Nanotecnología

De todos es conocido que  el material semiconductor por excelencia es el Silicio. No obstante, se están desarrollando nuevos materiales con propiedades de conductividad extremadamente buenas que podrían utilizarse en la nanoelectrónica. Este es el caso del grafeno, fabricado por primera vez en un laboratorio en el año 2004.

El grafeno es una forma particular de disponer los átomos de carbono, así como los fullerenos y los nanotubos de carbono. En el grafeno los átomos de carbono se unen en láminas planas de un átomo de espesor, formando un panal de abejas hexagonal (con un átomo en cada vértice).

                                                  Grafeno

En el caso de que se coloquen muchos panales uno sobre otro, se tiene grafito, como es el caso de los lápices comunes. Si se enrolla una porción de una de esas láminas en forma de esfera, como un balón de fútbol, se producen fullerenos, unas moléculas de tan gran interés que a sus descubridores se les concedió el Nobel de Química del año 1996. Si se enrolla el panal formando un cilindro, se tiene un nanotubo de carbono.

                        Fullereno                          Nanotubo de carbono

Como ya se había predicho hace algunos años, una lámina bidimensional, casi plana, de carbono es  termodinámicamente inestable. De ahí, que el grafeno que se ha conseguido sintetizar hasta ahora no es perfecto, y posee defectos microscópicos que son los que le otorgan parte de sus propiedades tan especiales. Entre ellas, cabe destacar las siguientes:

 - Los electrones que se mueven en el “panal” formado por celdas hexagonales con átomos de carbono en los vértices, debido a la interacción con esta red, se comportan como cuasipartículas sin masa llamadas fermiones de Dirac, que se mueven a una velocidad constante cercana a la velocidad de la luz. De manera que pueden mostrar comportamientos relativistas que pueden corroborar experimentalmente lo que se había predicho hace más de 50 años de manera teórica.

 - El paso de los electrones por el grafeno origina un efecto Hall cuántico que es imprescindible para su comportamiento como semiconductor. No obstante mientras que otros semiconductores sólo presentan este efecto a temperaturas muy bajas, el grafeno lo mantiene a temperatura ambiente, lo que le convierte en un semiconductor excelente y su conductividad eléctrica nunca puede ser cero, incluso cuando no hay electrones libres en el grafeno.

 - Debido a las propiedades anteriores, los electrones del grafeno pueden moverse libremente por toda la lámina y no limitarse a un camino recto como ocurre en los transistores convencionales de Si, donde se crean pequeños tubos por donde circula la corriente eléctrica. 

En resumen, el grafeno es un semiconductor que puede operar a escala nanométrica y a temperatura ambiente, con propiedades que ningún otro semiconductor ofrece.

Durante los últimos años han sido desarrollados dispositivos emisores de luz con alta eficiencia, desde el UV hasta el IR usando semiconductores formados por nitruros de metales del grupo III-b, como por ejemplo GaN , abriendo así un gran campo de aplicaciones entre las que podemos destacar la obtención de LEDs (diodos de emisión de luz) verdes y azules y la obtención de diodos láser azules para lectores de DVD que permiten una mayor capacidad de almacenamiento en los mismos que los actuales diodos láser rojos, debido a su menor longitud de onda. Esto es la base del famoso Blu Ray ®. El problema con estos dispositivos es la alta densidad de dislocaciones con que se producen hasta la fecha, lo cual hace disminuir su eficiencia cuántica. Esto quiere decir que disminuye el porcentaje de relajaciones electrónicas que se producen con emisión de luz porque aumentan las relajaciones electrónicas a través de las vibraciones de los átomos que forman la red cristalina. En los LEDs de GaN la densidad de dislocaciones suele ser de 10⁹-10¹⁰ cm^-2, mientras que para los diodos láser de GaN esta densidad de dislocaciones debe ser reducida y suele ser de 10⁶-10⁷ cm^-2., y esto se debe a que hasta estos últimos años no han sido desarrollados sustratos de GaN sobre los que crecer los diodos del mismo GaN.

Una forma de eliminar la influencia de las dislocaciones en la estructuras emisoras de luz consiste en usar puntos cuánticos (las tres dimensiones del orden de los nanómetros) en la zona activa del material.

En la última década ha habido una extensa investigación sobre estos puntos cuánticos en semiconductores. Comparado con el material masivo (tres dimensiones) y con los pozos cuánticos (dos dimensiones), los puntos cuánticos son el prototipo de sistema de cero dimensiones. Los estados electrónicos en los puntos cuánticos están localizados y la energía está totalmente cuantizada. Debido a la cuantización, la densidad de estados cerca del gap es menor, es decir, los niveles electrónicos están más localizados que en sistemas de tres y dos dimensiones, lo que lleva a una mayor deslocalización del momento de esos electrones y por tanto a una mayor eficiencia para las transiciones ópticas. Esta es la más deslumbrante ventaja de los puntos cuánticos para potenciales aplicaciones en dispositivos emisores de luz y en dispositivos detectores.

