Nanotecnología

En esto consiste una de las aplicaciones nanotecnológicas del GaN, ya que, en determinadas condiciones de crecimiento, pueden obtenerse nanohilos autoensamblados de diámetros reducidos, con una alta cristalinidad. Éstos pueden utilizarse en la fabricación de láseres, dispositivos emisores de luz o cristales fotónicos (figura 2).

                                    Figura 2

Las columnas que se obtienen están libres de dislocaciones y presentan una eficiencia de extracción de luz bastante buena (los picos de fotoluminiscencia que aparecen son más intensos que en el caso del GaN crecido de forma convencional). Cuando se utilizan pozos cuánticos múltiples de InGaN/GaN embebidos en los nanohilos, los pozos de InGaN quedan encerrados entre las barreras de GaN, estando los alrededores del hilo rodeados por aire. Esto hace que se cree la estructura de disco cuántico.

Recientemente, se han fabricado LEDs basados en nanohilos InGaN/GaN con pozos cuánticos múltiples de InGaN [1]. Estos dispositivos son capaces de emitir a temperatura ambiente desde el rojo hasta el azul, pero en general lo que se observa en estas estructuras es que emiten en múltiples colores. La nucleación cristalina aleatoria y espontánea en el estadio inicial de crecimiento de las nanocolumnas introduce fluctuaciones tanto en la composición como en el tamaño, y esto queda reflejado en la emisión multicolor que se observa. Para evitarla y poder seleccionar un color de emisión concreto, se hace necesario homogeneizar tanto la composición como el tamaño de las nanoestructuras.

Esta homogeneización puede conseguirse con un crecimiento selectivo de los nanohilos de nitruro de galio [2]. Para ello, se pueden utilizar nanopuntos nitrurados de aluminio sobre sustratos de silicio (111) que actúen como centros de nucleación para el GaN. Este último se crece mediante el procedimiento de epitaxia de haces moleculares asistida por plasma generado por radiofrecuencia (rf-MBE), obteniendo estructuras tubulares tanto en el sustrato de silicio como alrededor de los nanopuntos de AlN. La desviación del grosor de la pared del tubo que crece a partir de los nanopatrones de aluminio es menor que el diámetro de las nanocolumnas que crecen sobre el propio sustrato de silicio. Es más, si se elige adecuadamente la temperatura de deposición, se puede inhibir el crecimiento del GaN sobre el sustrato, de forma que los nanohilos crecen únicamente en las zonas donde se hayan depositado los nanopuntos de AlN (figura 3: [2]).

                                  Figura 3

[1] Xu, T., Nikiforov, A. Y., France, R., Thomidis, C., Williams, A., Moustakas, T. D., Blue-green-red LEDs based on InGaN quantum dots grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy, phys. stat. sol. (a) 204, nº 6, 2098-2102 (2007).  

[2] Ishizawa, S., Kishino, K., Kikuchi, A., Selective-Area Growth os GaN Nanocolumns on Si (111) Substrates Using Nitrided Al Nanopatterns by RF-Plasma-Assisted Molecular-Beam Epitaxy, Applied Physics Express 1, The Japan Society of Applied Physics, 2008.

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.

Existen varios mecanismos para modificar las propiedades ópticas de los materiales y por tanto su aplicación en dispositivos fotónicos. Si variamos las dimensiones de un material es posible modificar sus propiedades ópticas  ya que variamos su confinamiento dieléctrico. Estos efectos de tamaño serán cada vez mas importantes ya que la tendencia actual es hacia la miniaturización de los dispositivos. Además existen otros mecanismos asociados a la estructura de los dispositivos heterogéneos.

