University of Alicante

El grupo de investigación de Electroquímica y Fotoquímica de Semiconductores de la Universidad de Alicante posee una gran experiencia en la preparación de capas finas nanoestructuradas de óxidos semiconductores binarios de TiO₂ (rutilo o anatasa), de WO_3, de Fe₂O₃, de CuO y de ZnO a escala laboratorio. También tiene experiencia en la generación de capas finas de algunos hidróxidos de interés (Ni(OH)₂, Co(OH)₂), de algunos óxidos ternarios (perovskitas y espinelas fundamentalmente), y en la generación de capas mixtas (de varios óxidos, de óxido-calcogenuro, de óxido-hidróxido, de óxido-metal).

La preparación de los óxidos semiconductores se puede hacer sobre diferentes tipos de sustratos (incluso sobre aquellos que son flexibles), y por diferentes métodos, entre los que cabe destacar:

• Electroquímica;

• Depósito químico (baño químico, síntesis solvotermal, síntesis hidrotermal);

• Sol-gel;

• Electrohilado;

• Anodizado;

• Electroforesis;

• “Spin-coating” y “Dip-coating”;

• “Doctor-blading”.

Las capas obtenidas pueden ser transparentes o no, en función de si dispersan la luz. Esta característica depende, entre otros factores, del tamaño de partícula del material semiconductor, del grado de agregación, del espesor, etc, por lo que es, en cierta medida, modificable. Además, para determinadas aplicaciones, las capas nanoestructuradas de óxido pueden modificarse con otro tipo de partículas para lograr su funcionalidad o mejorar sus propiedades.

El grupo lleva más de quince años trabajando con este tipo de materiales, por lo que es capaz de caracterizarlos en detalle tanto a nivel de estructura, como de composición, o por sus propiedades electroquímicas y fotoelectroquímicas. Para ello utiliza, técnicas disponibles en los Servicios Técnicos de Investigación de la Universidad de Alicante (microscopía electrónica (de barrido y transmisión), difracción de rayos X, XPS…) en combinación con otras técnicas disponibles en el Instituto Universitario de Electroquímica (espectroscopía IR, Raman), junto con otras propias del grupo de investigación (UV-Vis, fluorescencia, ángulo de contacto, perfilometría, técnicas (foto)electroquímicas). Cabe mencionar, que el grupo dispone de diversas fuentes de iluminación, incluyendo un simulador solar y potenciostatos para llevar a cabo las medidas (foto)electroquímicas.  

SECTORES DE APLICACIÓN

En la actualidad, es posible emplear recubrimientos de óxidos semiconductores nanoestructurados para diversas aplicaciones tecnológicas de interés, tales como:

1. DISPOSITIVOS FOTOCRÓMICOS O ELECTROCRÓMICOS: las capas fotocrómicas varían su coloración en función de la luz que incide sobre ellas. Cuando se aplican sobre un vidrio, es posible fabricar ventanas fotocrómicas. Éstas son capaces de oscurecerse (de forma reversible) en presencia de luz, disminuyendo la intensidad luminosa que pasa a su través, y volviendo a ser incoloras-transparentes cuando se retira dicho estímulo de luz.




En particular, el WO₃ posee la capacidad de variar su coloración (de amarillo a azul) debido a la acumulación de electrones fotogenerados. Por tanto, este tipo de capas pueden ser empleadas para controlar la cantidad de luz y/o calor que pasa a través de una ventana (“smart windows”), o para tintar cristales en función de las condiciones medioambientales.

Como se ha mencionado, el cambio de coloración se debe a un proceso de oxidación-reducción que puede verse como un proceso de inserción (H, Li) y, por lo tanto, desde un punto de vista práctico, se puede modular controlando el potencial. Surgen así los dispositivos electrocrómicos.













En el caso de los dispositivos electrocrómicos, el sustrato ha de ser conductor.

