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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN
CENTRO DE FÍSICA APLICADA Y TECNOLOGÍA AVANZADA
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA
LICENCIATURA EN TECNOLOGÍA
QUINTO CONGRESO DE TECNOLOGÍA. 1 AL 3 DE JUNIO 2015
FM-02
Análisis de películas delgadas de óxido de hierro
por técnicas de Difracción de Rayos – X.
Narciso Roberto Martínez Lévaro**, Eric Mauricio Rivera Muñoz*

RESUMEN
Los nanomateriales son de interés por sus aplicaciones catalíticas,
electrónicas, ópticas, entre otras. En este trabajo se presenta la
síntesis de películas delgadas de óxido de hierro mediante la
técnica de deposición química en fase de vapor (PLI-MOCVD)
empleando un precursor de acetilacetonato férrico (C15H21FeO6).
Se emplearon Difracción de rayos-X (DRX) por haz paralelo y
microscopía electrónica de barrido (MEB) para analizar la
estructura y morfología. Dada la información obtenida, se hará un
análisis de reflectividad por rayos-X (RRX) en ángulo rasante en
un futuro próximo.
ABSTRACT
Nanomaterials are of interest for their catalytic, electronic, optic
and other applications. In this work, the synthesis of iron oxide
thin films by chemical vapor deposition (PLI-MOCVD) technique
using iron acetylacetonate (C15H21FeO6) as precursor is presented.
Parallel beam X-ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron
Microscope (SEM) were used for the analysis of structure and
morphology. Due to the information obtained, an X-ray
Reflectivity (XRR) in grazing incidence analysis will be done in
the near future.
Palabras claves: óxido de hierro (III), películas delgadas,
deposición química en fase de vapor (CVD), difracción de rayos-X
(DRX),
microscopía
electrónica
de
barrido
(MEB),
caracterización.
sino que poseen propiedades físicas y químicas diferentes a las
poseerían si fueran de tamaño macro.
Entendamos a la nanociencia como la rama que se encarga de
estudiar, comprender y relacionar
las propiedades físicas,
fenómenos y dimensiones del material a tamaño nanométrico. Por
otro lado, la nanotecnología busca diferentes maneras de diseñar,
fabricar, procesar, investigar e implementar los nanomateriales y
nanoestructuras en aplicaciones por sus propiedades físicas,
químicas y biológicas [2].
Las aplicaciones industriales y comerciales de los nanomateriales y
de los materiales nanoestructurados se han identificado
principalmente en los siguientes sectores: el automotriz y
aeroespacial, el de agricultura y alimentos, el de construcción, el
energético, el ambiental, el de salud y medicina, el de tecnología
de la información y comunicación, el textil y el de materiales. [3]
ANTECEDENTES
Las películas delgadas son materiales nanoestructurados de
dimensión dos, en otras palabras, estos materiales crecen en dos
dimensiones pero una se queda en tamaño nanométrico. La
deposición de películas delgadas ha sido un tema de estudio por
casi un siglo, con los primeros reportes de evaporación de películas
delgadas en los años 20’s en Cavendish [4].
La deposición de películas delgadas se puede realizar mediante el
empleo de diversos métodos generalmente divididos en dos
grupos, los de deposición a base vapor y los de crecimiento por
base líquida [2].
INTRODUCCIÓN
El estudio y producción de nanomateriales se ha venido
desarrollando por más de un siglo, teniendo los primeros
experimentos con coloides y soles por Faraday en 1857 y
Zsigmondy en 1905 [1]. Sin embargo, gracias al desarrollo de la
mecánica cuántica, la creación de técnicas microscópicas y
espectroscópicas y el desarrollo de la informática en el siglo XX, el
campo de la nanotecnología y las nanociencias ha ido emergiendo
cada vez con mayor fuerza y rapidez. El interés yace en que los
nanomateriales y nanoestructuras no sólo tienen tamaños
aproximados de 1 a 100 nanómetros (Comisión Europea COM)

* Universidad Nacional Autónoma de México, Centro de Física
Aplicada y Tecnología Avanzada, Departamento de Nanotecnología,
[email protected]
** Universidad Nacional Autónoma de México, Centro de Física
Aplicada y Tecnología Avanzada, Estudiante de Licenciatura en
Tecnología, [email protected]
El estudio de películas delgadas de óxidos metálicos resulta de
interés por las propiedades químicas, térmicas, eléctricas, ópticas,
y magnéticas. Para la generación de este tipo de nanoestructuras se
han empleado diversas técnicas como sol-gel, sputtering, rocío
pirolítico, deposición por láser pulsado, por evaporación,
deposición química en fase vapor, siendo estas las más
importantes. [5]
La técnica de deposición química en fase vapor (CVD, por sus
siglas en inglés) ofrece ventajas sobre las demás técnicas de
deposición, debido a los siguientes factores: la deposición de las
partículas en áreas extensas es uniforme, la dispersión es
homogénea y selectiva, se tiene control sobre el crecimiento y es
reproducible, además esta técnica permite el uso de precursores
líquidos, sólidos y gaseosos [6, 7]. Existen diversas técnicas de
deposición química, este trabajo se enfoca en particular en la
técnica de deposición química en fase vapor por inyección pulsada
de líquidos órgano-metálicos (PI-MOCVD por sus siglas en
inglés). Esta técnica utiliza el principio de evaporación flash, el
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cual evapora al precursor en fase líquida previniendo el cambio
químico de éste, el vapor es arrastrado por el gas acarreador (Ar),
llevándose el gas de oxidación a la cámara de deposición, donde la
reacción y deposición de la película delgada se lleva acabo. La
técnica de PI-MOCVD ofrece tasas de crecimiento altas, la
habilidad de cubrir áreas extensas, la capacidad de recubrir por
pasos y un bajo costo. [7].
