Materiales, sensores y películas delgadas.

Dr. Francisco Javier Espinosa Faller  (fjespinosa@marista.edu.mx)

Ing. Alfredo Repetto Madariaga

El grupo de materiales, sensores y películas delgadas estudia el desarrollo de nuevos materiales y nano-estructuras con énfasis en materiales con potencial para ser utilizados en sensores así como en dispositivos de conversión de energía solar. Mediante el uso de técnicas de vacío, como la deposición física de vapor, se crecen películas delgadas de distintos materiales para obtener las estructuras que sirvan como elementos activos de sensores y fotoceldas. 

En el estudio de materiales se utilizan técnicas estructurales como la difracción de rayos-x y la absorción de rayos-x de donde se obtiene información básica sobre la estructura cristalina de largo y corto alcance así como las distorsiones atómicas asociadas a los materiales complejos. Mediante el uso de espectroscopias eléctricas, ópticas o de la estructura electrónica se relacionen las propiedades de los nuevos materiales con su estructura atómica. El conocimiento básico de las propiedades de los nuevos materiales y de sus interacciones con otros materiales habilita el poder utilizarlos en futuras aplicaciones.

En conjunto con el desarrollo de nuevos materiales y dispositivos se desarrollan sistemas de monitoreo. Se integran sensores a microcontroladores para la lectura y transmisión de datos que son procesados por software elaborado específicamente para el análisis y la toma de decisiones.  

Algunas de las preguntas que tratamos de responder son:

    1-  ¿Cuál es la estructura atómica local, mesoscópica y extendida de los materiales con potenciales aplicaciones en sensores y fotoceldas?

   2. ¿Qué relación hay entre la estructura cristalina, las inestabilidades y defectos de red y las propiedades de los materiales?

   3.  ¿Cómo podemos crecer materiales en forma de película delgada de forma tal que sean útiles en dispositivos?

   4.   ¿Qué fenómenos físicos y químicos podemos utilizar para desarrollar nuevos sensores?

   5.  ¿Qué estructuras y nuevos materiales podemos crecer para el desarrollo de dispositivos de conversión fotovoltaica?

    6.  ¿De qué forma podemos utilizar e interconectar estos dispositivos? 

Morales R. Karelis

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Departamento de Energías Renovables, Materiales y Dispositivos Fotovoltaicos. (CIEMAT). La energía solar del futuro

La tecnología de «película delgada» puede ser una alternativa más asequible y rentable que las células fotovoltaicas actuales

La energía solar fotovoltaica ha aumentado mucho su eficacia en las últimas décadas, pero todavía no de forma suficiente para su entrada masiva en el mercado. La investigación en este campo sigue centrada en encontrar técnicas de producción de dispositivos fotovoltaicos más baratas que las actuales. Ése es el objetivo del grupo de Mª Teresa Gutiérrez en el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT).

El hecho de que ciertos materiales generen electricidad cuando les da el sol fue descrito como una curiosidad científica por el físico Edmond Becquerel cuando tenía sólo 19 años, en 1839. Pero pasó mucho tiempo antes de que se entendiera el efecto fotoeléctrico y se pensara en emplearlo como fuente de energía. Hacia finales del siglo XIX se fabricaron las primeras células fotovoltaicas, de selenio, que convertían en energía eléctrica el 1% de la luz que incidía sobre ellas (enseguida se usaron en cámaras fotográficas para medir la luz); y en 1954 los famosos Laboratorios Bell crearon las primeras células de silicio, antepasadas de las que se usan hoy en los paneles comerciales. Pero sólo convertían en electricidad el 4% de la luz (lo que equivale a decir que su eficacia era del 4%), mientras que las actuales convierten el 17%. Además, según cifras del Departamento de Energía estadounidense el coste de la energía generada por paneles fotovoltaicos se ha reducido en una veinteava parte en las últimas décadas.