Además, los puntos cuánticos son más estables a las perturbaciones térmicas y localizan a los portadores inhibiendo su migración a centros de recombinación no radiativa como son las dislocaciones.

De entre los distintos métodos para el crecimiento de puntos cuánticos de semiconductores, el más relevante es el de Stranski-Krastanow de autoorganización (“self assembling”) de los puntos cuánticos, que consiste básicamente en un crecimiento 2D de varias monocapas de semiconductor, llamada capa mojante (“wetting layer”) seguido de la autoformación de pequeñas islas que son los puntos cuánticos: cuando comienzan a crecer las primeras capas del semiconductor sobre el sustrato, debido a la diferencia entre los parámetros de red y entre los coeficientes de dilatación de ambos, el semiconductor va creciendo con una energía elástica acumulada, que va creciendo a medida que aumenta el espesor de la película de semiconductor que se está creciendo, por lo que llegado a un espesor crítico se va a producir la relajación de la película de semiconductor. En este caso, el campo de tensiones fuerza a los átomos a coalescer y la relajación elástica se puede producir en parte mediante la formación de nanoislas sobre esta capa mojante. Estas nanoislas, libres de dislocaciones, son los puntos cuánticos, y sus dimensiones suelen ser piramidales como se puede ver en la imagen, con una altura de uno 3-8 nm y una anchura de unos 10-30 nm.

El GaN por ejemplo se puede crecer por MBE (epitaxia de haces moleculares) sobre un sustrato de silicio (también se pueden usar como sustratos el zafiro y el SiC, pero son más caros) poniendo entre ambos una capa de unos 3000 nm de AlN (“buffer” o “colchón”), que posee la misma estructura cristalina que el GaN (wurtzita) y consecuentemente un parámetro de red y un coeficiente de dilatación térmica más parecidos a los del GaN, y que es capaz de absorber y disipar la mayoría de las tensiones producidas por los distintos parámetros de red y coeficientes de dilatación térmica entre el GaN y el silicio. Tras la deposición de unas pocas monocapas de GaN sobre el AlN (entre 3 y 12), se interrumpe el crecimiento por unos pocos segundos (10 ó 12 s) y se produce la autoformación, debido a la relajación de la red del GaN, de esas pequeñas islitas de GaN llamadas puntos cuánticos.

En la imagen podemos ver un apilamiento de puntos cuánticos de GaN separados de capas de “buffer” de AlN.

Los nanotubos ya eran conocidos en electrónica, se han utilizado como transistores de efecto campo. Es así como los nanotubos abren un nuevo campo de investigación, pasando de ser sólo materiales meramente estructurales (debido a su elevada resistencia y sus propiedades de superficie) a ser materiales altamente interesantes por sus propiedades electrónicas.

 FET de nanotubos de carbono dispersados aleatoriamente sobre un sustrato de silicio. Fuente: http://physicsworld.com

Era cuestión de tiempo que los nanotubos de carbono llegaran a la televisión. No lo harán por ser famosos, que lo son al menos en la esfera científica, sino para formar parte de las pantallas sustituyendo a las actuales de  LCD. Esto está basado en la propiedad del los nanotubos de emitir luz.

     Nanotubos de carbono. Fuentes: www.students.chem.tue.nl, www.wtec.org ,www.wtec.org

Y es que Samsung y más concretamente el laboratorio del gigante coreano, Samsung Advanced Institute of Technology, ha fabricado un prototipo de televisor LCD de 15 pulgadas en el que utilizan nanotubos de carbono como sustitutos de las fuentes convencionales de luz para formar la imagen, es decir, los LEDS. La principal ventaja que se derivaría de esta aplicación sería una bajada considerable del precio del producto.

No es la primera vez que Samsung experimenta con los nantotubos de carbono, de hecho, hace unos años lo intentó con la tecnología denominada FED (field-emited-displays) basada en el bombardeo electrónico por parte de los nanotubos de una pantalla fosforescente.  Es una tecnología similar al tubo catódico pero con la que se podrían obtener mejores resoluciones y calidad de imagen que con una pantalla de LCD o de plasma.

Por otro lado, otras compañías del sector también han construido prototipos para sustituir las pantallas actuales aumentando su resolución y calidad.  Así, Toshiba y Canon investigan en la tecnología SED, stands for surface-conduction electron-emitter display, (http://news.zdnet.com/2100-9584-6047405.html ) en la que los electrones son filtrados en una matriz de cientos de puntos de sólo unos cuantos nanometros de ancho, lo que permite a los electrones iluminar una pantalla.  Pero, estas propuestas no han podido competir con las pantallas basadas en nanotubos de carbono, ya que necesitan líneas de producción nuevas en las fábricas, lo que encarece mucho su precio final, además sus creadores no contaron con la tendencia a la baja del precio que están sufriendo los LCD’s convencionales, lo que hace esta propuesta aún menos competitiva.

