Nanotecnología

  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.

  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

    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.

  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.

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/

Para ello se llevó a cabo un estudio en la Universidad de Dresden (Alemania) sobre una espada de Damasco auténtica forjada en el siglo XVII por el herrero Assad Ullah. Se utilizó un microscopio electrónico de alta resolución para analizar la muestra cedida por el Museo Histórico de Berna (Suiza). La microestructura de estas armas ya había sido estudiada anteriormente, pero los investigadores alemanes tuvieron el acierto de disolver el acero en ácido clorhídrico haciendo así evidentes los nanotubos de carbono y cementita. "Hasta dónde nosotros sabemos, ésta es la primera vez que se detectan los nanotubos de carbono en acero antiguo", explica Peter Paufler, uno de los autores del estudio como publica  EL MUNDO.

  Figura 2. La espada del estudio

Algunos restos muestran pruebas de nanofibras de cementina que no se habían disuelto completamente, lo que indica que estas sustancias podrían haber estado encapsuladas y protegidas por los nanotubos de carbono. "Creemos que estos nanotubos se formaron como consecuencia de la acción combinada de ciertas impurezas (metales de transición) e hidrocarburos, que han actuado como catalizador. Estas impurezas formaban ya parte de las antiguas fórmulas", prosigue el científico. Según el estudio, al tratar de optimizar el procedimiento de la forja, los artesanos acabaron utilizando nanotubos hace más de 400 años.

Algunos químicos discutieron que el acero normal pudiese poseer también estos nanotubos, pero Robert Curl Jr., premio Nobel de Química en 1996 por el descubrimiento de otro tipo de nanocompuestos de carbono (los fullerenos) se ha alineado con los alemanes. "Nuestros antepasados han estado inconscientemente usando la nanotecnología del carbono durante 2000 años", puntualiza a este respecto.

Se han registrado progresos considerables para descubrir las fórmulas originales con las que se fabricaban estas armas, pero los productos finales "difieren todavía en detalle de las espadas originales", admite Paufler. Nos acercamos a unas reproducciones más exactas de estas maravillas de la ingeniería bélica medieval, que aún se oponen a mostrarnos todos los secretos que contienen. Para los que queráis saber más de cómo eran sus propiedades mecánicas (superplasticidad etc) os recomiendo este árticulo.