CONSTRUCCIÓN DE UN HORNO DE RESISTENCIA ELÉCTRICA PARA LA SÍNTESIS DE MATERIALES SEMICONDUCTORES
G. Marín, O. Contreras y J. Luzardo
En mi búsqueda de innovación y con la finalidad de presentar mis publicaciones con variedad de estilos, formas, colores, enfoques y perspectivas de lo que es el entorno de la ciencia e investigación científica, pues he decidido presentar una serie de Proyectos de Equipamiento básico para consolidar la infraestructura del laboratorio, así como varios Proyectos de Investigación que permitirán la fabricación y estudio de los materiales semiconductores con amplias posibilidades de aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos.
Resumen
En este primer artículo presentaré la propuesta que hemos desarrollado junto al Profesor Contreras para que el Licenciado Luzardo culmine sus estudios de postgrado presentando un producto indispensable en el laboratorio de materiales. La idea es construir un horno térmico de resistencia eléctrica para la síntesis de materiales semiconductores, iniciando con una revisión bibliográfica de los temas relacionados con transferencia de calor, tipos de hornos industriales y de uso en laboratorio, cálculos y simulación del horno de resistencia eléctrica con el fin de ejecutar el diseño más eficiente que logre alcanzar temperaturas cercanas a los 1200 grados centígrados (ºC).
Figura 1. Horno vertical de múltiples zonas de temperatura. Autor 
Este Proyecto se basará en las técnicas de observación, experimentación de campo y laboratorio para el estudio de los hornos eléctricos que dispone el Laboratorio de Materiales y la simulación térmica y resistencia de materiales del modelo de horno propuesto. En la etapa siguiente del ensamblaje del horno, se procederá a caracterizar el perfil de temperatura del horno que será el indicador de un excelente modelo fabricado. Se utilizará como instrumento la matriz de análisis y de registro para la recolección de datos en la revisión bibliográfica y de los datos del horno. Se espera como resultado intermedio la instalación y funcionamiento de un horno de resistencia eléctrica (infraestructura) y como resultado final, la capacidad de realizar una síntesis y/o un tratamiento térmico que permita demostrar la eficiencia y necesidad que existe en la instalación de estos equipos para consolidar la infraestructura de investigación.
Finalmente, se elaborará un manual e instructivos que incluya la simulación para realizar servicio, mantenimiento y/o reparación a otros horno que no se encuentren en funcionamiento en la Unidad de Síntesis y Crecimiento de Materiales.
Palabras claves: horno de resistencia eléctrica, síntesis, transferencia de calor, semiconductores
Colombia.
Colombia.
Introducción
Siempre lo he dicho y lo mantengo esta afirmación: el estudio de materiales ha conllevado a nuevos avances y desarrollo en los sistemas tecnológicos, lo que ha atraído la necesidad de generalizar y ampliar los métodos y técnicas para la fabricación y caracterización de materiales semiconductores, ya que constituyen la base electrónica en la configuración de todo dispositivo optoelectrónico!
Uno de los ejemplos más impactantes es en el área de la Informática, el campo que con mayor rapidez se ha desarrollado, considerando la fabricación de los primeros computadores, o también con la invención y desarrollo de los diversos transistores,
que han derivado de las diferente investigaciones en el campo de los
materiales semiconductores.
Es primordial para los que diseñan nuevos sistemas tecnológicos que deben conocer la estructura cristalina, morfología y propiedades físicas y químicas de los materiales disponibles, de manera que sean capaces de seleccionar los más adecuados para una aplicación determinada. En este sentido, el crecimiento y síntesis de cristales involucra, Ciencias Básicas como; la Química, Física y Matemáticas, también otras complejas como: Ciencia de los Materiales, Cristalografía, Mecánica, Ingeniería, entre otras.
Como ya lo he planteado en mis anteriores publicaciones, existen muchos métodos para la obtención de un
semiconductor, los cuales, según la necesidad, permiten obtener monocristales a partir de los métodos
de crecimiento de materiales y policristales usando diferentes métodos de síntesis como la Fusión Directa. Éste último método se aplicará para la obtención de semiconductores en el horno propuesto, el cual nos dará como resultado un
policristal que luego será sometido a tratamientos térmicos para analizar la viabilidad de un proceso térmico para obtener
un monocristal, que es un material más uniforme y de mejor calidad para su
estudio.