Hasta hace relativamente poco, exactamente alrededor de 2003, no se conocía la propiedad de los nanotubos de carbono de emitir luz (http://physicsworld.com/cws/article/news/17407 ), hasta que los investigadores de IBM (http://www.research.ibm.com/ ) la obtuvieron al hacer pasar una corriente a través de ellos, esto no sólo revolucionará el mundo de la imagen, sino que permitirá construir dispositivos optoelectrónicos ultra pequeños para componentes de comunicación de alta velocidad. 

Los nanotubos son objetos que poseen estructura tubular con diámetros del orden de un nanómetro, o sea, de un millonésimo de milímetro y, sin embargo, su longitud puede ser de hasta un milímetro, por lo que dispone de una relación longitud : anchura tremendamente alta. El carbono es de los pocos materiales que puede llegar a formar nanotubos, al igual que puede adoptar otras formas por su estructura cristalina. Los nanotubos de carbono más estudiados son los de estructuras de fullerenos.

Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes que se conocen. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso de unidad y poseen propiedades eléctricas muy interesantes, conduciendo la corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que los tradicionales cables de cobre.

 El grafito (sustancia utilizada en lápices) es formado por átomos de carbono estructurados en forma de panel. Estas capas tipo panel se colocan una encima de otra. Una sola capa de grafito es muy estable, fuerte y flexible. Dado que una capa de grafito es tan estable sola, se adhiere de forma débil a las capas de al lado, por esto se utiliza en lápices, porque mientras se escribe, se caen pequeñas escamas de grafito. En fibras de carbono, las capas individuales de grafito son mucho más grandes que en lápices, y forman una estructura larga, ondulada y fina, tipo-espiral. Se pueden pegar estas fibras una a otras y formar así una sustancia muy fuerte, ligera (y cara) utilizada en aviones, raquetas de tenis, bicicletas de carrera etc. Pero existe otra forma de estructurar las capas que produce un material más fuerte todavía, enrollando la estructura tipo-panel para que forme un tubo de grafito. Este tubo es un nanotubo de carbono.

         En el caso de formar nanotubos de carbono, éstos pueden ser clasificados en función de parámetros estructurales de los mismos y así podemos establecer las siguientes clasificaciones:

            1.- Según el número de capas, pueden ser:

- nanotubos de capa múltiple, formadas por capas concéntricas de forma cilíndrica:

- nanotubos de capa múltiple, formadas solo por una capa bidimensional de grafito:

2.- Clasificación genérica:

- nanotubos charal, no tiene simetría de reflexión y son no isomórficos.

- nanotubos no-chiral, poseen simetría de reflexión y son isomórficos.

En cuanto a las características de los nanotubos de carbono, además de ser tremendamente resistentes, poseen propiedades eléctricas interesantes. Una capa de grafito es un semi-metal, esto quiere decir que tiene propiedades intermedias entre semiconductores (como la silicona en microchips de ordenador, cuando los electrones se muevan con restricciones) y metales (como el cobre utilizado en cables cuando los electrones se mueven sin restricción). Cuando se enrolla una capa de grafito en un nanotubo, además de tener que alinearse los átomos de carbono alrededor de la circunferencia del tubo, también las funciones de onda estilo mecánica cuántica de los electrones deben ajustarse. Este ajuste restringe las clases de función de onda que puedan tener los electrones, lo que a su vez afecta el movimiento de éstos. Dependiendo de la forma exacta en la que se enrolla, el nanotubo puede ser un semiconductor o un metal.

Aquellos que no tenemos acceso a microscopios de gran resolución estamos acostumbrados a ver imágenes planas y estáticas de este mundo en miniatura. Para aquellos a los que les pique la curiosidad de ver cómo son realmente esas imágenes en relieve, en el portal Nanoscience podemos ver animaciones en tres dimensiones generadas al escanear las imágenes de un microscopio (Scanning Probe Microscope) y gracias al software SPIP de renderización 3D, cuya galería podemos encontrar aquí.
Imagen UHV-STM de moléculas de C60 de 3.1 nm de diámetro. o Ptmountains.
Renderización del recubrimiento de platino de un instrumento biomédico. La topografía de la superficie es importante para determinar el grosor y la textura del recubrimiento, que puede afectar sensiblemente a la corrosión.
La distancia entre los puntos más altos y las fosas más profundas es de unos700 nm.

Imagen en modo AFM AC de un tribloque copolímero de Poli (2-vinilpiridina). La resolución del escaneado es de 1 µm x 1µm

Siguiendo con las animaciones, podemos encontrar otras renderizaciones en 3D en el famoso portal youtube, en este caso de nanotubos y fullerenos
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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 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. (more…)

En esta galería te presentamos algunas imágenes curiosas de la nanotecnología. Si quieres saber más, a qué corresponden, para qué sirven, cómo se obtienen: coméntalas!