciones teóricas. Las medidas de XRD en polvo de los nanocristales de rh-In2O3 nos han permitido obtener de forma más precisa una ecuación de estado experimental para este compuesto, mostrando un buen acuerdo entre los experimentos realizados en el material en volumen de rh-In2O3 y los cálculos teóricos. Los coeficientes de presión de los fonones activos Raman medidos en los nanocristales de rh-In2O3 confirman un módulo de bulk similar a los medidos en el material en volumen de rh-In2O3. Además, las medidas de dispersión Raman muestran una transición de fase desde rh-In2O3 a o3-In2O3 a una presión mayor (20 GPa) que en el material en volumen. Sin embargo, esa transición de fase no ha sido observada en medidas de XRD en polvo incluso hasta 30 GPa. El origen de esta discrepancia radica en tres posibles efectos: Primero, las medidas de dispersión Raman son más sensibles a los cambios locales que las medidas de XRD. Segundo, el tamaño nanométrico de las muestras da lugar a un ensanchamiento de los picos de XRD comparado con los obtenidos en el material en volumen. Además, el hecho de que muchos picos de la fase romboédrica (R-3c) y ortorrómbica (Pbca) sean coincidentes en el rango de presiones entre 20 y 30 GPa, dificulta la observación de la transición de fase. Tercero, se ha observado recientemente que transformaciones a altas presiones en nanocristales pueden verse afectadas por defectos tanto de la superficie como del volumen. En la bajada en presión, los nanocristales de rh-In2O3 fueron observados por debajo de 8 GPa, al igual que ocurría en el material en volumen. Finalmente, hay que destacar que la diferencia entre la estabilidad estructural observada entre los nanocristales y el material en volumen de rh-In2O3, a pesar de tener una compresibilidad similar, nos permitiría extender las posibles aplicaciones de este compuesto a rangos de presiones más elevados. Estos efectos son importantes en futuros estudios con la posibilidad de dopar los nanocristales de rh-In2O3 con Cr3+ para conseguir un sensor de presión más sensible que el rubí por lo menos hasta 20 GPa.
ENGLISH VERSION The manuscript has been divided into eight chapters in the following way:
Chapter 1 is devoted to a brief introduction of the various polymorphs of In2O3 and its industrial applications.
In chapter 2, we make a brief theoretical introduction to most concepts used throughout this thesis work. Thus, the basics of XRD, the EoS and some notions about the light-matter interaction in order to understand the phenomena of non-resonant RS and optical absorption are discussed.
Chapter 3 is dedicated to the description of the details of both the experimental methods and techniques and the theoretical ab initio calculations. As regards the experimental methods, the crystal growth technique using a large volume press used for HP-HT syntheses is presented, including the pressure and temperature calibrations; concretely, for the 200 tons PE press and the Sumitomo 1200 tons MA apparatus. Besides, two different types of DAC, like the membrane-type DAC and the ALMAX-Boehler-type DAC, and the different pressure scales employed are also described. The final part of this chapter is devoted to detail the different characterization techniques of as-grown materials at ambient and extreme conditions of pressure and temperature, like SEM, angle-dispersive XRD at ALBA synchrotron radiation source, RS spectroscopy and how their results are compared to theoretical ab initio calculations.
The following chapters are devoted to the presentation of the results obtained in our study that where published in international journals.
In chapter 4, we report a joint experimental and theoretical vibrational study of bulk (nanocrystalline) c-In2O3 under compression up to 31.6 (30.0) GPa. Experiments were performed using a 16:3:1 mixture of MEW as a PTM. Thanks to ab initio calculations, we have been able to assign the symmetry of 16 (8) observed Raman-active modes in bulk (nanocrystalline) c-In2O3 and compare the evolution of the experimental and theoretical Raman-active mode frequencies with pressure.
In chapter 5, we report a joint experimental and theoretical structural (XRD) and vibrational (RS) study of bulk c-In2O3 under HP-HT. Two different pressure cycles with different PTM were performed. In the first one, XRD and RS experiments were performed in bulk powder c-In2O3 compressed up to approximately 50 GPa and also during downstroke to ambient conditions, where the sample recovered at ambient pressure was rh-In2O3. In a second upstroke, XRD (RS) experiments were performed on recovered rh-In2O3 up to 22.2 (33.0) GPa. In the downstroke process of the first pressure cycle, we discovered a new polymorph of In2O3 at HP. The new polymorph (o3-In2O3) crystallizes in the orthorhombic Rh2O3−III structure with Pbca space group (No. 61). In order to recover this polymorph as a metastable phase at ambient conditions, we performed a RS experiment in the worst hydrostatic conditions, i.e., without PTM, and realised that under non-hydrostatic conditions bulk c-In2O3 undergoes a phase transition to rh-In2O3.
In chapter 6, we describe all the syntheses that we performed employing the large volume presses (Sumitomo 1200 tons MA press and 200 tons PE press) to generate HP-HT conditions in order recover the rh-In2O3 as a metastable phase at ambient conditions. Once we obtained pure rh-In2O3 as a metastable phase, we carry out a structural and vibrational study under pressure up to 15.9 and 30 GPa, respectively, with the aim of determine the pressure stability range for this phase. Moreover, the thermal stability through different crystals annealed of rh-In2O3 at room pressure has also been studied by means of RS measurements. The smaller bulk modulus obtained for rh-In2O3, compared with rh-Al2O3, suggests the possibility to use Cr3+-doped rh-In2O3 at ambient temperature as a more sensitive pressure sensor than ruby at least up to 14 GPa.
In chapter 7, we present a study of the structural and vibrational properties of rh-In2O3 nanocrystals up to 30 GPa and compare them to those of the bulk material and theoretical simulations. An increase of the pressure stability range (at least up to 20 GPa) in the rh-In2O3 nanocrystals compared with the bulk material (14 GPa) has been observed.
Finally, the manuscript is finished with chapter 8 devoted to the conclusions. We will summarize all the results obtained in this thesis work and give some future perspectives and open topics to be investigated in different polymorphs of In2O3.