El CIEMAT ha desarrollado equipos a escala piloto para la preparación de materiales en película delgada de aplicación fotovoltaica

Un salto grande, pero no suficiente. «A la energía solar fotovoltaica siempre se le achaca que es una tecnología cara, no rentable», afirma Mª Teresa Gutiérrez, del Departamento de Energías Renovables, Desarrollo de Materiales y Dispositivos Fotovoltaicos del Ciemat. «Así que buscamos abaratar los procesos», sigue. El trabajo del grupo se ha centrado en la tecnología de película delgada, una de las alternativas a las células fotovoltaicas de silicio monocristalino.

Dentro del llamado Proyecto MARISOL el grupo del CIEMAT ha desarrollado equipos a escala intermedia entre el laboratorio y una planta industrial para la preparación de materiales en película delgada de aplicación fotovoltaica. Algo así como una planta piloto de lo que podría llegar a ser una instalación industrial. «Se trata de demostrar que la tecnología de película delgada puede usarse en la industria fotovoltaica».

Películas frente a cristales

Los módulos fotovoltaicos más usados en la actualidad se basan en el silicio monocristalino. Este material tiene una estructura atómica muy uniforme que facilita el flujo de los electrones -importante para lograr una buena eficacia-, pero para obtenerlo primero hay que fundir silicio de alta pureza y después crecer de nuevo la estructura entorno a un único cristal «semilla». Este silicio monocristalino deberá después ser tratado y cortado convenientemente para ser transformado en una célula fotovoltaica, que además debe conectarse individualmente a muchas otras para formar un módulo (los paneles solares están formados por muchas células fotovoltaicas). Es, en conjunto, un proceso farragoso y caro.

La tecnología de película delgada ha aparecido en las últimas décadas como alternativa al silicio monocristalino. «Con esta tecnología ya no hay que crecer un cristal, cortar las obleas, perder material en los cortes...» explica Gutiérrez. Al contrario: con la película delgada se puede hacer crecer el material adecuado con el espesor deseado, sobre la superficie que se quiera y de las dimensiones apetecidas.

Una superficie continua.

El principio de funcionamiento de las células de película delgada es el mismo que el de las células de silicio monocristalino: ambas están hechas de materiales superconductores que crean una corriente eléctrica cuando les da la luz, y a los que se añade un dispositivo conductor para recoger y transportar los electrones. Pero ahí acaban las similitudes.

De forma simplificada, la tecnología fotovoltaica de película delgada se puede definir mediante el depósito de grandes superficies (1m2 aproximadamente) de películas delgadas de conductores y semiconductores sobre un sustrato, utilizando una técnica de conformado adecuada para conseguir un dispositivo integrado. Los dispositivos así preparados tienen espesores de alrededor de decenas de micras.

El hecho de usar diferentes sustratos puede diversificar mucho la aplicación: el panel puede estar encima de las tejas, y ser ondulado

Una diferencia entre la tecnología de película delgada y la de silicio monocristalino, explica Gutiérrez , es que el hecho de usar diferentes sustratos puede diversificar mucho la aplicación: el módulo fotovoltaico puede estar colocado encima de las tejas de un tejado y ser ondulado, o un vidrio de una ventana puede convertirse en un módulo fotovoltaico. Se puede utilizar en principio cualquier tipo de sustrato teniendo en cuenta algunos requerimientos. En la tecnología de silicio monocristalino, en cambio, se parte siempre de una oblea.

Cámaras de vacío

¿Dónde radica el problema para que los dispositivos de película delgada no inunden el mercado fotovoltaico? Su eficiencia se considera aceptable: se ha obtenido alrededor de un 12% con dispositivos estables de seleniuro de cobre e indio. Sin embargo, la viabilidad comercial de estos módulos requiere esfuerzos importantes en los temas de fabricación. Para conseguir un proceso de fabricación de bajo coste en estos módulos es necesario una mejora de la utilización de los materiales y la optimización de los procesos de preparación de los mismos en grandes áreas.

