Capacitancia
Giovanni Marín
Saludos mis estimados amigos de la comunidad científica #stem-espanol
El estudio y caracterización de los materiales semiconductores cubre un amplio rango de propiedades intrínsecas y extrínsecas que permiten abrir nuevas líneas de investigación en el área de Física del Estado Sólido y Física de la Materia Condensada, lo que es un punto a favor en las instituciones universitarias y de investigación científica que tienen garantizadas temas de tesis para sus estudiantes e investigadores. En esta publicación les comentaré algunos detalles y equipos que se usan para determinar el comportamiento de la Capacitancia en materiales semiconductores en función de la frecuencia.
Nuestro Laboratorio de Materiales Nanoestructurados cuenta con una gran variedad de equipos para la caracterización de materiales, por lo que resulta de gran utilidad práctica el estudio de los semiconductores que sintetizamos en nuestra institución. Por ahora nos hemos dedicado al estudio y análisis de la capacitancia equivalente en paralelo Cp en una oblea de grafeno y una oblea del semiconductor CuIn3Se5 para poner en funcionamiento otra sección de nuestro laboratorio.
Capacitancia en materiales semiconductores. | @iamphysical
Nos propusimos a estudiar la capacidad de almacenamiento de cargas eléctricas en una oblea de puntos cuánticos de grafeno, o normalmente conocido como Graphene Quantum Dots (GQDs), para lo cual realizamos una calibración previa del equipo: Agilent 4285A Precision LCR Meter, el cual trae un accesorio imprescindible para poder efectuar las medidas de inductancia (L), capacitancia (C) y resistencia (R) en este tipo de materiales, como lo es el Agilent 16451B Dielectric Material Test Fixture. Normalmente este tipo de equipamiento se usa para estudiar los componentes eléctricos y electrónicos.
Calibración
La capacitancia está relacionada con varios términos físicos: condensadores, capacitores, dieléctricos, carga eléctrica, faradio y placas paralelas, entre otros.
- Hace un mes atrás que mi secadora no quiso funcionar, el motor no arrancaba con fuerza y tenía que darle un empujón al tambor y listo! Investigué en YouTube sobre esta anomalía y tuve que reemplazar el capacitor de 10 µF y ahora funciona con normalidad.
Resulta que para que el motor arranque con suficiente torque, necesita recibir una carga inicial adicional que es suministrada por ese componente electrónico que almacena la carga necesaria, llamado condensador. Con este ejemplo, quiero mostrar la utilidad de este dispositivo en las actividades cotidianas y que muchas veces pasan desapercibidas.
En el caso del estudio de materiales en general, o de semiconductores en particular, normalmente se usan equipos especiales para tal fin: un medidor LCR o LCZ, según los parámetros que se deseen analizar.
Equipos de medición LCR y LCZ. | @iamphysical
Equipo de medición LCR. | @iamphysical
El principio básico se corresponde al de 2 placas paralelas conductoras, con separación de cargas positivas Q+ y cargas negativas Q-, entre las cuales hay un dieléctrico, con una permitividad ε o constante dieléctrica relativa r, que puede ser sólido, líquido o aire, con una distancia entre las placas d y una forma geométrica que determina el área A de las placas.
Parámetros de condensador de placas paralelas | CC-BY-SA-3.0
El dispositivo de placas paralelas es un accesorio que debe adquirirse de forma separada o adicional para realizar las medidas experimentales en materiales que han sido fabricados por nosotros a diferencia de los de tipo comercial, como condensadores o resistencias para explicación didáctica. Se trata del Dispositivo de prueba de material dieléctrico Agilent 16451B, que consta de dos placas paralelas de diferentes diámetros por las que se hace pasar corriente-voltaje de corriente alterna a diferentes frecuencias de oscilación de la señal de entrada, las cuales tienen una separación variable gracias al tornillo micrométrico que configura este dispositivo, tal como se observa en la siguiente figura:
Dispositivo Agilent 16451B | @iamphysical
La calibración se logra al colocar las placas exactamente paralelas entre sí, para lo cual se obtiene un valor conocido de la capacitancia en paralelo Cp y un bajo valor del factor de disipación D. Estas serán las variables que determinaremos experimentalmente y que son necesarias para realizar los cálculos de la constante dieléctrica relativa.
Parámetros medidos con el Agilent 4285A | @iamphysical
Los valores de corriente varían levemente, mientras que la diferencia de potencial se mantienen iguales para producir el campo eléctrico constante que se requiere en cada medición, para una separación determinada entre las placas.
