Fabricación de materiales amorfos y
policristalinos con la ruta sol-gel 

J. Castañeda-Contreras 

Centro Universitario de Los lagos, Universidad de Guadalajara 



Resumen 

El proceso sol gel es una ruta química que permite fabricar materiales amorfos y policristalinos de forma relativamente sencilla. Se pueden obtener nuevos materiales que por los métodos tradicionales de fabricación son muy difíciles de obtener, tales como combinaciones de óxidos (SiO2,TiO2, ZrO2, etc.), además de poder contaminarlos con iones de tierras raras ó colorantes orgánicos. Las estructuras únicas, micro estructuras y compuestos que pueden hacerse con el proceso sol-gel abren muchas posibilidades para aplicaciones prácticas, por nombrar algunas tenemos la fabricación de componentes ópticos, preformas para fibras ópticas, recubrimientos dieléctricos, superconductores, guías de onda,  nanopartículas, celdas solares, etc.  

Palabras clave: 

Sol gel, SiO2, TiO2, erbio. 

1. Introducción 

El proceso sol-gel permite la fabricación de materiales amorfos y policristalinos con características especiales en su composición y propiedades. Su utilidad radica en que necesita menor temperatura en comparación con los métodos tradicionales de fabricación de vidrios por fusión. El sol-gel es una ruta química que inicia con la síntesis de una suspensión coloidal de partículas sólidas o cúmulos en un líquido (sol) y la hidrólisis y condensación de éste sol para formar un material sólido lleno de solvente (gel). El solvente se le extrae al gel simplemente dejándolo reposar a temperatura ambiente durante un periodo de tiempo llamado envejecimiento, en el cual el gel se encogerá expulsando el solvente y agua residual[1]. Al término del tiempo de envejecimiento, por lo general aún se tienen solventes y agua en el material, además de que el tamaño del poro es considerable. Para solucionar esto, el material se somete a un tratamiento térmico, al final del cual obtendremos nuestro material en forma de monolito o de película delgada.  El proceso sol-gel se esquematiza en la figura 1. 

Figura 1. Esquema del proceso sol gel

2. Fabricación de nuevos materiales 

Hoy en día se están desarrollando materiales amorfos y policristalinos con aplicaciones luminiscentes. En  general, el objetivo que se persigue es la obtención de materiales que al ser excitados con una fuente de energía radiante, emitan luminiscencia con longitudes de onda que sean útiles para aplicaciones específicas, tales como emisión láser, almacenamiento óptico de información, comunicaciones, marcadores biológicos, etc. En este contexto, la ruta sol-gel representa una opción promisoria para la elaboración de nuevos materiales, debido a las ventajas en costos que presenta en relación con los métodos tradicionales de fabricación, en los que por lo general se emplea la fusión de los constituyentes del material.  La ruta sol-gel, por el contrario, se basa en una mezcla de reactivos líquidos a nivel molecular, la cual permite obtener materiales incluso a temperatura ambiente contaminados con iones de tierras raras ó colorantes orgánicos, nanopartículas, etc. Los iones de tierras raras ó lantánidos se emplean en una gran variedad de aplicaciones tecnológicas basadas en la interacción de la luz con la materia. Esto es posible debido a las propiedades de la subcapa parcialmente llena de electrones 4f, donde se producen transiciones radiativas en un rango que comprende del visible al cercano infrarrojo. Los electrones 4f están escudados por las subcapas de electrones más externas, aunque menos energéticas 5s y 5p, las cuales evitan que los electrones 4f participen directamente en la formación de enlaces con otros átomos y sean perturbados por la red cristalina. Esto origina una serie de propiedades que hacen particularmente útiles a los iones de tierras raras en matrices amorfas o cristalinas: Sus espectros de absorción y emisión consisten en una serie de líneas con un ancho espectral muy angosto; sus estados excitados pueden tener tiempos de vida muy largos (del orden de milisegundos) y las transiciones son perturbadas muy poco por la naturaleza del material que hospeda a los iones [2]. 

El ion de erbio (Er3+) como contaminante en matrices amorfas y cristalinas se usa principalmente como elemento activo en láseres con diferentes longitudes de onda de emisión y en amplificadores ópticos porque una de sus emisiones de luminiscencia (1.54 _VP_EQN_0.GIFm) coincide con la ventana de máxima transmisión para fibras ópticas basadas en silicio [2]. 

Al irradiar con luz de baja energía (generalmente cercano y medio infrarrojo) a materiales contaminados con iones de erbio, bajo ciertas condiciones se genera luminiscencia con mayor energía (visible y ultravioleta cercano). Los mecanismos de excitación que producen luminiscencia con éstas características se les denomina procesos de conversión hacia arriba y entre los más eficientes para el caso del Er3+ tenemos la absorción de estados excitados (ESA por sus siglas en inglés) y los procesos por transferencia de energía de relajación cruzada y conversión hacia arriba de frecuencia [3]. 