El reto es conseguir un proceso continuo en el que se introduzca un sustrato por un lado y por el otro salga el módulo terminado, lo cual va a abaratar mucho los costes de producción. «Se trata de diseñar procesos para que la industria fotovoltaica concluya que le interesa instalar una línea de producción de módulos de película delgada». El equipo de Gutiérrez ya ha demostrado que es posible preparar materiales de aplicación fotovoltaica no ya sobre 1cm2 sino sobre 900cm2.

Las dos cámaras que usa el grupo para fabricar los módulos son el resultado del proyecto Marisol. El primer paso del proceso es la metalización del sustrato y se hace en una de las cámaras. Pero la técnica para el paso siguiente es distinta y debe hacerse en la otra cámara: la deposición de la capa «absorbente», que es la que absorbe las partículas de luz, y el llamado «material ventana». Finalmente se pasa de nuevo a la primera cámara para depositar el material conductor y una última capa.

Es la primera vez que estos investigadores se enfrentan a equipos de escala mayor que los usados en investigación básica de laboratorio. «Ha sido una experiencia muy útil para entrar en contacto con gente de la industria, algo muy importante», dice Gutiérrez.

Morales R. Karelis

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PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE PELÍCULAS DELGADAS DE ÓXIDOS DE VANADIO

El vanadio es un metal de transición que presenta múltiples estados de oxidación +2, +3, +4 y +5, lo que posibilita que dentro del sistema vanadiooxígeno se puedan formar 14 tipos de óxidos diferentes. Los óxidos de vanadio exhiben interesantes propiedades electrónicas, siendo que muchos de estos óxidos presentan una transición metal - aislante alrededor de cierta temperatura crítica, acompañada de una serie de cambios en su estructura y comportamiento eléctrico, magnético y óptico. El dióxido de vanadio (VO2) es el más estudiado, y también el que ofrece más interés debido a sus propiedades ópticas y eléctricas.  Para este compuesto la transición de fase de metal a aislante es alrededor de los 340 K, por su parte el V2O3 presenta una transición metal-aislante a 170 K acompañada por un cambio estructural de la red cristalina de tetragonal a monoclínica, observándose al mismo tiempo una transición desde un estado paramagnético a un estado antiferromagnético. El estudio a partir de películas delgadas de estos materiales ha tomado mucha importancia en los últimos tiempos, por sus propiedades electrocrómicas y su potencial uso como interruptores ópticos. Recientemente se ha estudiado el comportamiento eléctrico de películas delgadas de VOx (0.8 ≤ x ≤ 1.22) de 100 Å de espesor, crecidas sobre sustratos de SrTiO3, encontrándose que el  sistema presenta una transición gradual de un comportamiento metálico a semiconductor cerca de x=0.94. En este trabajo se estudiaron las propiedades eléctricas de películas delgadas de óxidos de vanadio crecidas en un sistema magnetrón sputtering r.f. variando el flujo de oxígeno en su fabricación encontrándose que el comportamiento Guerrero et al. 1084 Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2009; S1 (3): 1083-1085 eléctrico de estas películas depende fuertemente del contenido de oxígeno.

2. PREPARACIÓN DE MUESTRAS

Sobre sustratos de vidrio fueron depositadas películas delgadas de óxidos de vanadio mediante la técnica magnetrón sputtering r.f. empleando un blanco de vanadio puro. La presión de la cámara, la temperatura del sustrato y el tiempo de crecimiento permanecieron constantes a, 9x10-3 mbar 470 ºC y 1 hora respectivamente. El flujo de oxígeno para el depósito de cada muestra se mantuvo constante y con el fin de obtener varias muestras en diferentes ambientes de oxígeno se varió desde 0.3 hasta 0.7 sccm (centímetro cúbico estándar por minuto). Las fases de las películas delgadas de óxidos de vanadio fueron determinadas usando difracción de rayos X. Las medidas de resistividad en función de la temperatura se hicieron utilizando un sistema de adquisición automático, que permite incrementar la temperatura desde 50 hasta 360 K y medir el cambio en la resistencia eléctrica por el método estándar de las cuatro puntas, esto es, fijando una corriente que será  suministrada a la película en dos puntos y midiendo el voltaje en los otros dos puntos al extremo de la misma.