En las nanoparticulas con algunas de sus dimensiones menores que 10nm, aparecen nuevos efectos, ya que las leyes de la física clásica dejan de ser validas y necesitamos de la física cuántica para poder explicarlos. Por ejemplo, la energía potencial mínima de un electrón confinado dentro de una nanoparticula es mayor que la esperada en física clásica y los niveles de energía de sus diferentes estados electrónicos son discretos. Debido al confinamiento cuántico, el tamaño de la partícula tiene un efecto drástico sobre la densidad de estados electrónicos y por ello sobre la respuesta óptica.

Una aplicación de los efectos de confinamiento cuántico es la fabricación de diodos láseres avanzados, utilizando pozo, hilos y puntos cuánticos. En un láser de pozo cuántico, la emisión de luz se realiza paralelamente a las caras que confinan el pozo. Las ventajas de este tipo de láseres son la sintonizabilidad de la emisión láser, una ganancia óptica superior -densidades de corriente umbrales inferiores a los láseres de semiconductores- y estabilidad frente ala variación de temperatura. En los años 80 se desarrollaron los diodos de hilo cuántico y desde la ultima década hasta la actualidad ha habido un gran esfuerzo en desarrollar y comercializar los láseres de punto cuántico.

El tamaño mínimo de un punto cuántico corresponde al de una molécula, lo que establece una conexión entre la electrónica cuántica (inorgánica) y la optoelectronica molecular, cuyo fin es el diseño y construcción de dispositivos utilizando moléculas o agregados moleculares. Los OLEDs –organic light emission diode- son LED basados en películas de materiales orgánicos y poliméricos.

El principal problema de los láseres de punto cuántico es la emisión se produce entre las caras que delimitan el pozo y el haz laser a de propagarse en la dirección perpendicular de las caras. Para solucionar este inconveniente, se utilizan reflectores tipo braga de multicapas con distinto índice de refracción o de cristal fotónico. Estos láseres de emisión superficial con cavidad  vertical VCSEL –vertical cavity surface emitting laser- se pueden integrar en sistemas de dos dimensiones con empaquetamientos superiores a los 10⁶ cm^-2. Pueden fabricarse VCSEL sobre un sustrato matricial y poderlos utilizar así en sistemas de proyección, impresoras láser, escáneres, …

Recientemente se ha descubierto una nueva técnica de fabricación que permite obtener pequeños LEDs (diodos emisores de luz) altamente eficaces, a partir de nanohilos. Estos LEDs emiten luz ultravioleta, lo que los hace muy apropiados para la mayor parte de dispositivos basados en luz, por no mencionar una aplicación muy importante como es el almacenamiento de datos. Esta nueva técnica de fabricación ha sido desarrollada en el 'National Institute of Standards and Technology (NIST)'.

 Dicha técnica es compatible con una producción comercial a gran escala, lo que representa ya de por sí una clara ventaja. Estos nanodispositivos emisores de luz podrían representar la base de una nueva tecnología más barata (muy importante) y ultra-compacta, que incluiría sensores y dispositivos de comunicación óptica. ¿Cuáles serían sus principales aplicaciones? Pues básicamente, para almacenamiento de información y como dispositivos sensores biológicos. Pero, para ello, los nanohilos de los que proceden tendrían que ser de un tipo particular de material semiconductor. Los candidatos que más prometen para estos 'nanoLEDs' son el nitruro de galio, el nitruro de aluminio y el nitruro de indio. Las técnicas de fabricación son variadas, entre ellas se encuentra la fotolitografía (que consiste en un grabado con luz), y otras técnicas variadas. En el NIST, lo que hacen es alinear los nanohilos aplicando un campo eléctrico, lo que les ahorra la actual forma de separarlos uno a uno, y esto es lo que hace que sea rentable a nivel comercial.

 Una característica de los nuevos nanohilos LEDs es que están hechos de un solo compuesto: nitruro de galio (GaN). En realidad son uniones P-N, y pueden funcionar con poca potencia. Cuando se aplica un voltaje a la unión, el LED emite luz con un pico de emisión que cae en el rango ultravioleta. El grupo que ha trabajado en esto en el NIST ha desarrollado diferentes LEDs y los ha probado comprobando que tenían las mismas propiedades ópticas, y que aguantaban además bastante tiempo.

