Estudio estructural del compuesto ZnO dopado con cerio mediante difracción de rayos X usando el software Matlab

En este estudio se desarrolló un algoritmo en el software Matlab para el análisis de las propiedades estructurales del óxido de zinc (ZnO) dopado con cerio (Ce) en concentraciones molares comprendidas entre 0.01 ≤ x ≤ 0.05, utilizando el método sol-gel para su síntesis. La caracterización estructura...

Full description

Autores:: Almanza Jiménez, Héctor Manuel

Tipo de recurso:: Trabajo de grado de pregrado

Fecha de publicación:: 2025

Institución:: Universidad de Córdoba

Repositorio:: Repositorio Institucional Unicórdoba

Idioma:: spa

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description	En este estudio se desarrolló un algoritmo en el software Matlab para el análisis de las propiedades estructurales del óxido de zinc (ZnO) dopado con cerio (Ce) en concentraciones molares comprendidas entre 0.01 ≤ x ≤ 0.05, utilizando el método sol-gel para su síntesis. La caracterización estructural se realizó mediante difracción de rayos X (DRX), identificándose dos fases principales: ZnO con estructura tipo wurtzita y CeO2 con estructura tipo fluorita. Mediante el algoritmo implementado en Matlab para el refinamiento Rietveld, se determinaron los parámetros de red tanto del ZnO puro y ZnO dopado con Ce, obteniéndose valores de a = 3.2500 Å y c = 5.2072 Å para el ZnO puro, y observándose una variación de los parámetros de red a y c en las muestras dopadas. El volumen de celda, también calculado mediante este refinamiento, se encontró en un rango comparable a los valores reportados en la literatura. Asimismo, se efectuó un análisis de microtensiones y densidad de dislocaciones, permitiendo evaluar las deformaciones internas y defectos estructurales en la red cristalina del material. El tamaño de cristal se estimó mediante la ecuación de Scherrer, considerando siete picos de difracción seleccionados, obteniéndose un valor promedio de 36.37 nm.
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Mediante el algoritmo implementado en Matlab para el refinamiento Rietveld, se determinaron los parámetros de red tanto del ZnO puro y ZnO dopado con Ce, obteniéndose valores de a = 3.2500 Å y c = 5.2072 Å para el ZnO puro, y observándose una variación de los parámetros de red a y c en las muestras dopadas. El volumen de celda, también calculado mediante este refinamiento, se encontró en un rango comparable a los valores reportados en la literatura. Asimismo, se efectuó un análisis de microtensiones y densidad de dislocaciones, permitiendo evaluar las deformaciones internas y defectos estructurales en la red cristalina del material. El tamaño de cristal se estimó mediante la ecuación de Scherrer, considerando siete picos de difracción seleccionados, obteniéndose un valor promedio de 36.37 nm.In this study, an algorithm was developed in Matlab software for the analysis of the structural properties of cerium-doped zinc oxide (ZnO) at molar concentrations ranging from 0.01 ≤ x ≤ 0.05, using the sol-gel method for its synthesis. Structural characterization was performed by X-ray diffraction (XRD), identifying two main phases: ZnO with a wurtzite-type structure and CeO2 with a fluorite-type structure. Using the Rietveld refinement algorithm implemented in Matlab, the lattice parameters of both pure ZnO and Ce-doped ZnO were determined, obtaining values of a = 3.2500 Å and c = 5.2072 Å for pure ZnO, and observing a variation in the lattice parameters a and c in the doped samples. The cell volume, also calculated using this refinement, was found to be within a range comparable to values reported in the literature. A microstrain and dislocation density analysis was also performed, allowing for the evaluation of internal deformations and structural defects in the material's crystal lattice. The crystal size was estimated using the Scherrer equation, considering seven selected diffraction peaks, yielding an average value of 36.37 nm.Resumen VII1. Introducción 12. Objetivos 3General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 33. Aspectos teóricos 43.1. Semiconductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.1.1. Materiales semiconductores . . . . . . . . .. . . . . 43.1.2. Óxido de zinc . . . . . . . . . . . . . . . . . 53.2. Proceso sol-gel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53. 3. Difracción de Rayos X . . . . . . . . . . .. . . . . . 63.3.1. Ley de Bragg . . . . . . . . . . . . .. . . . 63.3.2. Refinamiento Rietveld . . . . . . . . . . . . . . . 73.3.3. Tamaño de cristal: Ecuación de Scherrer . . . . . . . . . 94. Metodología 114.1. Preparación y denominación de las muestras . . . . . . . . . . . 114.2. Etapas del análisis estructural aplicado a las muestras estudiadas . . .. 114.3. Elaboración del algoritmo de análisis mediante Matlab . . . . . . . 135. Resultados y Análisis 155.1. Identificación de fases . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 155.2. Desplazamiento de los picos de difracción con el dopado . . . . . . 