3. RESULTADOS

Películas delgadas de V-O crecidas sobre vidrio, para flujos de oxígeno de 0.7, 0.6, 0.5, 0.4 y 0.3sccm de O2. Como se observa, a medida que disminuye el flujo de oxígeno en la fabricación de las películas (desde 0.7 sccm hasta 0.5 sccm), se presenta un cambio en su composición química de la forma VO2 → VO2 + V2O3 → V2O3, mientras que en las muestras con 0.4 y 0.3 sccm de oxígeno sólo se observó V2O3. Como se observa, para películas fabricadas con flujo de oxígeno entre 0.3 y 0.6 sccm el comportamiento es tipo conductor, es decir, su resistividad aumenta con aumentos en la temperatura, aunque por debajo de 125 K la resistividad de las muestras permanece casi constante. La muestra fabricada con mayor flujo de oxígeno presenta una mayor resistividad, y aquella con menor flujo de oxígeno presenta la menor resistividad. En el rango de temperaturas medidas (50 K-292 K) no se observó ninguna transición metal - aislante.

4. CONCLUSIONES

Se crecieron películas delgadas de óxidos de vanadio sobre sustratos de vidrio bajo diferentes flujos de oxígeno y se analizó su comportamiento eléctrico, estableciéndose que este presenta una dependencia con el flujo de oxígeno empleado en su crecimiento. Así, las muestras fabricadas con 0.3, 0.4, 0.5 y 0.6 sccm de O2 presentan un comportamiento conductor mientras que las muestras fabricadas con 0.7 sccm de oxígeno exhiben un comportamiento aislante. De acuerdo con esto, las muestras presentan una transición desde un estado conductor a un estado aislante de la muestra con 0.6 sccm a la muestra con 0.7 sccm de O2.

Morales R. Karelis

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9-12, diciembre de 2002 ãSociedad Mexicana de Ciencia de Superficies y de Vacío 9 Estudio de películas delgadas de Cd1-x Znx Te, para 0<x<1, utilizando la técnica CSVT-FE

Películas delgadas de Cd1-xZnxTe fueron crecidas en substratos de vidrio utilizando la técnica transporte de vapor en espacio reducido combinada con evaporación libre (CSVT-FE, por sus siglas en ingles) usando la coevaporación de CdTe y ZnTe. La incorporación del Zn fue controlada por medio de la temperatura de la fuente de ZnTe. La composición de las películas fue determinada por medio de la espectroscopia de energía dispersiva de rayos-x y la difracción de rayos-x fue utilizada para evaluar la transición estructural del CdTe a ZnTe. Mediante espectroscopia de transmisión a temperatura ambiente se determino el ancho de la banda prohibida de la aleación. El parámetro de red y el ancho de energía prohibida de las muestras muestran una variación asociada con el cambio en la concentración de Zn.