2. GENERACIÓN DE SUPERFICIES AUTOLIMPIANTES: aprovechan las propiedades fotocatalíticas de los óxidos semiconductores. Bajo iluminación con luz suficientemente energética, se pueden generar pares electrón/hueco. Los huecos (especies altamente oxidantes), se emplean en la degradación de la materia orgánica depositada sobre la superficie, mientras que los electrones se emplean en la reducción del oxígeno del aire. Esta aplicación, en principio, se puede extender a todo tipo de sustratos sólidos:

• Materiales de construcción.

• Vidrio.

• Electrodomésticos.

• Etc.

3. CREACIÓN DE SUPERFICIES SUPERHIDROFÍLICAS: algunos semiconductores como el TiO₂, cuando son tratados con luz UV (entre otros métodos), son capaces de generar superficies con una gran afinidad por el agua, dando lugar a un ángulo de contacto extraordinariamente pequeño. De este modo, es posible la preparación de superficies que no se empañan o en las cuales no se acumula el agua en forma de gotas. Esta tecnología se puede aplicar a:

• Todo tipo de cristales.

• Espejos.

• Vidrios.

• Etc.

4. ELECTRODOS PARA SUPERCONDENSADORES Y BATERÍAS DE SODIO TRIDIMENSIONALES: la capacidad de diversos óxidos para insertar de manera reversible Na⁺ con una gran capacidad de almacenamiento de carga, los hace especialmente interesantes como candidatos para constituir electrodos (tanto negativos como positivos) de baterías de sodio tridimensionales o de supercondensadores.

5. DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS: las células solares de colorante, también conocidas como células de Grätzel, pueden presentar ciertas ventajas respecto a las células solares convencionales de silicio, como son el menor precio y la flexibilidad. Frente a su configuración habitual, en las que el TiO₂ está sensibilizado por un colorante, cabe la posibilidad de emplear puntos cuánticos (QDs) para tal fin.

En principio, las células solares híbridas de puntos cuánticos tienen importantes ventajas frente a las de colorantes, como son una alta termoestabilidad, menor coste de fabricación y posibilidad de modulación de la posición de las bandas y del espectro de absorción en función del confinamiento cuántico. Sin embargo, debido a su fotocorrosión en presencia del par rédox habitual (I₃^-/I^-), se requiere una alternativa a los electrolitos típicos de las células de colorante, por ejemplo, el empleo de un polímero o material molecular conductor de huecos (HTM). Adicionalmente, resulta ventajoso el empleo de TiO₂ nanoestructurado de forma regular.

6. CÉLULAS FOTOELECTROQUÍMICAS PARA LA GENERACIÓN DE HIDRÓGENO a partir de agua (proceso conocido como “water splitting”). En esta aplicación se utiliza el poder oxidante de los huecos fotogenerados para llevar a cabo la oxidación del agua y el poder reductor de los electrones fotogenerados para llevar a cabo la reducción del agua y por lo tanto, la generación de hidrógeno. Para ello es posible utilizar diferentes configuraciones de capas finas según se indica en la figura.

Este tipo de dispositivos también pueden emplearse para llevar a cabo otros procesos fotosintéticos. De especial interés es la reducción del CO₂ (que conduce a la generación de combustibles (metanol, formaldehido…)) acoplado con la oxidación del agua y la correspondiente generación de oxígeno.

Este tipo de dispositivo está siendo objeto de estudio en el grupo de investigación.

7. SENSORES:

• Humedad.

• Gases.

Entre las principales ventajas de estos óxidos semiconductores está;

1) Su estructura de bandas, con un intervalo de energía prohibida (gap) por encima de 1,5 eV, y en muchas ocasiones, por encima de 3 eV. Pueden, por tanto, absorber eficientemente la luz solar o ser transparentes a la luz visible, constituyendo una buena alternativa a otros compuestos  semiconductores como el GaN (más costosos de obtener con una buena calidad).

2) Presentan una conductividad eléctrica relativamente elevada debido a la presencia de vacantes de oxígeno que aportan donadores al semiconductor.

