Nanotecnología

Uno de los máximos exponentes de la marca Pininfarina (famosa por sus diseños de carrocerías para marcas como Ferrari), el italiano Leonardo Fioravanti, ha presentado un nuevo vehículo en el que una de las mayores novedades es la falta de limpiaparabrisas. El hecho de que no se incluyan estos dispositivos, presentes en los automóviles desde hace 100 años, estriba en que se ha incoroporado un parabrisas muy novedoso formado por cuatro capas y diseñado con ayuda de la nanotecnología. Este parabrisas incorpora 4 capas con funcionalidades muy bien definidas. La primera y más externa, evita que se adhieran las gotas de agua, es decir repele el agua que cae sobre ella, además de ser un filtro solar. En la segunda capa se ha incorporado un compuesto de nanopartículas que "expulsa" las moléculas de polvo que se depositan sobre el cristal. La tercera capa es básicamente un sensor que activa la segunda cuando la suciedad y el polvo se depositan sobre ella. Y finalmente la última capa es una capa conductora de electricidad que proporciona energía al resto de la estructura. 

Por Joaquín Díaz  

 En uno de las primeras contribuciones en el blog de nanotecnología encontramos una pregunta que aun hoy, dos años más tarde, sigue teniendo interés: ¿Realmente estamos hoy en día encaminados hacia el final de la ley de Moore? (ver post original). La respuesta a esta pregunta es que parece ser que no. Si bien es verdad hemos tenido que variar un poco el rumbo haciendo uso de nuevos materiales. Miremos unos años atrás para comprender mejor el presente:

   La carrera por la miniaturización había llegado al límite en una parte esencial de los transistores: la capa de dióxido de Silicio (SiO₂) que actúa como aislante dieléctrico entre la Puerta y el Canal por donde circula la corriente cuando el transistor se encuentra encendido. Cada nueva generación de microprocesadores había permitido disminuir el grosor de dicha capa aislante, pero con el empleo de la tecnología habitual de SiO₂ la posibilidad de reducir el tamaño de los transistores estaba llegando a su límite debido al mayor consumo de energía y generación de calor que se presentan a medida que los tamaños alcanzan niveles atómicos, ya que cuando la capa aislante se hace más fina aumenta la corriente de fuga y disminuye el rendimiento del transistor (se habían llegado a alcanzar los 1.2 nm de espeso, es decir 5 capas atómicas, pero con rendimientos muy bajos debido a la alta corriente de fuga, a pesar de su alta velocidad de procesamiento).

   El problema se consiguió resolver empleando otro material para elaborar dicha capa aislante. Así, en Enero de 2007, Intel anunció que, por primera vez en 40 años, dejaba de utilizar SiO₂ para fabricar la capa aislante entre la Puerta y el Canal, y que pasaba a emplear un nuevo material basado en el � xido de Hafnio (HfO₂), con alta constante dieléctrica (κ), que reduce la corriente de fuga a un 10% de la del SiO₂ e implementado mediante técnicas de deposición molecular en vacío, en vez de las técnicas de litografía de inmersión utilizadas en la tecnología anterior. Sin embargo, el nuevo material resultó ser incompatible con la Puerta del transistor, de modo que los primeros transistores que utilizaban el nuevo material aislante ofrecían un rendimiento por debajo del que proporcionaban los antiguos basados en la tecnología del SiO₂. La solución a este nuevo problema fue utilizar también un nuevo material para la Puerta: una combinación de diferentes materiales metálicos que Intel aún mantiene en secreto.

   La combinación de los nuevos materiales del aislante dieléctrico entre la Puerta y el Canal, y de la propia Puerta, proporciona un incremento de más del 20% en el flujo de corriente y permite obtener transistores con una corriente de fuga muy baja, así como un mayor rendimiento del consumo de energía de los mismos. Además, para aumentar aún más el rendimiento y reducir el consumo de energía, en los nuevos microprocesadores se utilizan, para las interconexiones, conductores de cobre "low κ" (con baja constante dieléctrica).

   Como resultado de estas innovaciones tecnológicas, en Noviembre de 2007 Intel introdujo en el mercado su nueva generación de microprocesadores, los llamados Intel® Core^TM , que utilizan estos nuevos materiales y han sido desarrollados con una tecnología de 45 nm de aislante entre la Puerta y el Canal (con una longitud del Canal de 20 - 30 nm), y contienen 820 millones de transistores por circuito integrado, lo que comparado con el proceso de fabricación anterior, tecnología de 65 nm de aislante entre la Puerta y el Canal, y una longitud del Canal de 30 - 35 nm, ha permitido casi duplicar la cantidad de transistores presentes en la misma superficie, con un ahorro del 30% del consumo de energía.