1. Introducción

El sistema Cd1-xZnxTe es de interés debido a que el CdTe y ZnTe forman una solución sólida a través de toda la composición, y pueden ser impurificadas tipo p. El ancho de energía prohibida de este material puede ser variado desde 1.5 eV, que corresponde al CdTe, hasta 2.3 eV, que corresponde al ZnTe, controlando la composición de la aleación. La estructura cristalina del CdTe y del ZnTe son ambas del tipo zincblenda, por lo que se espera que la incorporación de Zn en CdTe no estará impedida por factores estructurales. En particular las películas delgadas de CdxZn1-xTe son de mucho interés debido a sus aplicaciones en celdas solares de alta eficiencia y detectores de radiación gamma . Este material ha sido crecido en todo el rango por técnicas costosas, tales como Epitaxia de haces moleculares (MBE, por sus siglas en ingles), y deposito químico de metalorgánicos al vacío (MOCVD, por sus siglas en ingles). Utilizando técnicas baratas, tales como transporte de vapor en espacio cerrado (CSVT, por sus siglas en ingles) y Epitaxia de paredes calientes (HWE, por sus siglas en ingles), se han crecido películas de Cd1- xZnxTe, en algunos rangos, a partir de la evaporación decristales de Cd1-xZnxTe crecidos por el método de Bridghma. La técnica transporte de vapor en espacio reducido combinada con evaporación libre (CSVTFE por sus siglas en ingles) es un método conveniente para el crecimiento de materiales ternarios debido a que es posible controlar las temperaturas de diferentes compuestosseparadamente, con el objetivo de tener muestras con diferente estequiometria. Es una técnica barata, ya que puede operarse a presión atmosférica bajo un gas inerte y usa temperaturas moderadas; su operación es simple, y las películas obtenidas son compactas. En este trabajo reportamos el crecimiento de películas delgadas de Cd1-xZnxTe, para 0<x<1, utilizando la técnica CSVT-FE , usando como parámetros de crecimiento las temperaturas de las fuentes de los materiales coevaporados. Estas películas son obtenidas por primera vez en todo el rango utilizando una técnica barata y en una sola etapa de crecimiento. Las muestras se caracterizaron estructuralmente utilizando difracción de rayos X. La composición química mediante espectroscopia de energía dispersiva de rayos-x (EDAX, por sus siglas en ingles) y las propiedades electrónicas mediante espectroscopia de Superficies y Vacío 15, 9-12, diciembre de 2002 Sociedad Mexicana de Ciencia de Superficies y de Vacío 10 transmisión. Los resultados confirman la obtención de la solución sólida.

2. Detalles experimentales

Las películas fueron crecidas en un sistema de evaporación al vacío evacuado por una bomba difusora con una trampa de nitrógeno  líquido, capaz de obtener una presión final de 10-6 Torr. La presión en la cámara de crecimiento durante la evaporación fue mantenida por debajo de 10-5 Torr. Los materiales utilizados en la coevaporación fueron CdTe polvo 99.99 % at. Y  nTe 99.999 % at. Marca Balzers. Como substratos fueron utilizados substratos de vidrio Corning 7059, los cuales están libres de sodio. La fuente del CdTe fue mantenida a 500°C durante el proceso de crecimiento, mientras la fuente de ZnTe fue variada entre 500°C y 700°C, in incrementos de 50°C, con el objetivo de tener diferentes concentraciones de Zn. Adicionalmente se creció una película de CdTe y una de ZnTe. Para todas las composiciones se mantuvo la temperatura del substrato fija a 400°C y el tiempo de crecimiento en 10 minutos. Las concentraciones de los elementos fueron determinadas usando EDAX, usando un microscopio electrónico de barrido JEOL 6300. Las mediciones de difracción de rayos-X fueron realizadas en un difractómetro Rigaku Geigerflex con un ánodo de cobre. Las mediciones de transmisión fueron realizadas en un espectrofotómetro marca Perkin Elmer modelo Lambda 40. Las mediciones de composición de los elementos fueron realizadas en diferentes puntos, indicando la misma composición con una variación de 1 % at.; asimismo las mediciones ópticas mostraron completa reproducibilidad en los espectros obtenidos en diferentes regiones de la muestra.

Morales R. Karelis

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La computación cuántica

La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la clásica. Es una de las áreas más estudiadas en la investigación y que probablemente revolucione más nuestra vida actual, este área aprovecha las propiedades del mundo cuántico para aumentar la eficacia y eficiencia de los ordenadores, en cuanto a computación se refiere; en cuanto se consiguiera realizar el computador cuántico, todos los sistemas de seguridad informática actuales quedarían obsoletos ya que estas nuevas computadoras serían muy seguras debido a sus propiedades cuánticas. La computación cuántica no solo mejorará la seguridad de la información, sino que el tamaño de los ordenadores será muchísimo menor al del actual, se podrían resolver una cantidad mayor de problemas nuevos gracias a una mayor capacidad de computación. Aunque todo esto todavía queda un poco lejos dadas las dificultades técnicas .