Los procesos de transferencia de energía entre iones de erbio  han generado gran interés por sus posibles aplicaciones tales como el desarrollo de láseres compactos y eficientes que emitan en el visible y en el UV. Se están buscando materiales que permitan obtener emisión láser a menores longitudes de onda, los cuales permitirán mayor capacidad de almacenamiento. Se han reportado emisiones del Er3+ en las longitudes de onda del azul, verde y rojo [4,5], los cuales son los colores básicos que en teoría permiten la obtención de un fósforo de luz blanca, el cual tendría importantes aplicaciones en el desarrollo de pantallas para monitores. Se ha encontrado que las propiedades luminiscentes del Er3+ pueden cambiar como resultado de interacciones con el ambiente. De esta manera se pueden fabricar sensores. Dependiendo de las condiciones de fabricación y de las concentraciones de los reactivos, se pueden obtener diferentes espectros de emisión del Er3+, permitiendo utilizar los materiales contaminados con este ion como un código de seguridad en identificaciones o incluso en billetes, códigos de barras, cheques, etc. Se aplica el material contaminado con erbio como una película delgada o se puede aplicar en papel u otro material utilizando la técnica de inyección de tinta de las actuales impresoras. Al hacérsele incidir un haz láser infrarrojo de 980 nm, los cuales ya están disponibles comercialmente, el objeto emitirá a longitudes de onda muy específicas, estas se analizarán con un espectrógrafo portátil, permitiendo comprobar la validez del objeto en cuestión. Otra importante aplicación de la conversión hacia arriba del Er3+ se tiene en el área de las celdas solares. Actualmente existe gran interés en el desarrollo y mejora de fuentes de energía alternas a los combustibles fósiles, donde las celdas solares han sido una opción, aunque adolecen de bajo rendimiento. Esto se debe a que los materiales de algunas celdas solo utilizan la región visible y UV del espectro de la luz solar, mientras que la porción del infrarrojo no interviene en la conversión de luz-electricidad. De esta manera, una posible aplicación sería el estudio de la inclusión de iones de erbio en una celda solar, donde se trataría de mejorar la eficiencia utilizando la conversión hacía arriba del Er3+.  

En las matrices sol-gel basadas en TiO2-SiO2, se ha reportado la obtención de fases cristalinas del TiO2 a concentraciones altas del precursor de titanio y con temperaturas altas de secado – densificado. Esto favorece la separación de fases del TiO2-SiO2 y la cristalización del TiO2. La anatasa y el rutilo son las fases cristalinas del TiO2 obtenidas con tratamientos térmicos de los materiales con bajas y altas temperaturas, respectivamente.  La anatasa se puede obtener para el caso de materiales sol-gel de titanio puro, con temperaturas del orden de los 350-400°C;  mientras que el rutilo comienza a generarse a partir de los 600°C. En el caso específico del rutilo, C. Coutier et. al. [6], han observado esta fase cristalina en películas delgadas de TiO2-SiO2-Er3+ con concentraciones de TiO2 mayores del 20% at. y reporta que con un incremento en la temperatura de densificado de 1000 a 1100°C, se favorece grandemente la cristalización  del TiO2. Se ha reportado que la adición de iones de tierras raras inhibe la transformación de anatasa a rutilo. Coutier así mismo expone que con concentraciones altas del Er3+ (5% at.) y altas temperaturas de secado - densificado, es posible obtener TiO2 en forma de rutilo. La razón de esto es que a concentraciones bajas del Er3+, los iones pueden permanecer distribuidos homogéneamente en la matriz de TiO2-SiO2. Entonces si se presenta una separación de fases, es muy probable que el Er3+ afecte la cristalización del titanio e inhiba la transformación de anatasa a rutilo. Para concentraciones mayores del erbio, los iones  son capaces de formar aglomerados debido a su poca afinidad con el SiO2. Estos aglomerados forman regiones ricas en erbio en la matriz; mientras que otras literalmente quedan vacías de éste ion. Es en estas regiones carecientes de Er3+, donde al tomar lugar la separación de fases de TiO2-SiO2 y la subsecuente cristalización del TiO2, ésta debe ser menos afectada por los iones de erbio y permitirá la formación de cristales de rutilo. 

3. Conclusiones. 

Aunque el proceso sol-gel no es nuevo, todavía se desconocen la totalidad de los mecanismos involucrados, los cuales influyen en la estructura y propiedades de los materiales [1]. No obstante, se han realizado importantes avances en aplicaciones del sol-gel [7], tales como materiales para óptica no lineal, donde se desarrollan nuevos compuestos basados en polímeros no lineales y combinaciones de óxidos. También es posible incorporar colorantes orgánicos en matrices de sol-gel.  Se pueden obtener nuevos materiales amorfos y policristalinos que no pueden fabricar fácilmente por otros medios, tales como combinaciones de TiO2-SiO2, V2O5-SiO2, etc [8]. A estos materiales se les pueden adicionar iones de tierras raras para aplicaciones en comunicaciones, láseres, sensores, desplegados, etc. 

4. Referencias. 

[1]    C. J. Brinker, G. W.. Scherer, “Sol-Gel Science”. Academic Press, Boston USA. (1990) 

[2]    E. Desurvire. “Erbium-Doped Fiber Amplifiers”. (1996). 

[3]    M. Pollnau “Population Mechanisms in Erbium-Doped Solid-State Lasers” Ph.D. Dissertation. Bern, Switzerland (1996) 

[4]    J. Castañeda-Contreras, M. A. Meneses Nava, O. Barbosa G., E de la Rosa, J. Francisco M. Journal of Luminescence. 102-103 . pp 504-509. (2003). 

[5]    J. Castañeda-Contreras, M. A. Meneses Nava, O. Barbosa J. L. Maldonado,, J. Francisco M. Journal of Optical materials Vol 27. pp 301-305. (2004) 

[6]    C. Coutier, M. Audier, J. Fick, R. Rimet, M. Langlet, “Aerosol-gel preparation of optically active layers in the system Er/SiO2-TiO2Thin Solid Films 372, 177 (2000). 

[7]    J. D. Mackenzie,  D. Ulrich, “Sol-gel optics, present status and future trends.” SPIE Vol. 1328. (1990). 

[8]    L. C. Klein. “Sol-gel technology for thin films, fibres, preforms, electronics and special shapes”. Noyes publications. USA (1998).