Y en el futuro inmediato ¿se seguirá cumpliendo la Ley de Moore?

Actualmente Intel está trabajando en una nueva generación de microprocesadores elaborados con una tecnología de 32 nm de aislante entre la Puerta y el Canal (con una longitud del Canal de unos 15 - 20 nm), y que contendrán más de 1,900 millones de transistores por circuito integrado (es decir, más del doble de los que contienen los actuales), esperando comercializarlos para el 2009. Para el 2011 tiene en proyecto introducir una nueva generación, fabricada con una tecnología de unos 22 nm de aislante y una longitud del Canal de sólo unos 10 nm, de modo que la nueva tecnología, basada en el � xido de Hafnio (HfO₂) para fabricar la capa aislante entre la Puerta y el Canal, permitirá confiar en el cumplimiento de la Ley de Moore durante, al menos, una década más.

   La hoja de ruta de Intel apunta a que a partir de 2013 - 2015 se empezarán a desarrollar los transistores de tecnología III-V, que se aplicarán en dispositivos tales como amplificadores de potencia inalámbricos de alta ganancia a frecuencias de 5 GHz y superiores, lo que permitirá presuponer el cumplimiento de la Ley de Moore durante otra década más, hasta que se desarrolle la siguiente revolución tecnológica (¿transistores de tecnología tridimensional?, ¿transistores formados por nanohilos de Silicio o por nanotubos de Carbono?, ¿transistores monoelectrónicos (SET - Single-Electron Transistor) que operarán con el flujo de un sólo electrón?, ¿transistores basados en los estados de los espines de los elementos magnéticos de la Tabla Periódica?, ¿transistores basados en los estados electrónicos fuertemente correlacionados de los elementos de las Tierras Raras Lantánidas?, …).

Por Angela Llavona 

 La nanotecnología persigue la fabricación y manipulación de estructuras muy pequeñas, de dimensiones del orden de los nanometros. Está considerada como una de las áreas más punteras y recientes de la investigación actual. Sin embargo, algo que es reciente para el ser humano y que le está costando mucho esfuerzo y dinero, no lo es para la Naturaleza. ¡Hay organismos vivos que llevan miles de millones de años fabricando nanopartículas!.

   Las síntesis de estos nanomateriales es limpia, no tóxica y respeta el medio ambiente, lo que se denomina "química verde". Tanto organismos unicelulares como pluricelulares pueden producir nanomateriales, tanto intracelularmente como extracelularmente. Un ejemplo interesante es la bacteria magnetostática (M. gryphiswaldense), la cual fabrica nanopartículas (NPs) de óxido de hierro, denominadas magnetosomas. Estas estructuras se forman intracelularmente dentro de la bacteria y le sirven como sistema de navegación y orientación espacial debido a la interacción que tienen con el campo magnético terrestre. Los magnetosomas son partículas de Fe₃O₄ de unos 35-120 nm recubiertas de una membrana, la cual evita la aglomeración de las NPs y las hace biocompatibles. Por lo general se colocan linealmente a lo largo del citoesqueleto de la bacteria.

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Por Emilio Frutos

 Desde hace ya varios años la física de materiales se ha convertido en una disciplina fundamental en el desarrollo de nuevas estructuras en el régimen nano. Estas nanoestructuras, las cuales pueden llegar a tener geometrías caprichosas, pueden emplearse como piezas móviles a modo de actuadores, en una nueva generación de nanodispositivos. Cuyo campo de aplicación pasa por disciplinas tan diversas como son: la medicina y la farmacología.

En el año 2003, investigadores del instituto tecnológico de Georgia en Atlanta, desarrollaron una nueva clase de nanoestructura en forma  helicoidal, constituidos únicamente por cristales de óxido de zinc. La particularidad de estas nanoestructuras, conocidas desde entonces como "nanosprings" son su comportamiento piezoeléctrico y su polarización electrostática. Estas propiedades bien podrían ser usadas en el desarrollo tanto de nanosensores y nanoactuadores en dispositivos tanto NEMS como MENS.

La imagen muestra nanomuelles semiconductores y piezoeléctricos de óxido de zinc sintetizados en el Intituto Tecnológico de Georgia.

Esta inusual polarización electrostática, conlleva que las superficies queden cargadas positivamente o negativamente a través del espesor del nanomuelle, a lo largor de su dirección longitudinal. Esta carga eléctrica podría ser empleada para atrapar moléculas específicas, actuando de este modo el nanomuelle como un biosensor o biomarcador. Es en el campo de la medicina, donde estas estructuras podrían ser empleadas debido fundamentalmente por su pequeño tamaño. Las dimensiones típicas son del orden de 1- 4 mm de diámetro, con una distancia entre lazos de entre 1 - 3 mm y longitudes típicas de decenas de micras. Estas dimensiones son las típicas  de los capilares sanguíneos, aprovechando su morfología a modo de pequeños muelles, su uso podría estar indicado a la hora de impedir el bloqueo de dichos capilares.