Figura 2. Horno horizontal de 3 zonas de temperatura. Autor
Esta propuesta se inicia con la necesidad que existe en el
estudio de los materiales semiconductores, debido a que el laboratorio no cuenta con los hornos suficientes para cubrir la demanda que generan los investigadores a
la hora de preparar su síntesis de materiales.
Objetivos
· Análisis teórico de la transferencia de calor en los hornos de resistencia eléctrica
· Simulación del funcionamiento del Horno
· Construir el horno de resistencia eléctrica
· Caracterizar el perfil de temperatura del horno
Al cumplir estos objetivos la etapa final será poner en funcionamiento el sistema de síntesis de materiales con un lingote de CuInTe2, cuyo programa de síntesis no requiere de los "cuidados térmicos" como si lo necesita el CuInSe2 o cualquier aleación que contenga Aluminio o Azufre por los riesgos de explosión de la cápsula de cuarzo.
Metodología Experimental
- Análisis teórico de la transferencia de calor en los hornos de resistencia eléctrica:
Se inicia con la revisión bibliográfica de los siguientes puntos: tipos de transferencia de calor, inducción y resistencia eléctrica para el alambre a utilizar en la bobina, analizar las técnicas para el cálculo teórico de hornos de resistencia eléctrica. Realizar el estudio teórico de los materiales que están disponibles en el laboratorio y los requeridos para la construcción del horno, de igual forma el estudio de las necesidades del laboratorio para el avance de los diferentes proyectos de investigación, espacio para la instalación y funcionamiento el horno.
- Simulación de funcionamiento del Horno:
Se propone realizar simulaciones utilizando software comercial o libre, para el cálculo de temperatura que se generan a lo largo del tubo cerámico que permita reflejar de forma digital y constatar los cálculos teóricos sobre el comportamiento térmico del horno, además de algunas variaciones de corriente eléctrica, voltaje o al cambiar los elementos que lo conforman, como el tipo de alambre, bobina (resistencia eléctrica), el tubo cerámico, y materiales refractarios. Para ello, se requiere del análisis de software y equipo disponible para su instalación, de igual forma el tipo de sistema operativo para su funcionamiento, la programación de plantillas y códigos fuentes. Es una etapa que nos preocupa, ya que tratamos que nuestros resultados estén al alcance de muchas personas de manera instantánea y de forma gratuita!
- Construir el Horno de resistencia eléctrica:
Para la construcción del horno, se comenzará con la selección de los materiales disponibles en el laboratorio, las herramientas y equipos que se deben adquirir, según las necesidades establecidas para el funcionamiento del horno.
Una vez realizado los cálculos teóricos del horno de resistencia eléctrica y los materiales para la construcción del horno, se procederá a describir sus atributos como: resistencias, durabilidad del alambre de Kanthal A1 y tubo de alta alúmina, dimensiones, conductividad térmica y eléctrica, estabilidad y perfiles de funcionamiento. Al obtener esta información, será comparada con los cálculos teóricos para determinar si cumplen con las necesidades requeridas y se procederá a la construcción del horno.
Figura 3. Horno tubular de 1 zona de temperatura. Autor
- Caracterizar el perfil de temperatura del horno:
Para determinar el perfil de temperatura del horno, se requiere de una termocupla tipo “K” que soporte temperaturas superiores a los 1200°C, conectada al controlador de temperatura para mantener una temperatura estable mientras se toman las mediciones del perfil. Para ello se precederá a encender el horno y medir la temperatura con el incremento de calor dentro del tubo cerámico sellado por un extremo, se insertará la termocupla por el lado abierto y se tomará la temperatura obtenida cada medio centímetro (0,5 cm) a lo largo del horno. La medición de la temperatura será en función de la potencia eléctrica (corriente x voltaje) y el tiempo transcurrido hasta su estabilización, tomando mayor atención sobre la zona plana, la cual se espera que sea de 17 centímetros de longitud. Luego se procederá a caracterizar el perfil de temperatura en función del tiempo con calor descendente, de tal manera se obtendrá la respuesta térmica del horno al incrementarse la temperatura o al enfriarse el horno, ya que se espera que este sea gradual. Es necesario que esta sea controlada debido a que hay materiales que presentan algunos fenómenos al subir o bajar la temperatura bruscamente como liberación de gas, expansión de volumen y esto puede a conllevar a la fractura del tubo de cuarzo o causarle daños al horno.
