Nanotecnología

En los últimos tiempos se están desarrollando nanohilos semiconductores, que actúan a la vez como medio activo y como microcavidad láser, con capacidad para lasear en ultravioleta a temperatura ambiente. A este tipo de dispositivos se les conoce como nanowire nanolasers. Ejemplos de nanoláseres de nanohilos son los de ZnO o GaN. Éste tipo de nanoláseres pueden tener una infinidad de aplicaciones en nanofotónica, incluyendo comunicaciones ópticas, almacenaje de información y microanálisis. El primer testimonio de este tipo de láseres lo encontramos en un artículo de la revista Science publicado por Huang et al., de la Universidad de California y el Berkeley Lab, en el año 2001. En este artículo tan sólo hablaré sobre los nanoláseres de ZnO, pues son con los que se empezó a trabajar, pero en la actualidad hay más semiconductores adecuados para este tipo de dispositivos.

En primer lugar, ¿por qué reducir tanto las dimensiones? Ya se comprobó con anterioridad al descubrimiento de los nanoláseres, que el ZnO es un material susceptible de emitir luz láser en ultravioleta (Eg=3.37eV). Pero los semiconductores de gap ancho, como el ZnO, necesitan una gran concentración de portadores para alcanzar la suficiente ganancia óptica. Sin embargo, se puede recurrir a la recombinación excitónica, que es un proceso radiativo mucho más eficiente, con un umbral de emisión estimulada mucho inferior. Para ello, la energía del excitón a temperatura ambiente debe ser mucho mayor que la energía térmica. Lo cual nos lleva de nuevo a recurrir al ZnO, pues su energía de enlace del excitón es del orden de 60 meV. Por otro lado, el hecho de reducir las dimensiones del semiconductor a tamaño nanométrico conlleva un aumento tanto de la densidad de estados en los bordes de la banda como de la recombinación radiativa debido al confinamiento. De ahí las ventajas de usar ZnO en estructuras con dimensiones nanométricas.

Los nanohilos de ZnO se sintetizan sobre un substrato de zafiro (110) en un proceso de transporte en fase vapor a través de un crecimiento epitaxial catalizado. En este caso se utilizan películas delgadas de oro como catalizador. Estos nanohilos, que están altamente orientados, sólo crecen en las zonas que están recubiertas por oro. Los diámetros de los nanohilos pueden oscilan entre los 20 y los 150 nm, mientras que su longitud va de 2 a 10 micras, dependiendo del tiempo de tratamiento. Por otro lado, su sección transversal es hexagonal (0001), y tienen la ventaja de estar bien facetados, tanto lateralmente como en los extremos superior e inferior, lo cual favorece a la hora de actuar como cavidad láser. Se puede ver en la figura 1 una imagen SEM de los nanohilos de ZnO.

Figura 1

Para explorar la capacidad de los nanohilos para emitir luz estimulada a temperatura ambiente, se les bombea con pulsos láser de diferentes intensidades. Incluso en ausencia de espejos añadidos, se puede observar laseado en la dirección de crecimiento de los nanohilos. Por debajo de la intensidad umbral (~40 kW/cm2), simplemente se observa el característico espectro de emisión espontánea, cuyo pico se encuentra 140 meV por debajo del gap, lo cual se atribuye a la recombinación excitónica. Al superar el umbral, aparece un pico de emisión muy fino en el espectro que demuestra la emisión estimulada que tiene lugar en estas nanoestructuras. Este pico de emisión, centrado en una longitud de onda de unos 385 nm, tiene la achura espectral típica de un láser, esto es, unos 0.3 nm. A medida que se aumenta la intensidad de bombeo por encima del umbral, van apareciendo nuevos picos de emisión láser entre 370 y 400 nm, que se corresponden con los diferentes modos que pueden existir en la cavidad. En la figura 2 se muestra el espectro de emisión de los nanohilos a) por debajo del umbral y b) por encima. En el inset se muestra un espectro de la emisión multimodo.

Figura 2

Se puede observar en la característica I-V de los nanohilos (figura 3) que, cuando se supera la intensidad umbral, la intensidad luminosa aumenta rápidamente con la potencia del bombeo. Comentar también que, al tratarse de un semiconductor, su característica se ajusta al comportamiento presentado por los láseres de semiconductor.

Figura 3

Las eficiencias cuánticas han sido medidas experimentalmente (2005), y se ha visto que la eficiencia cuántica interna, por encima de la condición umbral, asciende al 85%, mientras que la eficiencia cuántica externa cae al 60% para nanohilos de 7.5 micras de largo. Éste valor no es nada despreciable, pues es seis veces mayor que la eficiencia de la fotoluminiscencia (por debajo del umbral). También se ha medido que cada nanohilo puede llegar a emitir una intensidad de aproximadamente 0.1 mW.

Comentar que en la actualidad hay más métodos para obtener nanoláseres de nanohilos, como puede ser mediante deposición con láser pulsado. Además, se pueden crecer sobre sustratos diferentes al zafiro, en este caso sobre silicio, con las ventajas, conocidas por todos, que conlleva trabajar con este semiconductor.

Este artículo fue publicado el 9-Febrero-2007 a las 12.13 pm por Luis Cerdan bajo la categoría Nanomateriales y Nanodispositivos. Puede obtener un aviso de los comentarios a este artículo usando el RSS 2.0 feed.

Tags: eficiencia cuántica, espectro de emisión, nanoestructuras, nanofotónica, nanohilos semiconductores