Estructuralmente la wurzita puede ser descrita como un número de planos alternados de tetraedros, compuestos por iones de O^2- y Zn²⁺, los cuales se suceden alternativamente a lo largo del eje c. Los iones al tener cargas opuestas son los responsables de la polarización espontánea de los nanosprings a lo largo de su eje longitudinal.

Mas recientemente en mayo de 2006 se publico en la revista Nanotechnology la síntesis de nanosprings en oxido de silicio, material biocompatible por excelencia, constituidos por múltiples nanowires. Esta forma de arrollamiento recuerda salvando las distancias en tamaños, al trenzado de cables de acero. Esta geometría confiere unas propiedades mecánicas superiores a las de un único nanospring.

 Nanosprings formados por multiples hilos. (Lidong Wang, DMajor, P Paga, D Zhang, M GNorton and DNMcIlroy. Nanotechnology 17 (2006) S298-S303)

Así pues las aplicaciones como sensores biológicos, como puedan ser medidores del flujo sanguíneo o como partes móviles de NEMS, parecen cada vez más cercanas a la realidad.

Por Odín Soler 

Sonda de láser de BaNb₂O₆ bombeada por pinza láser

Investigadores de la Universidad de California y del Lawrence Berkeley National Laboratory han desarrollado un láser más pequeño que un glóbulo rojo que es operado de un modo sorprendente: dado su reducido tamaño el nanohílo, de niobato de bario, puede ser suspendido en un haz láser infrarrojo debido a las diminutas (pero relevantes) fuerzas que se establecen al incidir el láser sobre el material. El propio rayo que mantiene la sonda en su sitio bombea la inversión de población necesaria para que se dé el fenómeno de laseo y el nanohílo reemita luz coherente verde (el BaNb₂O₆ es empleado como medio activo en los punteros láser de color verde).

Gracias a que esta microscopía se puede realizar a presión y temperatura ambiente se espera poder comprender nuevos detalles sobre el funcionamiento y la estructura de la células vivas gracias al poder resolutivo del nanohílo. La sonda láser puede no sólo actuar mecánicamente sobre dichas células empujada por la pinza láser, sino que además la luz que emite sirve para obtener imágenes en tiempo real de la célula u organismo a estudiar, normalmente gracias al empleo de proteínas marcadas para responder a la luz. La longitud de onda de emisión es variable y puede ser controlada actuando sobre la longitud del haz de bombeo infrarrojo, lo que amplía los usos del dispositivo, pues le permite discriminar entre distinto marcadores.

En funcionamiento, el nanohílo se mueve hacia la muestra y hacia atrás y los patrones de luz reflejada y transmitida cambian. Este movimiento de vaivén también puede ser aprovechado para deformar la membrana de las células y estudiar su reacción. Con mediciones de luz transmitida los investigadores pudieron alcanzar la resolución de 200 nm, que mejora la resolución espacial de la microscopía óptica convencional y que viene impuesta por los fenómenos de difracción que ocurren al intentar resolver una estructura menor que la longitud de onda empleada. Este dispositivo burla dicho límite porque la sonda, con un diámetro de 40 nm, es más estrecha que la longitud de onda que emite (532 nm, exactamente la mitad de la longitud de onda de la pinza láser, que es el ampliamente utilizado 1064 nm del infrarrojo), y la transmisión de dicha luz depende fuertemente de la proximidad del nanohílo a la muestra.

Uno de los colaboradores, el profesor de física de la Universidad de Carolina Jan Liphardt, apunta que aunque la microscopía de campo próximo se encuentre mejor desarrollada y tenga mejor resolución también requiere sistemas más complejos. "Toda la complejidad de generar luz visible, llevarla a la muestra, hacerla pasar por la apertura de tamaño menor que la longitud de onda y moverla cuidadosamente con respecto a la muestra para ir obteniendo la información, puede quedar reducido a emplear un único nanohílo, que cuesta uno ó dos centavos".

El próximo paso en la investigación será desarrollar nanosondas con formas cónicas o de pera para intentar ampliar la resolución manteniendo más cómodamente en sitio el nanoláser, que en el caso de un nanohílo tiende a deslizarse dentro de la trampa óptica.