185.3. Parámetros de red . . . . . . . . . . . . . . 196. Conclusiones 24Referencias 25Anexos 26A. Síntesis de las muestras de óxido de zinc dopadas con cerio 28B. Código Matlab para el procesamiento de datos de difracción 30B.1. Códigos para muestra ZnCeO0 . . . . . .. . . 30B.2. Códigos para muestras dopadas . . . . . . . . . 41C. Patrones de difracción ZnO y CeO2 54C.1. Patrón de difracción ZnO . . . . . . . .. . . . . 54C.2. Patrón de difracción CeO2 . . . . . . . . . . . . 54D. Presentación en eventos académicos 55PregradoFísico(a)Trabajos de Investigación y/o Extensiónapplication/pdfspaUniversidad de CórdobaFacultad de Ciencias BásicasMontería, Córdoba, ColombiaFísicaCopyright Universidad de Córdoba, 2025https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Estudio estructural del compuesto ZnO dopado con cerio mediante difracción de rayos X usando el software MatlabTrabajo de grado - Pregradoinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1finfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionTextS. Sood et al., “Enhancing optoelectronic performance through rare-earth-doped zno: Insights and applications,” Photonics, vol. 12, no. 5, pp. 3028–3035, 2025. doi: 10.3390/ photonics12050454.A. Sharma, D. K. Sharma, K. K. Sharma, and V. Kumar, “Effect of Ce doping on the structural, optical and magnetic properties of ZnO nanoparticles,” Journal of Materials Science: Materials in Electronics, vol. 27, pp. 10 330–10 335, 2016. doi: 10.1007/s10854- 016-5117-x.Y. Deng, Semiconducting Metal Oxides for Gas Sensing. Springer Singapore, Jan. 2019.M. Khanlary, A. Hajinorozi, and S. Baghshahi, “Influence of ce doping concentration on the structural and optical properties of sol–gel derived zno:ce nanostructures,” J Inorg Organomet Polym Mater, vol. 25, no. 6, 2015F. Velandia y M. Hurtado, ≪Difracción de rayos X: un mundo de aplicaciones por descubrir≫, Ingeciencia, vol. 2, n.o 2, p´ags. 67-75, 2017.The MathWorks, Inc. “Matlab — mathworks.” (2021), [Online]. Available: https : / / matlab.mathworks.com/.C. Kittel, Introducción a la física del estado sólido. Ed. Reverté, 2003B. Yacobi, Semiconductor Materials An Introduction to Basic Principles. Springer Science & Business Media, 2003.M. F. Acosta Humánez, ≪Estudio por resonancia paramagnética electrónica de nanopartículas del óxido de zinc dopadas con cobalto≫, Tesis de maestría, Universidad Nacional de Colombia, 2014Y Y Yanez Hernandez, ≪Caracterización estructural y morfológica del óxido de zinc dopado con cerio sintetizado por el método sol-gel≫, Trabajo de grado, Universidad de Córdoba, 2019.S. Kammoun and J. Ghoul, “Structural and optical investigation of Co-doped zno nanoparticles for nanooptoelectronic devices,” Journal of Materials Science: Materials in Electronics, vol. 32, pp. 1–11, 2021. doi: 10.1007/s10854-021-05430-7.A. Dehghanghadikolaei, J. Ansary, and s. Ghoreishi, “Sol-gel process applications: A minireview,” Proceedings of the Nature Research Society, vol. 2, pp. 1–11, 2018. doi: 10.11605/ j.pnrs.201802008.M. Parashar, V. Shukla, and R. Singh, “Metal oxides nanoparticles via sol–gel method: A review on synthesis, characterization and applications,” Journal of Materials Science: Materials in Electronics, vol. 31, Mar. 2020. doi: 10.1007/s10854-020-02994-8.H. Lipson and H. Steeple, Interpretation of X-ray Powder Diffraction Patterns. London: Macmillan, 1970.N. W. Ashcroft and N. D. Mermin, Solid State Physics. Orlando, FL: Saunders College Publishing / Brooks Cole, 1976.R. A. Young, The Rietveld Method. Oxford: Oxford University Press, 2002K. Rogers and P. Daniels, “An x-ray diffraction study of the effects of heat treatment on bone mineral microstructure,” Biomaterials, vol. 23, pp. 2577–85, Jul. 2002. doi: 10. 1016/S0142-9612(01)00395-7.International Centre for Diffraction Data, PDF−2 Database, 2004.R. D. Shannon, “Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides,” Acta Crystallographica Section A: Crystal Physics, Diffraction, Theoretical and General Crystallography, vol. 32, no. 5, pp. 751–767, 1976. doi: 10.1107/S0567739476001551.Difracci´on de rayos X (DRX)Método sol-gelÓxido de zinc (ZnO)Refinamiento rietveldSoftware matlabX-ray diffraction (XRD)Sol-gel methodZinc oxide (ZnO)Rietveld refinementMatlab softwarePublicationORIGINALHectorAlmanzaJimenez.pdfHectorAlmanzaJimenez.pdfapplication/pdf2574663https://dspace8-unicordoba.metabuscador.org/bitstreams/8bbf2ad7-efe0-49ce-8bc0-1108aeda2430/download0d6f9ad5039648959639463149f620ccMD51trueAnonymousREADFormato de autorizacion.pdfFormato de autorizacion.pdfapplication/pdf935938https://dspace8-unicordoba.metabuscador.org/bitstreams/fa588462-b3a2-4fbb-9424-15203008d7e4/download51559cad448797f7d1f2bb486a015115MD52falseLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; 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Estudio estructural del compuesto ZnO dopado con cerio mediante difracción de rayos X usando el software Matlab

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