El sulfuro de zinc cúbico (ZnS) es un conocido material semiconductor de rango II-VI que ha atraído gran atención debido a su amplio intervalo de banda, excelente transmisión infrarroja y propiedades luminiscentes únicas. Cristaliza en la estructura de blenda de zinc, un cristal prototipo para muchos otros semiconductores. Gracias a su combinación de transparencia óptica, alta calidad electrónica y estabilidad estructural, el ZnS cúbico es ampliamente considerado como un material con un gran potencial en semiconductores, óptica infrarroja y dispositivos optoelectrónicos avanzados.
¿Qué es el sulfuro de zinc cúbico?
El sulfuro de zinc cúbico es una forma de cristal de ZnS, compuesto por átomos de azufre y zinc que forman una red cúbica centrada en las caras. Las dos redes se interpenetran con un desplazamiento relativo de un cuarto de la diagonal del cuerpo. En esta estructura cristalina, los átomos de azufre se disponen en empaquetamiento cúbico compacto, y los átomos de zinc ocupan la mitad de los huecos tetraédricos formados por los átomos de azufre. El ZnS cúbico es el compuesto más representativo con la estructura de blenda de zinc; por lo tanto, esta estructura también se conoce como estructura cúbica de ZnS.
El sulfuro de zinc (ZnS) es un compuesto inorgánico que se puede utilizar como material semiconductor, material óptico infrarrojo y fósforo. El ZnS es un semiconductor intrínseco de los grupos II-VI con una amplia banda prohibida y excelentes propiedades ópticas. Presenta baja dispersión en la región infrarroja y exhibe fluorescencia y electroluminiscencia, lo que lo hace adecuado para aplicaciones como ventanas infrarrojas, láseres, sensores y pantallas planas.
Estructura cristalina del ZnS
El sulfuro de zinc existe en dos polimorfos: la fase α (estructura de wurtzita, α-ZnS hexagonal) y la fase β (estructura de blenda de zinc, β-ZnS cúbico). La fase cúbica es estable a bajas temperaturas, mientras que la fase hexagonal es la modificación a alta temperatura. El calentamiento del ZnS cúbico puede provocar una transformación de fase a ZnS hexagonal. El ZnS se encuentra comúnmente en forma de blenda de zinc, lo que lo hace abundante en recursos minerales. Cabe destacar que el ZnS cúbico presenta una banda prohibida de aproximadamente 3,66 eV, mayor que la de muchos semiconductores convencionales, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren alta transparencia en las regiones visible e infrarroja.
Métodos de síntesis
Se han desarrollado diversos enfoques para obtener la fase de blenda de zinc del ZnS con morfología controlada y alta pureza:
- Síntesis hidrotermal: Esta técnica permite el crecimiento de cristales y microesferas huecas de alta calidad. Los materiales resultantes suelen presentar fotoluminiscencia en las regiones azul y verde, lo cual resulta valioso para aplicaciones ópticas.
- Síntesis hidrotermal asistida por microondas: Al combinar la química del estado sólido con la irradiación de microondas, los investigadores pueden producir rápidamente nanoestructuras monodispersas que exhiben una actividad catalítica y óptica mejorada.
- Síntesis en estado sólido: El ZnS puro en fase cúbica se puede preparar incluso a temperatura ambiente, mostrando un borde de absorción desplazado al azul y una excelente transparencia infrarroja.
- Métodos en fase de vapor: Técnicas como la deposición química de vapor (CVD) y el transporte químico de vapor (CVT) se emplean con frecuencia para el crecimiento de películas delgadas y monocristales, lo que las hace especialmente adecuadas para dispositivos electrónicos y optoelectrónicos.
Compuestos con estructura de blenda de zinc
La estructura de blenda de zinc se observa ampliamente en muchos materiales de importancia tecnológica. Los semiconductores III-V, como el arseniuro de galio (GaAs), el antimoniuro de indio (InSb), el fosfuro de galio (GaP) y el antimoniuro de galio (GaSb), cristalizan en esta forma. Otros ejemplos incluyen el nitruro de boro cúbico (c-BN), el carburo de silicio cúbico (β-SiC) y los haluros de cobre(I) como CuCl, CuBr y CuI. La similitud estructural entre estos compuestos y el ZnS cúbico a menudo se traduce en un comportamiento físico y electrónico comparable, lo cual es crucial para el diseño de dispositivos semiconductores.
Ventajas
Los compuestos III-V son importantes materiales semiconductores, y el sulfuro de zinc cúbico, como semiconductor II-VI, comparte la misma estructura de blenda de zinc, a la vez que ofrece una banda prohibida más amplia. En comparación con el ZnS hexagonal, el ZnS cúbico tiene una banda prohibida ligeramente más estrecha, de 3,66 eV, pero sigue siendo significativamente mayor que la de semiconductores comunes como el GaAs y el SiC. Además, el ZnS cúbico de fase pura, sin inclusiones hexagonales, presenta una excelente transmitancia infrarroja. En general, el sulfuro de zinc cúbico tiene un gran potencial en los campos de los semiconductores y la óptica infrarroja.
El sulfuro de zinc cúbico (ZnS) no solo es una forma mineral abundante de zinc, sino también un material semiconductor avanzado con excepcionales propiedades ópticas y electrónicas. Con su estructura cristalina de blenda de zinc, su amplia banda prohibida y su excelente transmisión infrarroja, representa un material prometedor para semiconductores, óptica infrarroja y dispositivos optoelectrónicos de nueva generación.