3) Son materiales fáciles de obtener y, por tanto, baratos frente a los semiconductores compuestos. La morfología, el grado de dopado y el espesor de las capas pueden ser controlados en buena medida.

4) Son materiales respetuosos con el medioambiente y no necesitan sustratos especialmente puros y libres de defectos sobre los que crecer.

5) Presentan larga durabilidad y buenas propiedades mecánicas.

El grupo posee experiencia en la preparación de capas finas nanoestructuradas de óxidos semiconductores mediante diferentes metodologías: electroquímicas, depósito químico, electroforesis, “spin-coating”, “dip-coating”, “doctor blading”, entre otras. Algunas de estas metodologías requieren de la preparación previa de las nanopartículas objeto de estudio, otras permiten el crecimiento directamente sobre el sustrato. Estas metodologías suelen ir acompañadas a menudo por un tratamiento térmico (el cual puede realizarse en diferentes tipos de atmósfera). Combinando los diferentes parámetros sintéticos se obtienen capas finas nanoestructuradas en las que se puede variar la morfología de la nanopartícula, el grado de dopado del semiconductor y obviamente, el espesor de la capa fina. El diseño adecuado y control de estas propiedades permite la optimización de las capas finas para su aplicación final.

Por otro lado, el grupo posee experiencia tanto en la caracterización de estas capas. Para ello, recurre a técnicas de caracterización clásicas ex situ (difracción de rayos, microscopía…) y medidas fotoelectroquímicas (estacionarias y no estacionarias) de fotocorriente y de fotopotencial, complementadas con medidas de impedancia. Además, destaca por el uso de un buen número de técnicas espectroscópicas in situ, que permiten llevar a cabo la caracterización de las capas finas durante las medidas (foto)electroquímicas (Espectroscopías UV-Vis, fluorescencia, Raman intensificado en superficie y de resonancia, Infrarroja (ATR-FTIRS), DEMS). Este tipo de medidas combinadas, permiten dar especificidad a las medidas (foto)electroquímicas, y son particularmente relevantes en que aquellos casos que existen procesos competitivos.

La larga trayectoria investigadora del grupo lo ha consolidado como uno de los grupos pioneros a nivel mundial respecto a la preparación y caracterización de capas finas nanoestructuradas de óxidos semiconductores con aplicaciones en diversos sectores industriales.

Su experiencia, tanto en proyectos públicos como privados, avalan el éxito industrial de cualquier proyecto que inician, estando la tecnología lista para ser transferida al entorno socioeconómico.

1. Dispositivos fotocrómicos o electrocrómicos

2. Generación de sueperficies autolimpiantes

3. Creación de superficies superhidrofílicas 

4. Electrodos para supercondensadores y baterás de sodio tridimensionales

5. Dispositivos fotovoltaicos 

6. Células fotoelectroquímicas par la generación de hidrógeno

7. Sensores:

• Humedad.

• Gases.

El grupo de investigación busca empresas/organismos para:

• Realizar informes técnicos y asesoría científica a la empresa.

• Ofrecer formación específica en temas relacionados con la síntesis y/o caracterización de capas finas nanoestructuradas de óxidos semiconductores con diversas aplicaciones (formación de personal científico y técnico mediante la organización de cursos de especialización, seminarios, jornadas técnicas, etc.).

• Ofrecer apoyo tecnológico en aquellas técnicas que requieren una alta capacitación o instrumental sofisticado que no esté al alcance de la empresa solicitante.

• Intercambio de personal por períodos de tiempo definidos (para el aprendizaje de una técnica, puesta en marcha de un proceso, etc.).

• Establecer proyectos de I+D+i con organismos de investigación (públicos o privados), con el objetivo de abrir nuevas líneas de investigación.

La tecnología se encuentra protegida bajo el know-how del grupo de investigación.

Construction and Architecture
Materials and Nanotechnology
Chemical Technology
Transport and Automotive