¿Qué significa esto? Se refiere a los fenómenos que tendrá que enfrentar la tecnología de las computadoras cuando el tamaño de sus componentes (transistores, circuitos, etc.) rebase un límite inferior determinado, para el que las leyes de la física son fundamentalmente diferentes a las que se aplican en el mundo macroscópico.

Aproximadamente cada dos años, la velocidad y la capacidad de almacenamiento de las computadoras se han venido duplicando; esto ha venido acompañado de una miniaturización del componente fundamental del hardware: el transistor. Actualmente por ejemplo, IBM puede fabricar chips (circuitos integrados de la computadora) de un cuarto de micrón (un micrón es una millonésima de metro), conteniendo cerca de 200 millones de transistores.

Sin embargo, a ésta escala las leyes de la física clásica siguen siendo válidas, y el transistor puede seguir siendo tratado como un objeto que responde a leyes clásicas, en base a las cuales están construidas todas las computadoras actualmente. Pero de seguir la tendencia en la reducción en el tamaño de los componentes, tendremos muy probablemente que enfrentarnos con las leyes cuánticas, cuando el tamaño de éstos alcance niveles atómicos.

Desarrollo: una computadora cuántica hace uso del uso en paralelo mediante el empleo de bits cuánticos (qubits): un qubit es la extensión cuántica de un bit, es decir en una computadora tradicional, el código es binario, 0 ó 1, pero dado el carácter cuántico de los átomos, además de los estados 0 y 1 de un átomo existirían estados mezcla, es decir una superposición de los estados 0 y 1, se está trabajando en el campo de los semiconductores para conseguir meter más iones en las trampas cuánticas. Es como si el qubit existiera en dos universos paralelos: en uno como 0 y en el otro como 1, una misma operación efectuada sobre un qubit se realizará en forma simultánea en ambos universos (sobre ambos valores), mientras mayor sea el número de qubits utilizados, el número de universos posibles también aumenta.

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La nanotecnología al servicio de los fotodetectores

Para empezar, muchos de vosotros os preguntaréis qué es un fotodetector. Pues bien, un fotodetector es un dispositivo basado en materiales semiconductores que transduce una señal fotónica en una señal eléctrica. En otras palabras, es un dispositivo que cuya superficie sensora es capaz de proporcionar una señal eléctrica como respuesta a la radiación óptica que incide sobre ella.

Los materiales que se utilizan en la fabricación de estos dispositivos suelen ser semiconductores como el silicio, el arseniuro de galio, el germanio, u otros compuestos ternarios (combinación de tres tipos de materiales que darán lugar a propiedades óptimas para estos dispositivos optoelectrónicos).

Aunque existen dos tipos de fotodetectores, térmicos y fotónicos, nos centraremos aquí en los segundos.

El quid de la cuestión llega ahora, cuando nos preguntamos por qué la nanotecnología entra en el campo de los fotodetectores.

¿Cómo mejora la nanociencia el funcionamiento de estos dispositivos?

Una de las aplicaciones de los fotodetectores consiste en cámaras de visión nocturna.

Actualmente éstas se basan en caros chips de arseniuro de galio e indio.

Con la aplicación de la nanotecnología a este campo, la visión nocturna se consigue mediante fotodetectores sensibles a la luz en la región del infrarrojo, que son las ondas por ejemplo que emiten los radiadores o los microondas que tenemos en nuestras casas, o también las emitidas por el propio cuerpo humano.