Otros enlaces de interés:

http://www.cosmosmagazine.com/node/1413

http://www.technologyreview.com/Nanotech/18989/

http://www.photonics.com/content/spectra/2007/September/microscopy/88902.aspx

http://optics.org/cws/article/research/17261

Por Odín Soler 

Sin duda una de las propiedades más interesantes que un nanohílo puede tener es la capacidad de producir luz láser. Cuando llevamos un fenómeno tan complejo y diverso como es la luz láser a escala nanométrica las aplicaciones son tan sorprendentes como interesantes. La luz láser es una transmisora de información y energía con la que sabemos construir circuitos ópto-electrónicos, herramientas de microscopía, dispositivos quirúrgicos, sistemas de medición y un largo (y estimulante) etcétera. La vuelta de tuerca que supondría extender estas aplicaciones, que ya se han miniaturizado en muchos casos, hasta el límite de lo nano nos permitiría contar con herramientas que, una vez más, pondrían a nuestro alcance un nuevo nivel de comprensión, caracterización y manipulación de nuestro entorno. No consiste sólo, por lo tanto, en hacer mejor lo que hacíamos antes: consiste también en empezar a hacer cosas que antes no podíamos.La obtención de luz láser puede comprenderse en dos etapas.

- La primera consiste en construir un medio capaz de albergar el fenómeno de auto-amplificación que es la emisión láser. Este medio tendrá no sólo que tener una morfología determinada (compatible con la existencia de modos de autoamplificación) sino además poseer unas propiedades ópticas concretas. En esta primera condición radica la primera oportunidad que este campo brinda: algunos materiales se convierten en emisores láseres muy eficientes cuando se encuentran en forma de nanohílos u otras estructuras de reducido tamaño y baja dimensionalidad.

- La segunda etapa consiste en obtener y mantener la inversión de población que alimenta el fenómeno láser. En este artículo comentaré ejemplos de las dos principales maneras de obtener esta inversión de población: la inyección eléctrica de portadores o el bombeo óptico.

Láser de nanohílos de CdS por inyección de portadores

Dentro del gran campo que es la experimentación con láseres de dimensiones ultra-reducidas destacan una serie de estudios que han concluido con la síntesis y caracterización de láseres activados eléctricamente. Estos dispositivos son más fáciles de manejar y construir que los operados por bombeo óptico, puesto que mientras que en los primeros sólo se precisa  acceder a los bornes en los segundos es necesario que una fuente de luz (a menudo una fuente láser externa) incida en el material.

Los láseres de semiconductores alimentados eléctricamente se emplean en aplicaciones como las telecomunicaciones o el almacenamiento de información de manera cotidiana. Parte del éxito de estos dispositivos se debe al buen conocimiento sobre el mecanismo de crecimiento y procesado de películas de semiconductores, lo cual permite la fabricación de dispositivos optoelectrónicos integrados. Sin embargo estos procesos son normalmente difíciles y caros de integrar con otras tecnologías muy extendidas, como la microelectrónica del silicio. En contraposición a los semiconductores, otros materiales como algunos polímeros, no presentan conflictos de integración con el silicio, pero normalmente sólo son capaces de producir emisión láser si son foto-bombeados.

Un ejemplo de producción de luz láser mediante alimentación eléctrica son los nanohílos de CdS. La microestructura y morfología externa de estos nanohílos les permiten funcionar como cavidades ópticas de Fabry-Perot por lo que pueden alojar autoamplificación láser. Los nanohílos, que pueden ser integrados en matrices capaces de emitir luz láser en un amplio rango de frecuencias, podrían mejorar aplicaciones actuales y propiciar otras futuras.

Se pueden sintetizar nanohílos sueltos de CdS con diámetro controlado por crecimiento catalítico a partir de agregados metálicos. Su importancia reside en su mezcla de buenas propiedades eléctricas (porque su estructura libre de defectos presenta altas movilidades de portadores n y p) y óptimas propiedades ópticas (un sólo nanohílo es a la vez medio activo y cavidad resonante). La relación entre longitud, diámetro y modos capaces de propagarse por el nanohílo fue verificada experimentalmente (Figura 1a). Se realizaron microscopías electrónicas de barrido y transmisión y resultó que un 50% de los nanohílos presentó los extremos cortados limpiamente en un plano perpendicular al eje de crecimiento [001], lo cual los convierte en los extremos reflectantes que una cavidad láser necesita (Figura 1b).

