En este post os avanzo el secreto de las imágenes que hemos publicado: se trata de óxidos semiconductores nanoestructurados. Sí, así de simple. Los óxidos son de los materiales más abundantes en la naturaleza y se forman debido a la interacción del oxígeno de la atmósfera o de medio acuoso con los elementos nativos presentes en la corteza terrestre, u otros compuestos intermedios que sufren oxidación. De hecho es tan común la oxidación que ciertos elementos tan abundantes como el silicio apenas se encuentran en estado elemental y hay que obtenerlos industrialmente a partir de sus óxidos. Además, el estudio del fenómeno de la oxidación y su prevención es de los que [1] mayor presupuesto exige en el mundo industrial, (pensar simplemente en las pinturas anticorrosión). Pero en nuestro caso, vamos a hablar de las bondades de los óxidos y sus miles de aplicaciones industriales que se han visto muy beneficiadas del uso de la nanotecnología.

Los óxidos semiconductores son una familia de [2] materiales funcionales. Sus aplicaciones se fundamentan en dos características estructurales importantes, que son la presencia de cationes con estados de valencia diferentes y una deficiencia de oxígeno ajustable, debido a las vacantes de oxígeno. Cuando se altera o varía alguna de estas características, las propiedades físicas (eléctricas, ópticas, magnéticas y químicas) se pueden ajustar, dando la posibilidad de fabricar dispositivos “[3] smart“. Entre las aplicaciones más importantes de los óxidos semiconductores está su uso como [4] sensores de gases [1] y la fabricación de electrodos conductores transparentes en [5] células solares, [6] displays planos y [7] LED’s orgánicos [2].

Las primeras seis imágenes corresponden al mismo material: el [8] óxido de indio (In2O3). Es muy curioso como el mismo procedimiento de crecimiento en el que se ligeras variaciones en el tiempo y la temperatura de crecimiento da lugar a morfologías tan diversas: flechas acabadas en pirámides perfectas, cerillas acabadas en cubos, nanocollares cuyas cuentas están formadas por un octoedro ( dos pirámides pegadas por la base) y varillas cuya unión forma una estructura o estrella más compleja. La siguiente es una antena de [9] óxido de galio (Ga2O3), que crece en la parte superior de las nanoterrazas que se forman en la superficie de una muestra cerámica de óxido de galio. El siguiente es un lápiz de [10] óxido de zinc (ZnO). Las últimas corresponden al [11] óxido de titanio (TiO2) y al [12] óxido de estaño (SnO2) y revelan detalles a escala nanométrica del crecimiento en forma de terrazas cuasihexagonales y varillas de estructuras mayores. Entre las principales ventajas de estos óxidos semiconductores está, en primer lugar, su estructura de bandas con un intervalo de energía prohibido (gap) ancho, de entre 3 y 5 eV. Por tanto, son transparentes a la luz visible, así como una buena alternativa a otros semiconductores compuestos de gap ancho, como el GaN, más costosos de obtener con buena calidad. En segundo lugar, presentan una conducción eléctrica relativamente elevada, debido a la presencia de vacantes de oxígeno que aportan donadores al semiconductor. Por otra parte, son materiales fáciles de obtener y, por tanto, son baratos frente a los semiconductores compuestos; suelen ser amigos del medio ambiente; no necesitan sustratos especialmente puros y libres de defectos sobre los que crecer estructuras, y presentan larga durabilidad y buenas propiedades mecánicas.

¿Pero por qué tienen interés las nanoestructuras de óxidos semiconductores? El material nanoestructurado es útil debido a que puede manifestar sus propiedades físicas alteradas, modificadas o incluso aparecer nuevas propiedades respecto a las del material masivo. Por ejemplo, las cerámicas de ZnO y TiO2 son más flexibles cuando disminuye el tamaño de grano y en cobre con nanocristales embebidos se ha observado un aumento extraordinario de la extensibilidad superplástica. Por otra parte, el hecho de reducir las dimensiones de las estructuras semiconductoras constituye un avance científico, ya que nos permiten entender y comprender las teorías cuánticas. Un ejemplo es el desplazamiento del máximo de emisión de luz hacia mayores energías observado en nanocristales, al disminuir el tamaño de los mismos, como se ha demostrado en silicio nanocristalino y poroso [5] y que predecían las teorías cuánticas. De todas formas, no siempre aparecen efectos observables derivados de un confinamiento cuántico, aunque los cristales o las partículas sean muy pequeños. Los efectos cuánticos se podrán manifestar cuando el tamaño característico del objeto sea comparable con las longitudes críticas del proceso físico correspondiente. Otra consecuencia importante de las nanoestructuras de forma alargada, como las de tipo nanohilo o nanotubo, es que presentan una superficie muy grande en relación al volumen, lo que representa una mejora en las aplicaciones como sensores.  ( Extraído, en parte, de la [13] Revista española de Física).