Figura 1.- Esquema del equipo de PI-MOCVD [7]
El óxido de hierro es una material el cual se puede encontrar en
diferentes estructuras cristalinas, encontrando así estructuras del
tipo wustita (FeO), hematita (α-Fe2O3), maghemita (ν-Fe2O3) y la
magnetita (Fe3O4). Siendo la hematita la estructura cristalina más
estable en condiciones ambientales y la síntesis mediante técnicas
del tipo MOCVD han demostrado su deposición a temperaturas de
400-500 °C, utilizando como precursor el acetilacetonato de hierro
(III). Aunado a lo anterior, este óxido presenta propiedades
antiferromagnéticas a una temperatura menor de 260 K, catalíticas,
optoeléctricas, semiconductoras, siendo estas las más interesantes
en campos como la generación de baterías de iones de litio, celdas
solares, sensores de gas, fotocatálisis, tratamiento de agua,
separación de agua, etc. [8]
barrido, con el fin de estudiar la estructura y morfología del
material nanoestructurado previamente sintetizado mediante la
técnica de PI-MOCVD.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Se realizaron dos experimentos a diferentes temperaturas para la
síntesis de películas delgadas de óxido de hierro (III). Para cada
experimento utilizó una oblea de Si (100) como sustrato y se
preparó una solución con 0.2146 g de acetilacetonato de hierro,
como precursor, disueltos en 30 ml de tolueno, de los cuales sólo
se inyectaron 10 mililitros con una frecuencia de inyección de 2 Hz
y una longitud de pulso con una duración de 3 ms, empleando un
total de 3001 pulsos para el primer experimento y 3000 para el
segundo. La temperatura de la zona de transporte y de evaporación
en ambos experimentos fue de 280ºC, mientras que en el sustrato
fue de 800ºC y 750ºC. El tiempo de deposición para ambas
muestras fue de 25 minutos. La presión de trabajo para el primer
experimento se mantuvo en 3.32 Torr y para el segundo fue de
3.42 Torr, en ambos casos se mantuvo un flujo de Argón de 0.8
lts/min.
Una vez depositadas las películas delgadas, se extrajeron y se
realizó un análisis estructural mediante la técnica de difracción de
rayos-X por haz paralelo empleando un difractómetro Rigaku
modelo Ultima IV (Cu, λ = 1.5406 Å) con filtro Kβ, con el fin de
conocer que estructuras y fases cristalinas estan presentes en el
producto de cada experimento. También se realizó una
caracterización morfológica mediante microscopía electrónica de
barrido con un microscopío JEOL JSM5900-LV a un voltaje de
operación de 15 kV a diferentes magnificaciones.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El análisis de difracción de rayos X por haz paralelo de las
películas delgadas depositadas en un sustrato a diferentes
temperaturas identifica únicamente una fase cristalin,
correspondiente a la hematita (α-Fe2O3), en ambas muestras, la
cual tiene como archivo PDF (Powder Diffraction File)#=87-164.
Actualmente con el desarrollo del grafeno, por sus propiedades
químicas, mecánicas y electrónicas, se busca el desarrollo de
métodos de síntesis que tengan un potencial en aplicaciones como
transistores balísticos, transistores de efecto de campo, dispositivos
de interferencia cuántica y electrodos transparentes y flexibles. Sin
embargo, para aplicaciones prácticas se necesita un método el cual
sea capaz crecer directamente el grafeno en materiales con
propiedades aislantes. [9] Las técnicas de CVD tienen potencial
para el crecimiento directo del grafeno sobre aislantes como los
óxidos. Se ha reportado el uso de Cu, Ni, SiO2, MgO, zafiro y
Fe2O3 como sustratos para la deposición de láminas de dicho
material, de los cuales el óxido de hierro (III) tiene un alto
potencial para ser el sustrato del grafeno por la presencia catalítica
del hierro como elemento. [10]
En este trabajo se presenta el análisis de películas delgadas de
Fe2O3 mediante difracción de rayos-X y microscopía electrónica de
Figura 2.- Difractogramas de la películas depositadas a 750 ºC
(azul), a 800 ºC (negro) y picos de identificación de la hematita
(rojo).