LED emitiendo luz

Es curioso, pero entre todas las lecciones que recuerdo de mi etapa en el colegio, en la antigua EGB, junto a cosas como agujeros negros, superconductividad, el Big Bang y trenes que volaban… que nos contaban para, sabiamente, captar nuestra atención, me acuerdo del día que nos contó, nuestro genial profesor de Ciencias (D. José Luis), la diferencia entre conductores, semiconductores y aislantes. Y lo cierto es que los semiconductores no me gustaron mucho, la verdad, me parecieron un poco sosos, algo… mediocres, porque ¿qué es eso de conducir, pero a medias? Nada. No me convencían en absoluto.

Y llegó el último año de colegio, antes de pasar a la Universidad, en el que tuve que hacer un trabajo sobre el transistor. Fue una experiencia divertida, aunque me costó enterarme de que "Silicon" no se traducía por "silicona" sino por "silicio", y descubrí que el transistor, estaba basado en semiconductores. Esas cosas que yo había despreciado unos años antes resultaban ser la base de toda la tecnología en la que vivimos inmersos. Pero la verdad, tampoco me emocioné tantísimo. Supongo que es algo así como la rueda: un grandísimo invento, pero nadie llora de emoción cuando sale a la calle.

Hasta que llegué a la Universidad y una vez pasados los tres primeros cursos descubrí que los semiconductores son mucho más que una cosa que "conduce, sí, pero a medias", y también son más cosas que sólo el transistor. O ¿qué pensaba? ¿Qué los punteros láser que venden en las tiendas de todo 1€ llevan incorporada una cavidad resonante de medio metro de longitud (pero "metros de los pequeñitos") en la que producir una inversión de población y la consiguiente emisión láser? No señor, lo que estos punteros de 1 € y una gran cantidad de aparatos con aplicaciones en investigación, cirugía o posicionamiento llevan dentro es un semiconductor. Igual que los LEDs, esas bombillitas que ya tenemos en todos lados que consumen poco e iluminan mucho y que se encuentran desde en los semáforos de la calle hasta en los ratones ópticos de sobremesa. Los semiconductores no sólo estaban por doquier, sino que eran parte de aparatos muy diversos con aplicaciones muy distintas. Además, ya no sólo conducían la electricidad, sino que también podían recoger y emitir luz.

Ahora bien, el mundo sigue avanzando imparable en su desarrollo tecnológico, pero su objetivo primordial ya no es la miniaturización de las cosas, no, porque la palabra "miniaturización", irónicamente, se le ha quedado grande. El James Bond del futuro no llevará una cámara de alta definición en su alfiler de corbata, además llevará una impresora láser y un compartimento para guardar el ticket del parking. Ahora el futuro está en la nanotecnología.

El gran problema y la gran ventaja de la nanotecnología no es que todo sea más pequeño y difícil de manejar, tampoco la gran disipación que se puede producir si se intenta pasar mucha corriente por una región tan pequeña, ni la gran fricción que sufren los materiales por el importante valor de la relación superficie - volumen, sino que la Física subyacente es la Física Cuántica, un modelo que puede ser complicado de manejar con sistemas sencillos y que, cuando se aplica a cosas complejas, como se pretende con la nanotecnología, da lugar a fenómenos completamente inesperados o difícilmente controlables, aunque, siempre, muy interesantes. Como decía Ivan K. Schuller (un investigador de San Diego nacido en Rumanía que habla español con acento chileno) en una charla que dio hace poco en la UCM:"Cuando se empuja a la Ciencia para buscar cosas aplicadas uno se encuentra aquello que espera encontrar, pero cuando se empuja a la Ciencia para apretar los límites de la Física uno se encuentra lo inesperado, que es mucho más interesante desde el punto de vista práctico." Leer más »