Ensayos en una oblea de GQDs
Como siempre les he mencionado, mi propósito inicial es dejar instalada y operativa la técnica de caracterización de materiales para luego replicar las mediciones experimentales en cualquier tipo de material. Por ahora, tomé una oblea fabricada con puntos cuánticos de grafeno (GQDs), cuyo material en forma de polvo fue colocado en un troquel de 1 pulgada de diámetro y prensada con 7 toneladas durante 10 minutos.
La capacitancia equivalente en paralelo Cp la obtuvimos directamente de la pantalla del equipo, así como el factor de disipación D a medida que variamos manualmente la frecuencia de la señal. En la siguiente figura se observa la dependencia de la Cp con la frecuencia en escala logarítmica.
Recuerden que en este rango de frecuencias estamos en la región de interacción atómica y dipolar del material, donde la polarización juega un papel predominante en el comportamiento dieléctrico del material!
La Cp disminuye y el factor de disipación aumenta con el incremento de la frecuencia, por lo que se esperaría que las propiedades dieléctrica de este material se vean afectadas por la frecuencia aplicada.
Factor de Disipación en QD-Graphene | @iamphysical
Espero culminar satisfactoriamente esta publicación cuando me familiarice con los parámetros de edición que se ven limitadas.
Bibliografía y lecturas recomendadas:
○ Influencia de la frecuencia en los mecanismos de polarización
○ Capacidad de un condensador (video)
○ ¿Qué es la Capacitancia?
○ Graphene Quantum Dot
○ Medidas de Capacitancia/Inductancia
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Saludos mi estimado amigo @iamphysical, considero muy oportuno estas experiencias prácticas de laboratorio para mostrar la pericia en el modo de calibración del Dispositivo Agilent 16451B. En la realización del experimento tomaron algunas variables fundamentales para los cálculos que necesitan para esa calibración, en esa metodología, sobre todo en el Ensayos en una oblea de GQDs me llama mucho la atención y tengo las siguientes dudas en relación a los siguientes gráficos:
El gráfico de capacitancia equivalente en paralelo Vs Frecuencia (medida en Hz) veo que la curva tiene el siguiente comportamiento: a medida que la frecuencia aumenta la capacitancia equivalente en paralelo disminuye, ¿a qué se debe este comportamiento?
En el gráfico Factor de Disipación Vs frecuencia (medida en Hz) se observa un comportamiento exponencial creciente, en el que a medida que va creciendo la frecuencia también va aumentando el factor de disipación, inclusive cuando el valor de frecuencia pasa de 10. 000 000 Hz se ve que el aumento del factor de disipación se hace bastante elevado, ¿a qué se debe ese comportamiento?
Gracias compañeros por regalarnos una vez más parte de sus conocimientos experimentales de laboratorio en lo que concierne a la capacitancia de materiales semiconductores. Saludos cordiales
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Saludos mi estimado @iamphysical, excelente publicación aunque no es mi área logre entender algunos términos y quería preguntarte una duda una vez ya obtenida la calibración esta dura cierto tiempo ?
Saludos @felixrodriguez, gracias por leer mi publicación y comentar.
Efectivamente la calibración es realizada cada vez que alguien cambia las placas paralelas según la forma y tamaño del material que desee medir, ya que esto cambia la configuración del sistema. En mi caso particular, realizo el estudio sobre materiales semiconductores que han sido depositados sobre vidrio y otros que tienen forma de oblea, así que si más nadie toca el equipo, entonces no necesito realizar la calibración nuevamente.
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Interesante post @iamphysical, aunque no es mi área de conocimiento, me parece pertinente desarrollar este tipo de publicaciones que de alguna manera develan los "secretos" de lo que sucede en nuestros laboratorios de investigación. En lo personal considero que la calibración de un equipo es clave para la precisión en la caracterización de materiales, en este caso desde el punto de vista de sus propiedades físicas. Es un elemento importante a la hora de desarrollar investigaciones que apunten a la profundización en torno a materiales conocidos y su respuesta ante ciertos usos, así como para la síntesis de nuevos materiales. Fue grato leerle. Saludos.
Saludos estimado @iamphysical, muy buen aporte. La calibración de los equipos es un paso primordial en la caracterización de materiales, a fin de obtener la correspondencia entre los valores indicados por el instrumento con la medida registrada de un material en función de un patrón. En el comentario de @felixrodriguez indicas que esta se realiza cada vez que alguien cambia las placas según la forma y tamaño, pregunto ¿influye también el tipo de material de las placas sobre la calibración del equipo?