Una vez obtenidos los diferentes datos, se procederá a realizar las gráficas características del perfil de temperatura, una en función del tiempo y otra en función de la potencia del largo del horno, estableciendo el tamaño de la zona plana fabricada.
Figura 4. Perfil de temperatura de un horno horizontal de 3 zonas de temperatura. Autor
Figura 5. Perfil de temperatura de un horno vertical de 8 zonas de temperatura.
Autor
Viabilidad y cronograma de ejecución de este proyecto
Las necesidades de fabricación de un horno de resistencia eléctrica para la síntesis de materiales semiconductores está bien fundamentada y la ejecución de este proyecto es viable, ya que existen los materiales disponibles en el laboratorio para la construcción del horno, como lo son: el tubo cerámico de alta alúmina 99% Al2O3, el alambre Kanthal A-1, el controlador de temperatura Eurotherm para 2 zonas. Los materiales necesarios para el ensamblaje pueden ser adquiridos en tiendas locales y la inversión para su adquisición es menor que el costo de compra de un sistema de calentamiento comercial. Además, se incentivará la independencia tecnológica que implica la fabricación de los hornos de este tipo para realizar los proyectos que requieran algún desarrollo en síntesis de materiales o tratamientos térmicos, lo cual permitirá construir hornos de resistencia eléctrica según la necesidad que exista en centros de investigación.
El tiempo programado para el análisis teórico, incluyendo la implementación de software, se estima en 4 meses, más el estudio experimental de los materiales, construcción del horno, una vez adquirido los materiales faltantes, y caracterización del perfil de temperatura sería de 3 meses y 2 meses para la puesta en marcha y preparación de una síntesis del semiconductor CuInTe2.
Aportes de esta publicación
En el desarrollo de esta propuesta se realizarán diversos estudios teóricos en cuanto a la transferencia de calor en los hornos de resistencia eléctrica, así como la implementación de software que permita obtener datos numéricos de la respuesta del horno al variar algunos componentes y parámetros térmicos del mismo, así como el material bibliográfico que se genere permitirá establecer un instructivo para el mantenimiento y/o reparación de este tipo de hornos.
Aunque
los estudios de los lingotes preparados por diferentes técnicas puedan aportar
información preliminar sobre las propiedades de los compuestos ternarios, se
hace indispensable, para la obtención de
muestras homogéneas y estequiométricas, el uso de una
técnica de síntesis y cristalización adecuada, usando la información del
diagrama de fases disponible y de manera imprescindible el uso de hornos de
calentamiento adecuados para la síntesis o crecimiento de materiales
semiconductores.
Referencias
Smith, W. 1998.
Fundamentos de ciencia e ingeniería de materiales. McGRAW-HILL / interamericana
de España. Tercera edición. España.
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ELSEVIER. Gabella laboratory for advanced materials Stanford University. Stanford CA, USA.
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Fernández. 1965. Diseño de un horno para crecer cristales a partir de material
fundido. Revista Mexicana de Física. Volumen XIV.
<o:p> </o:p>Morales R. 2010.
Síntesis, Propiedades Estructurales, Térmicas y Ópticas de los Semiconductores
Semimagnéticos Cu(Ga0.8Mn0.2)Te2, Cu(Ga0.8Mn0.2)3Te5 y Cu(Ga0.8Mn0.2)5Te8.
Trabajo de Grado presentado en la Universidad del Zulia, para obtener el título
de Magister Scientiarum en Física. Zulia, Venezuela.
<o:p> </o:p>UPEL. 2011. Manual de
trabajos de grado de especialización y maestría y tesis doctorales. Fondo
editorial de la Universidad Pedagógica Experimental Libertador FEDUPEL. Cuarta
edición. Venezuela.
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