También se realizaron imágenes de fotoluminiscencia a temperatura ambiente irradiando los nanohílos con luz láser. Como se puede comprobar en la figura 1c el nanohílo que es activado por un extremo (inferior izquierda) conduce la luz hasta el otro sin dejar que la intensidad escape en el trayecto, por lo que actúa como una guía de onda. Para completar el estudio de las propiedades ópticas se obtuvo el espectro de fotoluminiscencia. Irradiados a baja intensidad los nanohílos presentan un pico suave a 512 nm y una anchura espectral (a media altura) de 24 nm si medimos el espectro del cuerpo, a medio camino entre el extremo bombeado y el extremo emisor. Sin embargo en el emisor la luz está desplazada hacia el rojo unos 30 nm. Este efecto es consistente con un fenómeno de reabsorción y reemisión en el interior del nanohílo. Cuando la intensidad de bombeo aumenta el espectro vuelve a desplazarse hacia el azul al saturarse la reabsorción interna. La emisión en los extremos aumenta mucha más que en el cuerpo. Pasado cierto umbral comienzan a aparecer picos equiespaciados asociados a los modos de Fabry-Perot de la cavidad. Un análisis del espaciado de modos confirmó su relación con las dimensiones de distintos nanohílos (figura 1f y de nuevo figura 1a). Si la intensidad de bombeo aumenta todavía más, la emisión se concentra en un pico muy monocromático que crece supralinealmente con el bombeo, lo cual indica que el material está actuando como medio activo láser.

Tras estas mediciones, que demostraron la capacidad de los nanohílos de CdS para actuar como cavidades de Fabry-Perot y para mantener una emisión láser continua, se procedió a la construcción en un circuito que permitiera la activación eléctrica. En general este tipo de laseo requiere una inyección eficiente de portadores tipo n y p dentro del medio activo. En el caso del CdS el mayor problema suele radicar en sintetizar un p-CdS con alta movilidad para los huecos o en combinar n-CdS con un material tipo p. Sin embargo la morfología y pureza cristalina del nanohílo permiten sortear con facilidad estos problemas tan difíciles de solventar en láminas de CdS o en el sólido macroscópico. La inyección de huecos se hace por la pared del nanohílo para que éstos no tengan que difundir más que unas decenas de nanómetros antes de poder aniquilarse con un electrón.

Figura a: esquema del láser de nanohílo por inyección de portadores. Los electrones entran por la capa metálica superior y los huecos proceden de un sustrato de Si tipo p altamente dopado. La fabricación del dispositivo se acomete ensamblando nanohílos de CdS sobre el sustrato de Si crecido sobre un aislante. Los contactos se hacen mediante litrografía por haz de electrones y evaporación (asistida también por haz electrónico) de entre 60 y 80 nm de alúmina, 40 nm de Ti y 200 nm de Au (como se explica en el siguiente link). Un extremo del nanohílo ha de quedar descubierto para que pueda emitir, como se puede ver en la mitad superior de la figura b, en la que la barra de escala mide 5 μm. La imagen inferior fue obtenida por electroluminiscencia a temperatura ambiente con una corriente de inyección de 80 mA. En la figura c se representa la emisión en función de la corriente de inyección. Por encima de los 200 mA comienza el laseado y la intensidad aumenta supralinealmente con la corriente. La figura d recoge el espectro de fotoluminiscencia a temperatura ambiente del extremo del nanohílo con corrientes de inyección de 120 mA (rojo) y 210 mA (verde, elevado en 0.15 unidades arbitrarias de intensidad para una mayor claridad). Las flechas señalan los modos altamente monocromáticos de Frabry-Perot. La última imagen, e, es el espectro de emisión del dispositivo con corrientes de inyección de 200 mA (rojo) y 280 mA (verde, elevado 0.10 u.a.), esta vez a 8 K. El pico que destaca claramente tiene un ancho espectral comparable con la resolución del espectrógrafo empleado por lo que el dato debe entenderse como aproximado.

Por Irene Palacio 

Hace 6 años el grupo de Craighead de la Cornell University (US) construyó la guitarra más pequeña del mundo, para demostrar así la posibilidad de hacer nanodispositivos usando técnicas hasta el momento destinadas para la microelectrónica. Realmente, con esta propuesta se demuestra como estos nanodispositivos (NEMS y MEMS) son un sustituto para los componentes de un circuito, pudiendo hacer así componentes más pequeñas, baratas y eficientes.Las dimensiones de la famosa nanoguitarra son 10μm de largo (como el tamaño de una célula) y seis cuerdas de unos 50 nm cada cuerda.

    Como ya es un hecho, la EBL (electron beam lithography) es una de las técnicas más extendidas a la hora de crear patrones muy pequeños (del orden de nanómetros). Esta técnica consiste en hacer llegar un haz de electrones a la superficie de la muestra, que está cubierta previamente con una resina. Los electrones producirán un cambio químico en esta resina, lo que permitirá crear un patrón en la superficie de la misma.

La nanoguitarra está esculpida en un monocristal de silicio sobre un sustrato de óxido de silicio utilizando la técnica de EBL. EL oxido puede ser eliminado fácilmente usando un método químico húmedo. El resultado es, en este caso, la nanoguitarra esculpida sobre silicio.