Estos fotodetectores están basados en una capa de 800 nanómetros de grosor de nanopartículas fotosensibles, y son diez veces más sensibles a los infrarrojos que los sensores utilizados actualmente. La universidad de Toronto, donde se realizó el estudio, afirma que "este sistema se podría aplicar en otros campos, como la formación de imágenes en medicina, el control ambiental o las comunicaciones por fibra óptica" Los límites en la fotosensibilidad del silicio y el elevado coste de semiconductores como el arseniuro de galio e indio (InGaAs) hace que los estudios en este campo sean constantes.

La investigaciones más recientes llevadas a cabo por la Universidad de California en San Diego apuntan sin embargo a los nanocables semiconductores como los fotodetectores más eficientes del futuro.

Un nanocable es un cable que tiene un grosor de un nanómetro (es decir, su grosor es 1.000.000.000 veces más pequeño que un metro) y precisamente es la geometría de estos nanocables lo que los hace tener excelentes propiedades para la detección de la luz. Se piensa incluso que se podría conseguir con ellos fotodetectores con la sensibilidad de un solo fotón que es la máxima sensibilidad posible que un fotodetector puede tener.

  

La clave de estas propiedades tan únicas de los nanocables es la gran superficie o área que presentan en relación a su volumen debido a su geometría, de forma que esta amplia área le facilita enormemente la detección de la luz. Además, al tener asociado tan poco volumen, la relación señal-ruido del dispositivo o sensibilidad del mismo se amplifica enormemente; en otras palabras, la señal se percibe mucho más claramente, tanto que el ruido se reduciría a una milésima parte con respecto a los fotodetectores más grandes convencionales fabricados con los mismos materiales. En realidad, la idea es bastante intuitiva: al tener un diámetro tan reducido, la luz (los fotones) es conducida a través del interior del nanocable de forma completamente direccional, y con elevada eficiencia y rapidez.

Además de presentar sensibilidades mucho más altas, estos fotodetectores basados en nanocables presentan una alta velocidad de respuesta, y no sólo eso; combinando los nanocables adecuadamente podríamos fabricar un fotodetector sensible a más de un color.

Según la universidad, "se espera que permitan nuevas arquitecturas de fotodetección para dispositivos de imagen, memorias de almacenamiento, comunicaciones ópticas dentro de los chips y otras aplicaciones de escala nanométrica".

Morales R. Karelis

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Nanotubos de carbono

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.

Morales R. Karelis

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La computación cuántica

La computación cuántica es un paradigma de computación distinto al de la clásica. Es una de las áreas más estudiadas en la investigación y que probablemente revolucione más nuestra vida actual, este área aprovecha las propiedades del mundo cuántico para aumentar la eficacia y eficiencia de los ordenadores, en cuanto a computación se refiere; en cuanto se consiguiera realizar el computador cuántico, todos los sistemas de seguridad informática actuales quedarían obsoletos ya que estas nuevas computadoras serían muy seguras debido a sus propiedades cuánticas. La computación cuántica no solo mejorará la seguridad de la información, sino que el tamaño de los ordenadores será muchísimo menor al del actual, se podrían resolver una cantidad mayor de problemas nuevos gracias a una mayor capacidad de computación. Aunque todo esto todavía queda un poco lejos dadas las dificultades técnicas .

¿Qué significa esto? Se refiere a los fenómenos que tendrá que enfrentar la tecnología de las computadoras cuando el tamaño de sus componentes (transistores, circuitos, etc.) rebase un límite inferior determinado, para el que las leyes de la física son fundamentalmente diferentes a las que se aplican en el mundo macroscópico.

Aproximadamente cada dos años, la velocidad y la capacidad de almacenamiento de las computadoras se han venido duplicando; esto ha venido acompañado de una miniaturización del componente fundamental del hardware: el transistor. Actualmente por ejemplo, IBM puede fabricar chips (circuitos integrados de la computadora) de un cuarto de micrón (un micrón es una millonésima de metro), conteniendo cerca de 200 millones de transistores.

