Caracterización óptica, eléctrica y fotovoltaica de nanopartículas de ferrita de bismuto (α-BiFeO3), producido por combustión en solución

Abstract

El presente trabajo de investigación muestra la caracterización óptica, eléctrica y fotovoltaica de polvos de Ferrita de Bismuto (BiFeO3), semiconductor con estructura tipo perovskita y grupo espacial R3c, con el propósito de reproducir el efecto fotovoltaico en un material multiferroico. La síntesis fue realizada por medio del método de combustión en solución empleando urea y glicina como combustibles sólidos. Se analizó el material a diferentes temperaturas de tratamiento térmico, logrando una mejor cristalinidad de los polvos de BiFeO3 a 600°C. A través de la caracterización por difracción de rayos X (DRX), se observó que se obtuvo la fase BiFeO3 pura; por espectroscopia de rayos X por dispersión en energía (EDS), se identificaron la presencia de todos los elementos que los componen Bi (19.58 ± 0.42%), Fe (21.70 ± 1.70%) y O (58.72 ±1.28%) respectivamente como mejores resultados; mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), se obtuvieron las imágenes microscópicas del material, que presentan un crecimiento de nanopartículas en forma elípticos y hexagonales en base al incremento de tratamiento térmico y por microscopia electrónica de transmisión (TEM) se confirma las presencia de nanopartículas, con tamaños aproximadamente entre 40 - 100 nm. Con distancias interplanares entre 1.71 - 2.64 Ȧ. En la caracterización óptica, por medio de espectroscopia UV-Visible, se encontró la banda prohibida (Band Gap) en los polvos de BiFeO3 en el rango de 2.14 – 2.48 eV, las cuales presentan una fuerte absorción de longitud de onda entre 400 – 525 nm de la luz visible. En la caracterización eléctrica para la curva densidad de corriente y voltaje (J-V) mostró una gráfica lineal donde se encontró un voltaje de circuito abierto VOC = 3,4 V, los valores de resistencia y resistividad obtenidos mediante el método de 4 puntas se encuentran en el rango de los semiconductores 108 - 10−3 Ω.cm., obteniendo como mejor resultado ρ = 0.48×106 Ω.cm. El efecto fotovoltaico se midió mediante la adquisición de las características de corriente - intensidad bajo una iluminación de un láser con una longitud de onda de 405 nm. (hυ = 3.06 eV), generando una corriente de 0.2 nA.

This research paper shows the optical, electrical and photovoltaic characterization of Bismuth Ferrite powders (BiFeO3), semiconductor with perovskite type structure and R3c space group, with the purpose of reproducing the photovoltaic effect in a multiferroic material. The synthesis was carried out by means of the combustion method using urea and glycine as solid fuels. The material was analyzed at different heat treatment temperatures, achieving a better crystallinity of BiFeO3 powders at 600 °C. Through characterization by X-ray diffraction (DRX), it was observed that the pure BiFeO3 phase was obtained; by X-ray spectroscopy by energy dispersion (EDS), the presence of all the elements that compose them Bi (19.58 ± 0.42%), Fe (21.70 ± 1.70%) and O (58.72 ± 1.28%) respectively were identified as better results; by scanning electron microscopy (SEM), the microscopic images of the material were obtained, which show an elliptical and hexagonal nanoparticle growth based on the increase in heat treatment and by transmission electron microscopy (TEM) the presence of nanoparticles is confirmed , with sizes approximately between 40 - 100 nm. with inter-planar distances between 1.71 – 2.64 Ȧ. In the optical characterization, by means of UV-Visible spectroscopy, the prohibited band (Band Gap) was found in the BiFeO3 powders in the range of 2.14 - 2.48 eV, which have a strong wavelength absorption between 400 - 525 nm. of visible light. In the electrical characterization for the current density and voltage (J - V) curve, it showed a linear graph where an open circuit voltage VOC = 3.4 V was found, the resistance and resistivity values obtained by the 4-point method are found in the range of semiconductors 108 and 10-3 Ω.cm., obtaining the best result ρ = 0.48 × 106 Ω.cm. The photovoltaic effect was measured by acquiring the current-intensity characteristics under a laser illumination with a wavelength of 405 nm. (hυ = 3.06 eV), generating a current of 0.2 nA.