Se ha observado recientemente que la luz proveniente de un láser puede hacer que un dispositivo oscile, como serían las cuerdas en este caso. La nanoguitarra se toca enfocando el láser hacia las cuerdas. Cuando las cuerdas vibran se crean patrones de interferencia en la onda reflejada, lo que puede detectarse y ser electrónicamente convertido en notas audibles. A pesar de poder activar más de una cuerda a la vez de la nanoguitarra sólo se obtienen monotonos. 

Las cuerdas de la nanoguitarra vibran a una frecuencia 18 octavas menor a la de una guitarra normal. Evidentemente, nadie puede oír la nanoguitarra, pero sí pueden detectarse sus vibraciones y ser amplificadas hasta conseguir tonos audibles.  En el siguiente link: http://www.news.cornell.edu/releases/Nov03/NEMSguitar.ws.html pueden oírse dos canciones: "Bugle Call", tocada con una sola de las cuerdas y "Cagey", llamada así por su similitud con una de las caóticas composiciones de Jhon Cage, en este caso se ha tocado más de una cuerda con ayuda de un haz láser.

La posibilidad de crear nanodispositivos que vibren a altas frecuencias da lugar a un gran abanico de posibles aplicaciones en electrónica. La frecuencia a la que un objeto vibra depende de su masa y de sus dimensiones. Los objetos a nanoescala, pueden vibrar sobre los cientos de MHz (ondas de radio), con lo que pueden sustituir a componentes de circuitos electrónicos. Móviles y otros dispositivos wireless, por ejemplo, usan normalmente la oscilación de un cristal de cuarzo para generar la onda envolvente sobre la que se transmite la señal. Una nanocinta que vibra podría hacer el mismo trabajo pero en un espacio mucho menor, y además consumiendo tan sólo unos pocos miliwatios.  Este tipo de dispositivos, pueden ser también utilizados para detectar vibraciones que ayuden a localizar objetos o detectar sonidos tenues que puedan predecir el fallo de una maquinaria o de sus estructuras.

Por otra parte, los NEMS se pueden usar para modular luz, es decir se pueden usar como fibras ópticas en sistemas de comunicación. Normalmente en este tipo de sistemas se requiere un láser para cada final de fibra, de manera que haya comunicación en los dos sentidos. En Cornell sugieren que un sólo láser en uno de los lados, podría enviar un haz que sería modulado y reflejado por un dispositivo NEMS de este tipo. Esto sería mucho más barato a la hora de trabajar con fibra óptica y llevarla a oficinas o casa de particulares.

Actualmente el grupo de Craighead sigue investigando los materiales más eficientes para hacer NEMS, cómo trabajan estos NEMS y las funciones que pueden llegar  a realizar.

Si quieres saber más sobre la nanoguitarra, puedes pinchar en los siguientes links:

http://www.news.cornell.edu/releases/July97/guitar.ltb.html

http://www.news.cornell.edu/releases/Nov03/NEMSguitar.ws.html

http://www.physicscentral.com/action/200/nanoguitar.html

Por Belén Alemán  

  Este novedoso término ha sido acuñado por Zhon Lin Whang, director del Centro de Caracterización de Nanoestructuras (CNC) del Georgia Tech. Cuando se habla de nanopiezotrónica, se habla de un nuevo campo de investigación que se basa en la generación de energía eléctrica, a escala nanométrica, a través de una tensión mecánica aplicada al dispositivo nanopiezotrónico.

    Lo que Wang se empeña en resaltar una y otra vez, como requisito indispensable para el desarrollo de esta nueva área de investigación, es la asociación de dos propiedades del ZnO, como son la piezoelectricidad y su carácter semiconductor. A partir de nanohílos y nanocintas de ZnO, se podrían fabricar nuevos dispositivos como nanotransistores y nanodiodos, que podrían convertirse en los pilares que permitirían la creación de una nueva área de la nanoelectrónica.

   El mecanismo nanopiezotrónico se fundamenta en la capacidad que tienen las estructuras sometidas a una tensión mecánica, de separar las cargas positivas y negativas (piezoelectricidad). La relación entre lo que la estructura ha sido doblada y la generación de carga ha permitido el desarrollo de dispositivos como:

- Nanogeneradores: la deformación creada por una punta de un Microscopio de Fuerzas Atómicas, AFM, sobre un nanohílo de ZnO, (Fig 1.a-d), tiene las siguientes consecuencias:

• Fig 1.b: Distribución de la tensión longitudinal e_z ejercida sobre el nanohílo.
• Fig 1.c: Distribución del campo eléctrico longitudinal E_z inducido por el efecto piezoeléctrico.
• Fig 1.d: Distribución del potencial eléctrico V en el nanohílo.
• Fig 1.e: Contacto Schottky entre la punta y el semiconductor en polarización directa.
• Fig 1.f: Contacto Schottky entre la punta y el semiconductor en polarización inversa.

