Nanotecnología

El silicio es un material muy abundante en la corteza terrestre y con una tecnología muy desarrollada, pero con unas propiedades optoelectrónicas muy pobres debido a su estructura de bandas, y al hecho de que tiene un gap indirecto. Un hito en la historia del silicio fue el descubrimiento de su foto y electroluminiscencia a temperatura ambiente por L. T. Canham en 1990 [1], pero en su versión de silicio nanoporoso. Esto abrió el campo de investigación a nuevos dominios como el de los dispositivos optoelectrónicos y fotovoltaicos, además de su uso como aislante eléctrico, captador bioquímico o parte de microsistemas de filtración y separación.

El silicio poroso es un material nanoestructurado de morfología esponjosa, formado por ramas interconectadas de silicio de tamaño nanométrico, que puede ser descrito en términos de hilos y puntos cuánticos. Los efectos de confinamiento cuántico que suceden en este tipo de estructuras hacen que el gap energético que ven los electrones en silicio poroso sea mayor que el correspondiente al silicio cristalino. A diferencia de otras nanoestructuras que necesitan de procedimientos de obtención altamente sofisticados, el silicio nanoporoso puede obtenerse a partir del silicio cristalino convencional por anodización electroquímica con ácido fluorhídrico, comido seco (con plasma) o comido húmedo (estos dos últimos métodos se limitan a la realización de láminas delgadas de unas pocas micras).         

El espectro de luminiscencia del silicio nanoporoso consta de tres bandas situadas en el azul, el rojo y el infrarrojo. El silicio poroso que se obtiene después de un tratamiento de anodizado exhibe únicamente la banda roja, y en algunos casos la banda infrarroja. La banda azul se observar cuando la muestra contiene una gran cantidad de oxígeno como consecuencia de algún proceso de oxidación. De la tres, la más interesante es la banda roja, ya que es la única que puede ser excitada eléctricamente.

Se han propuesto variados mecanismos para explicar la luminiscencia de la banda roja del silicio poroso, entre los que se pueden citar las especies y moléculas adheridas a la superficie, la existencia de silicio amorfo hidrogenado rodeando los nanocristales de silicio, estados superficiales localizados como consecuencia de átomos de silicio superficiales que sufren una distorsión en los enlaces para acomodarse a cambios en las condiciones locales, o bien efectos de confinamiento cuántico en las ramas nanométricas del silicio.

Este último mecanismo es el que goza de mayor aceptación, pues el confinamiento haría que, bajo el principio de incertidumbre de Heisenberg, la función de onda en el espacio de momentos estuviera deslocalizada, existiendo una mayor probabilidad de que ocurran procesos de recombinación banda a banda. Esto coincide con el hecho observado experimentalmente del corrimiento hacia el azul de la emisión al disminuir el tamaño nanométrico de las ramas de silicio, debido a un ensanchamiento en el gap que ven los electrones. Por tanto, parece que lo más probable es que los procesos de luminiscencia ocurran en los cristalitos nanométricos de silicio, y por tanto con un gap de energía definido.

Los mecanismos que justifican la luminiscencia de la banda infrarroja se deben a enlaces insaturados en la superficie de las ramas de silicio, y la banda azul se puede explicar en función de efectos de confinamiento cuántico o bien como consecuencia de recombinaciones vía defectos de oxígeno como pueden ser la existencia de oxígenos no puente.

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, …

Los puntos cuánticos son estructuras  denominadas 0-D ya que todas sus dimensiones están a escala nanométrica. . El tamaño de dicha estructura juega un papel crucial, ya que es el que determina los niveles de energía y por tanto la longitud de onda de la emisión de dichos niveles cuando se produce una recombinación a través de dichos niveles.. Los puntos cuánticos de mayor tamaño emiten luz con una longitud de onda grande correspondiente al rojo, mientras que los puntos cuánticos de menor tamaño emiten luz ultravioleta, de menor longitud debido a los efectos de confinamiento cuántico. Las posibles aplicaciones del desarrollo de estas estructuras han hecho que muchas empresas se interesen en ellas y en su explotación, un claro ejemplo es la empresa Invitrogen que controla un gran número de patentes de puntos. Para el 2009 se prevé que el mercado global supere los 400 millones de euros.

¿De qué están hechos los puntos cuánticos? En principio cualquier átomo en solitario podría ser perfectamente un punto cuántico. Sin embargo, con los medios actuales no se puede trabajar con átomos individualmente a escala industrial; fundamentalmente se trabaja con estructuras de GaAs, AlGaAs, cadmio, selenio y zinc, si bien en el primer punto cuántico se utlizó carbono y el desarrollo de éstos todavía sigue vigente. Suelen presentar un diámetro de entre 5 y 10 nanometros, mientras que una célula biológica normal tiene alrededor de unos mil; precisamente es este pequeño tamaño el que confiere a estos puntos unas propiedades ópticas y cuánticas especiales. La nanoestructura se comporta como un átomo “artificial” en el que los electrones pasan a formar parte de toda la estructura, Los puntos cuánticos pueden encontrarse embebidos en una matriz o también disueltos. Un ejemplo de puntos cuánticos embebidos en una matriz serían los que se encuentran en el papel monetario, son invisibles a simple vista pero si se les aplica radiación ultravioleta en un detector de billetes falsos se observan claramente. También los podemos encontrar en los diodos láser de los lectores CD y DVD, con lo cual podemos ver que ya sson muy habituales ya en nuestros días

Se han postulado un gran número de aplicaciones para este tipo de estructuras, Leer más »