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Cuando se trata de materiales semiconductores, Si y GaN son los grandes actores. Sin embargo, dependiendo de a quién le pregunte, siempre es bueno mantener abiertas sus opciones. Un material que sigue apareciendo en los estudios de investigación es el óxido cuproso (u óxido de cobre (I)).

Conductividad térmica de diferentes materiales. Imagen utilizada por cortesía de Plansee

El óxido cuproso fue uno de los primeros materiales que se encontró que tenía propiedades semiconductoras. Este artículo explora algunos beneficios y usos de este material único.

¿Qué es el óxido cuproso / de cobre?

El óxido cuproso es un semiconductor conocido por su variedad de bandas prohibidas que van desde 2,0 a 2,2 eV y sus propiedades fotovoltaicas. Como óxido de cobre tipo p con la fórmula química Cu2O, puede existir como una película delgada o una nanopartícula, ofreciendo características físicas novedosas útiles para la investigación fundamental debido a sus bajos costos.
Durante las últimas décadas, los investigadores han identificado varios métodos para sintetizar óxido cuproso. Algunas técnicas descubiertas son:
Incluso con una investigación extensa, un obstáculo importante al emplear la mayoría de estos métodos es producir una fase de mezcla de Cu, CuO y Cu2O, lo que da como resultado una aplicación escasa de óxido cuproso como semiconductor.

Preparación de óxido cuproso (Cu2O) mediante pulverización catódica reactiva ((a) Película de Cu (100% Ar), (b) Película de Cu2O (95: 5), (c) Película de Cu2O (90:10) y (d) Película de Cu2O (80 : 20)). Imagen utilizada por cortesía de Dolai et al.

A pesar de esta deficiencia en las aplicaciones, tiene un uso potencial en celdas solares, electrónica transparente, electrodos de baterías de litio recargables y memristores.

Investigación sobre las propiedades electrónicas del óxido cuproso

Se han realizado investigaciones con el óxido cuproso, es decir, para conocer sus propiedades electrónicas y su potencial como material semiconductor.
Un equipo de investigación informó la mejora de sus propiedades ópticas para aplicaciones en fotocatálisis y dispositivos sensores cuando está dopado con 12,5% de zinc. Según otro grupo, doparlo en un elemento F concentrado al 0,34% reduce su banda prohibida a 1,91 eV desde 1,96 eV. Sin embargo, aumenta su fotovoltaje y densidad de fotocorriente a 0,4457 V y 2,79 mA / cm2, respectivamente.
Otros estudios notables incluyen:
Estos sirven como indicaciones de que existen mejoras constantes en las propiedades del óxido cuproso que pueden ampliar su rango de aplicaciones.

Aplicaciones tecnológicas

Las principales aplicaciones del óxido cuproso en la electrónica incluyen supercondensadores, baterías de iones de litio, fotocatálisis, conversión de energía solar y aplicaciones de detección. Aunque estas aplicaciones, actualmente, son limitadas, aún vale la pena explorarlas.

Supercondensadores y electrodos para baterías de iones de litio
El óxido cuproso es adecuado para su uso como material de ánodo en baterías de iones de litio debido a su estructura controlable, formas polimórficas y alta capacidad cíclica.

Fotocatálisis y conversión de energía solar
Debido a la abundancia de cobre y oxígeno en la naturaleza, la banda prohibida apropiada para la absorción de luz visible y la fabricación relativamente fácil y económica, el óxido cuproso es adecuado para la conversión de energía solar a gran escala.

Sintiendo
Las películas delgadas de óxido cuproso se pueden utilizar para la detección de gases adsorbiendo moléculas de gas en su superficie, lo que provoca un cambio notable de conductividad eléctrica. Precisamente, el óxido cuproso sintetizado por oxidación térmica puede detectar el gas metano en tiempos de alta sensibilidad, respuesta rápida y recuperación.

Imagen de conversión de energía solar con óxido cuproso. Imagen utilizada por cortesía de Wick y Tilley.

Comparación del óxido cuproso con Si y GaN

La siguiente tabla muestra una comparación entre las propiedades de los semiconductores mencionadas anteriormente.

Óxido cuproso
Si
GaN
Estructura cristalina
Estructura de cristal cúbico
Estructura de cristal cúbico de diamante
Estructura de cristal de wurtzita
Bandgap
2.137 eV
1,1 eV
3,2 eV
Movilidad de electrones
100 cm2 / Vs
1500 cm2 / Vs
2000 cm2 / Vs

El análisis de la tabla anterior confirma que los tres semiconductores tienen diferentes estructuras cristalinas como resultado de las diferencias en sus celdas unitarias. Una banda prohibida alta para GaN implica que requiere mayor energía para excitar los electrones de valencia en la banda de conducción del semiconductor. Sin embargo, el óxido cuproso y el Si, con un intervalo de banda relativamente más bajo, requieren menos energía, lo que los convierte en la opción preferida si el intervalo de banda es el factor decisivo.
En general, el óxido cuproso parecía estar en desventaja sobre los otros dos cuando se considera la movilidad de los electrones, lo que significa que los electrones se mueven más rápido en Si y GaN. A pesar de este revés, con más investigación, el óxido cuproso podría tener potencial, dependiendo de su aplicación.

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¿Cuál es su reacción al ver nuevas investigaciones sobre semiconductores? ¿En qué momento la investigación se vuelve "real" para usted como ingeniero? Comparta sus pensamientos en los comentarios a continuación.