Fig 1. Fundamento físico del nanogenerador.

- Transistores de efecto campo piezotrónicos: en un transistor de efecto campo (FET) convencional (Fig 2.g) un potencial eléctrico (potencial de puerta) es aplicado para crear un campo eléctrico, que controle el flujo de corriente a través del canal (nanohílo). En el transistor piezotrónico, el flujo de corriente es controlado doblando el nanohílo, lo que produce un cambio en la conductancia. La flexión producida tiene el efecto del voltaje de puerta.

Fig 2. h) FET convencional; h) FET piezotrónico.

- Nanosensores de fuerza: Midiendo los cambios en el flujo de corriente a través de un nanohílo, los sensores piezotrónicos pueden detectar fuerzas del orden de nao- o incluso pico- Newtons.

Fig 3. Gráfico que muestra la relación entre la conductancia de un nanohílo de ZnO y la fuerza de deflexión, mostrando un sensor de fuerza o presión a nanoescala.

   Como éstas, otras aplicaciones se pueden encontrar en la revisión escrita por Wang, "The new field of the nanopiezotronics",  publicado por Materials Today en Mayo de 2007.

Por José Diego Robles 

 Un láser de puntos cuánticos es un tipo de láser semiconductor que como medio activo en su región de emisión de luz usa puntos cuánticos. Estos exhiben una estructura electrónica similar a la de los átomos.

   Los láseres basados en medios tan activos tienen un comportamiento parecido a los láseres de gas y no presentan algunos de los inconvenientes de los láseres de semiconductores tradicionales. Se obtienen mejoras en la modulación de ancho de banda, umbral de excitación, ruido relativo de intensidad, factor de realce de ancho de línea y estabilidad con la temperatura.

   Este tipo de láser puede utilizarse para operar en longitudes de onda imposibles de obtenerse con la tecnología de láser semiconductor actual. Encontrándose aplicaciones en medicina (bisturí láser, tomografía de coherencia óptica), tecnologías de exhibición de imágenes (proyección, TV láser), espectroscopía y telecomunicaciones.

   En comparación al desempeño de los láseres de pozo cuántico tensado convencionales del pasado, el nuevo láser de punto cuántico alcanza una estabilidad ante la temperatura perceptiblemente más alta.

PUNTOS CUÁNTICOS. QUÉ SON: Los puntos cuánticos (QD, quantum dots) son nanosemiconductores que tienen estados de energía completamente cuantizados. Un QD mimetiza las propiedades básicas de una átomo, permitiendo la aplicación práctica de la física atómica en el campo de los dispositivos de semiconductores.

   Cuando el movimiento de un portador de carga en un  cristal esta limitado a un volumen muy pequeño el espectro de energías queda cuantizado, dándonos un caso similar al del electrón en un potencial atractivo de Coulomb en un atómo. Los electrones en semiconductores actúan con masas efectivas pequeñas y así las "cajas" relativamente grandes de 10 nm pueden resultar en energías discretas. De esta manera podemos obtener ganancias materiales mayores que en un semiconductor normal.

LASERES DE PUNTOS CUÁNTICOS. UN POCO DE HISTORIA: A principios de los años 80 Arakawa y Sakaki predijeron que los láseres de QD deberían exhibir un comportamiento menos dependiente de la temperatura que los demás láseres de semiconductores y en particular que no se degradaría a grandes temperaturas.

   Sin embargo las ventajas en la operación no dependen solo del tamaño absoluto de las nanoestructuras en la región activa sino también de una uniformidad en el tamaño. Una distribución amplia de tamaños expande la densidad de estados produciendo comportamiento similar al material completo.

   Así, el desafío a la hora de realizar láseres de QD con operación superior a la mostrada por láseres de pozos cuánticos es la de formar un medio activo de alta calidad con puntos cuánticos uniformes. Inicialmente la aproximación seguida para formar puntos cuánticos fue a través de litografía por electrones apropiada para patrones pequeños de alrededor de 300 Amstrongs y a continuación su transferencia al substrato. El problema que han presentado estas estructuras de puntos cuánticos ha sido su baja eficiencia óptica: altos ratios superficie - volumen de estas nanoestructuras junto con el daño introducido durante el propio proceso de fabricación impidió la formación con éxito de un láser de QD a través de este método.

