DOS APLICACIONES DISTINTAS DEL SILICIO NANOPOROSO: EMISIÓN DE LUZ Y CAPTADOR BIOQUÍMICO (I)
El silicio es un material muy abundante en la corteza terrestre y con una tecnología muy desarrollada, pero con unas propiedades optoelectrónicas muy pobres debido a su estructura de bandas, y al hecho de que tiene un gap indirecto. Un hito en la historia del silicio fue el descubrimiento de su foto y electroluminiscencia a temperatura ambiente por L. T. Canham en 1990 [1], pero en su versión de silicio nanoporoso. Esto abrió el campo de investigación a nuevos dominios como el de los dispositivos optoelectrónicos y fotovoltaicos, además de su uso como aislante eléctrico, captador bioquímico o parte de microsistemas de filtración y separación.
El silicio poroso es un material nanoestructurado de morfología esponjosa, formado por ramas interconectadas de silicio de tamaño nanométrico, que puede ser descrito en términos de hilos y puntos cuánticos. Los efectos de confinamiento cuántico que suceden en este tipo de estructuras hacen que el gap energético que ven los electrones en silicio poroso sea mayor que el correspondiente al silicio cristalino. A diferencia de otras nanoestructuras que necesitan de procedimientos de obtención altamente sofisticados, el silicio nanoporoso puede obtenerse a partir del silicio cristalino convencional por anodización electroquímica con ácido fluorhídrico, comido seco (con plasma) o comido húmedo (estos dos últimos métodos se limitan a la realización de láminas delgadas de unas pocas micras).
El espectro de luminiscencia del silicio nanoporoso consta de tres bandas situadas en el azul, el rojo y el infrarrojo. El silicio poroso que se obtiene después de un tratamiento de anodizado exhibe únicamente la banda roja, y en algunos casos la banda infrarroja. La banda azul se observar cuando la muestra contiene una gran cantidad de oxígeno como consecuencia de algún proceso de oxidación. De la tres, la más interesante es la banda roja, ya que es la única que puede ser excitada eléctricamente.
Se han propuesto variados mecanismos para explicar la luminiscencia de la banda roja del silicio poroso, entre los que se pueden citar las especies y moléculas adheridas a la superficie, la existencia de silicio amorfo hidrogenado rodeando los nanocristales de silicio, estados superficiales localizados como consecuencia de átomos de silicio superficiales que sufren una distorsión en los enlaces para acomodarse a cambios en las condiciones locales, o bien efectos de confinamiento cuántico en las ramas nanométricas del silicio.
Este último mecanismo es el que goza de mayor aceptación, pues el confinamiento haría que, bajo el principio de incertidumbre de Heisenberg, la función de onda en el espacio de momentos estuviera deslocalizada, existiendo una mayor probabilidad de que ocurran procesos de recombinación banda a banda. Esto coincide con el hecho observado experimentalmente del corrimiento hacia el azul de la emisión al disminuir el tamaño nanométrico de las ramas de silicio, debido a un ensanchamiento en el gap que ven los electrones. Por tanto, parece que lo más probable es que los procesos de luminiscencia ocurran en los cristalitos nanométricos de silicio, y por tanto con un gap de energía definido.
Los mecanismos que justifican la luminiscencia de la banda infrarroja se deben a enlaces insaturados en la superficie de las ramas de silicio, y la banda azul se puede explicar en función de efectos de confinamiento cuántico o bien como consecuencia de recombinaciones vía defectos de oxígeno como pueden ser la existencia de oxígenos no puente.
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