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Para la película depositada a una temperatura de 750ºC se
observan picos de difracción más intensos en 33.22º y 35.7º (en la
escala 2θ) correspondientes a los planos (104) y (110) de la
estructura cristalina de hematita; el pico ubicado en 60.46º se
atribuye al sustrato de Si (100). Por otra parte la película
sintetizada a 800ºC no muestra reflexión de Bragg alguna
correspondiente al sustrato.
este tipo de estructura que tiene aplicaciones en diversos campos
como el tratamiento de aguas y dispositivos electrónicos, sino que
en trabajos futuros se pudiera emplear como sustrato para la
deposición de capas de grafeno empleando esta misma técnica. De
la misma forma, se deberá realizar un estudio termodinámico para
el conocer la interacción entre el óxido de hierro (III) y el grafeno.
El siguiente paso en la investigación será realizar el estudio
mediante la técnica de rayos-X de incidencia rasante
(reflectometría) para conocer el espesor de las películas de óxido
de hierro (III) y evaluar la superficie.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al Dr. Luis Miguel Apátiga Castro y al M.
en C. Néstor Méndez por su apoyo técnico durante la síntesis. De
igual forma, se agradece a la M. en C. Carmen Peza Ledesma por
su apoyo técnico en los análisis de MEB.
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA
Figura 3.- Imágenes obtenidas por MEB a 10000X y 15000X de
la síntesis a 750ºC (a y b) y 800ºC (c y d) respectivamente.
En el análisis morfológico mediante MEB se corrobora que en
ambas películas sintetizadas existe la presencia de una estructura
cristalina en la superficie, sin embargo se observa que la
distribución del tamaño de los cristales de Fe2O3 en las obtenidas a
750ºC tiene mayor homogeneidad, mientras que en las depositadas
a 800ºC la distribución es más heterogénea. Por lo tanto, la
dirección preferencial de la película delgada depositada a 750ºC se
puede atribuir a la distribución heterogénea anteriormente
mencionada.
Por otra parte, la diferencia de temperatura de 750ºC y 800ºC
empleada para la síntesis por PI-MOCVD, mostró un
comportamiento distinto en el tamaño de los cristales. Esta
diferencia de tamaño se relaciona con la energía superficial, debido
a que la energía de superficie es inversamente proporcional al
volumen.
Finalmente las películas delgadas no mostraron cambios de fase o
degradación composicional después de ser almacenadas durante
dos meses y mostraron estabilidad a temperatura ambiente.
CONCLUSIONES
Hasta el momento es posible concluir que se logró la síntesis de
películas delgadas nanoestructuradas de hematita (α-Fe2O3)
mediante la técnica de PI-MOCVD a dos temperaturas diferentes
750ºC y 800ºC, lo cual tiene potencial no solamente por obtener
[1] S. Read, A. Jiménez, B. Ross, R. Aitken, M. van Tongeren,
Chapter 2 – Nanotechnology and Exposure Scenarios, Handbook
of Nanosafety, 2014, pp. 17 – 36.
[2] G. Cao, Nanostructures & Nanomaterials, 2004, pp 1-7, 173177, 189-196.
[3] B. Nowack, et al. Analysis of the occupational, consumer and
enviromental exposure to engineered nanomaterials used in 10
technology sectors. Nanotoxicology, 2013, pp 1152 -1156
[4] M. Ohring, Materials Science of Thin Films. Deposition &
Structure; 2 Edición, 2002, pp 357-386.
[5] H. Pierson, The CVD of Ceramic Materiales : Oxides.
Handbook of Chemical Vapor Deposition, 2º Edición, 1999, pp
231-264.
[6] L. Apátiga, et al. Growth of Ceramic Films by Using a Novel
CDV System Based in a New Principle of Formation from MetalOrganic Precursor in Vapor Phase, Congreso Nacional de
Instrumentación.
[7] L. Apátiga, E. Rivera & V. Castaño, Nucleation and Growth of
Titania Nanoparticles Prepared by Pulsed Injection Metal Organic
Chemical Vapor Deposition form a single Molecular Precursor, J.
Am. Ceram. Soc, vol. 90, 2007, pp 932-935.
[8] M. Maneesha & D-M. Chun, α-Fe2O3 as photocatalytic
material, Applied Catalysis A: General, #498, 2015, pp 126-141.
[9] Geim AK, Novoselov KS. The rise of graphene. Nat. Mater,
vol. 6, 2007, pp 183–91.
[10] L. van Nang, E-T. Kim, Low-temperature synthesis of
graphene on Fe2O3 using inductively coupled plasma chemical
vapor deposition, Materials Letters, vol. 92, 2013, pp 437-439.
INFORMACIÓN ACADÉMICA
Narciso Roberto Martínez Lévaro: Estudiante de 6º grado en la
Licenciatura en Tecnología del Centro de Física Aplicada y
Tecnología Avanzada de la UNAM.
Eric Mauricio Rivera Muñoz Físico y Doctor en Ciencias
(Ciencia de Materiales) egresado de la Facultad de Ciencias de la
UNAM. Investigador Titular en el Centro de Física Aplicada y
Tecnología Avanzada, profesor en la Licenciatura en Tecnología y
en el Posgrado en Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UNAM.
Investigador Nacional Nivel 2.
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