Propiedades ópticas de silicio poroso nanoestructurado

Abstract

In this work, studies of nanostructured porous silicon thin films single layers and complex multilayers (photonic crystals) are presented, aimed to applications in the field of chemical and biochemical sensors, taking advantage on the optical and structural properties of this material. In order to obtain appropriate porous silicon thin films different fabrication techniques were examined. Based on the fitting of optical reflectance and transmittance spectra with optical transference matrices and effective media theories, different characterization methods for the fabricated layers were developed. The comparison between the results of the fitting procedure and Scanning Electron Microscopy images indicates that the adopted method is adequate to study the prepared films. Photonic sensors with porous silicon multilayers were fabricated to optimize the sensing system optical response, giving to the device one of the most important properties required by a sensor: sensitivity. Other relevant advantage of the devices designed was the short response time which allows measurements that could be taken in a matter of milliseconds. In the optofluidic field, an optical technique to interpret the filling dynamics of different liquids inside porous silicon layers is presented. This method has the flexibility to works as nanofluidic sensor, and also the capability to characterize the porous matrix morphology as well. Finally, using Factor Analysis, a study on the stabilization of nanostructured porous silicon thin films through the analysis of the oxidation kinetics is presented. From the evolution of FTIR spectra in time, information about the dominant microscopic structures of the material was obtained.

Se presentan estudios de películas delgadas simples y multicapas complejas (cristales fotónicos) de silicio poroso nanoestructurado para aplicaciones directas en el área del sensado de especies químicas y biológicas, aprovechando las ventajas que ofrecen las propiedades ópticas y estructurales de este material. Fueron examinados distintos procesos de fabricación para obtener películas aptas con fines de estudio. Se desarrollaron métodos de caracterización óptica de las películas fabricadas, basados en ajustes de mediciones de espectros de reflectancia y transmitancia, empleando teorías de medio efectivo y de matrices de transferencia óptica. La comparación de estos resultados con mediciones de microscopia de barrido electrónico indican que los métodos adoptados son adecuados para el estudio de las capas fabricadas. Se fabricaron sensores fotónicos con multicapas de silicio poroso cuyas respuestas ópticas optimizan el sistema de sensado, otorgando al dispositivo una de las propiedades más importantes para un sensor: la sensibilidad. Otra ventaja de los dispositivos construidos, es el pequeño tiempo de respuesta, que permite realizar mediciones en milisegundos. Se expone una técnica de medición óptica para interpretar la dinámica de llenado de diferentes líquidos dentro de películas de silicio poroso, flexible para funcionar como sensor nanofluídico, y además, la capacidad de caracterizar la morfología de las matrices porosas. Se describe un estudio de la estabilización de películas de silicio poroso mediante el análisis de la cinética de oxidación, utilizando el análisis de factores. Con la evolución temporal de los espectros FTIR se obtuvo información acerca de las estructuras microscópicas dominantes que componen el material.