   Otra forma que se ha probado consiste en aprovechar la alta eficiencia optica de los QD autoensamblados, formados sin necesidad de procesamiento externo y que crecen de forma natural. Bimberg et al. (1996) consiguieron una mejora en la operación láser incrementando las estructuras de puntos cuánticos, apilando sucesivas columnas alineadas de puntos cuánticos y así consiguiendo emparejamiento vertical tanto como lateral de los QD. Además de utilizar los efectos de tamaño cuántico de los QD en el medio activo, también han sido incorporados en la cavidad vertical de los láseres. Como con la demostración de las ventajas del láser de pozo cuántico que lo precedió, la completa promesa del láser de QD debe esperar avances en el entendimiento del crecimiento de materiales y de optimización de la estructura láser.

   A pesar de que los puntos autoensamblados han provisto un enorme estimulo a trabajar en este campo aun quedan un buen número de asuntos críticos relativos al crecimiento y la formación.

   Conforme vayamos entendiendo mejor la dinámica del confinamiento de cargas y evaluemos mejor los mecanismos de pérdida, mejoraran mas aun las características de los dispositivos.

Por Jaime Rodríguez López 

Cualquier alumno que haya estudiado ciencias ha podido escuchar de boca de algún profesor hablar de "jugar". Cuando se habla en estas condiciones hay que interpretarlo como manipular ecuaciones hasta llegar a un resultado, variar condiciones en un montaje experimental o simplemente dedicarte a pensar sobre un cierto problema.

Según la RAE una de las acepciones de jugar es "hacer algo con alegría y con el solo fin de entretenerse o divertirse". En un ambiente coloquial, por lo general, no nos divertimos resolviendo problemas sino usando una pelota, unas cartas…

Ahora bien, científicos de la Chalmers University of Technology y del Instituo de Microelectrónica, en Gotemburgo, han logrado aplicar este concepto coloquial de jugar al ámbito científico creando un pinball de dimensiones micrométricas!!.

Cuando se habla de micromachines mucha gente pensará en aquellos pequeños coches de escala milimétrica que eran anunciados en televisión. Sin embargo en el contexto de la ciencia al hablar de micromachines, a parte de pequeñas maquinas más o menos encuadradas dentro de la ciencia ficción, siempre se hace referencia a los sistemas electromecánicos de tamaño micrométrico o MEMS. Esta tecnología usa herramientas y técnicas que fueron desarrolladas para la industria de los circuitos integrados que ahora son utilizados para la construcción de dispositivos que constan de dos componentes principales, un elemento mecánico y un transductor.

Al hablar de máquinas de escala micro no podemos imaginar maquinas macroscópicas reducidas de tamaño sin más, pues la física en esta escala cambia. En esta escala la proporción área-volumen es mucho mayor apareciendo importantes efectos relacionados con la superficie. Predomina la fricción frente a la inercia, las fuerzas electrostáticas frente a las electromagnéticas, aparecen fenómenos como la "stiction" entendida como la suma de "stick"+"friction"….

Estos dispositivos pueden ser desde un cantilever hasta complejos mecanismos como se pueden observar en las imágenes.

Para la realización de estos MEMS hay diferentes técnicas que grosso modo se podrían englobar en micromecanizado a partir de volumen, a partir de superficie y Liga. Para la realización de estos dispositivos se requiere una gran cantidad de pasos por lo que su diseño es sumamente complejo pues depende también de un gran número de parámetros. Sin embargo tiene la ventaja de su reproducibilidad pues. realizado uno es sencillo realizar muchas copias (como ocurre con los circuitos integrados).

Para la realización de este micropinball se ha desarrollado una secuencia de procesos que permiten crear de manera más sencilla este tipo de mecanismos. Su fabricación consistió en la combinación de oxidación, transferencia de diseño (patterning) y ataque seco (dry etching) a parte de un paso de "plasma bonding!. Como ventajas presenta que el proceso de estampado se realiza en un solo paso en lugar de los varios que se considerarían con otras técnicas habituales. Además el hecho de que el "plasma bonding" se realice a temperatura ambiente permite utilizar una mayor variedad de materiales. Sobre este proceso se puede encontrar información más específica aquí. El dispositivo creado es el que se puede ver en la imagen. Es un pinball de unos 25 mm² de área en el que aparecen cantilevers y micromotores. Esta mesa está inclinada 20 º de modo que se juega con bolas de 150 micras que alcanzan velocidades de 210000 micras/s, que equivaldría a que un balón de fútbol se moviera a una velocidad de 1125 m/s, siendo por tanto un balón supersónico!!.

Otros enlaces relacionados:

http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2008/03/05/nems-mecanica-y-semiconductores-al-servicio-de-la-deteccion-i/

http://physicsworld.com/cws/article/news/17721

http://www.memx.com/

http://mems.sandia.gov/