Sin embargo, a ésta escala las leyes de la física clásica siguen siendo válidas, y el transistor puede seguir siendo tratado como un objeto que responde a leyes clásicas, en base a las cuales están construidas todas las computadoras actualmente. Pero de seguir la tendencia en la reducción en el tamaño de los componentes, tendremos muy probablemente que enfrentarnos con las leyes cuánticas, cuando el tamaño de éstos alcance niveles atómicos.

Desarrollo: una computadora cuántica hace uso del uso en paralelo mediante el empleo de bits cuánticos (qubits): un qubit es la extensión cuántica de un bit, es decir en una computadora tradicional, el código es binario, 0 ó 1, pero dado el carácter cuántico de los átomos, además de los estados 0 y 1 de un átomo existirían estados mezcla, es decir una superposición de los estados 0 y 1, se está trabajando en el campo de los semiconductores para conseguir meter más iones en las trampas cuánticas. Es como si el qubit existiera en dos universos paralelos: en uno como 0 y en el otro como 1, una misma operación efectuada sobre un qubit se realizará en forma simultánea en ambos universos (sobre ambos valores), mientras mayor sea el número de qubits utilizados, el número de universos posibles también aumenta.

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La nanotecnología al servicio de los fotodetectores

Para empezar, muchos de vosotros os preguntaréis qué es un fotodetector. Pues bien, un fotodetector es un dispositivo basado en materiales semiconductores que transduce una señal fotónica en una señal eléctrica. En otras palabras, es un dispositivo que cuya superficie sensora es capaz de proporcionar una señal eléctrica como respuesta a la radiación óptica que incide sobre ella.

Los materiales que se utilizan en la fabricación de estos dispositivos suelen ser semiconductores como el silicio, el arseniuro de galio, el germanio, u otros compuestos ternarios (combinación de tres tipos de materiales que darán lugar a propiedades óptimas para estos dispositivos optoelectrónicos).

Aunque existen dos tipos de fotodetectores, térmicos y fotónicos, nos centraremos aquí en los segundos.

El quid de la cuestión llega ahora, cuando nos preguntamos por qué la nanotecnología entra en el campo de los fotodetectores.

¿Cómo mejora la nanociencia el funcionamiento de estos dispositivos?

Una de las aplicaciones de los fotodetectores consiste en cámaras de visión nocturna.

Actualmente éstas se basan en caros chips de arseniuro de galio e indio.

Con la aplicación de la nanotecnología a este campo, la visión nocturna se consigue mediante fotodetectores sensibles a la luz en la región del infrarrojo, que son las ondas por ejemplo que emiten los radiadores o los microondas que tenemos en nuestras casas, o también las emitidas por el propio cuerpo humano.

Estos fotodetectores están basados en una capa de 800 nanómetros de grosor de nanopartículas fotosensibles, y son diez veces más sensibles a los infrarrojos que los sensores utilizados actualmente. La universidad de Toronto, donde se realizó el estudio, afirma que "este sistema se podría aplicar en otros campos, como la formación de imágenes en medicina, el control ambiental o las comunicaciones por fibra óptica" Los límites en la fotosensibilidad del silicio y el elevado coste de semiconductores como el arseniuro de galio e indio (InGaAs) hace que los estudios en este campo sean constantes.

La investigaciones más recientes llevadas a cabo por la Universidad de California en San Diego apuntan sin embargo a los nanocables semiconductores como los fotodetectores más eficientes del futuro.

Un nanocable es un cable que tiene un grosor de un nanómetro (es decir, su grosor es 1.000.000.000 veces más pequeño que un metro) y precisamente es la geometría de estos nanocables lo que los hace tener excelentes propiedades para la detección de la luz. Se piensa incluso que se podría conseguir con ellos fotodetectores con la sensibilidad de un solo fotón que es la máxima sensibilidad posible que un fotodetector puede tener.

  

La clave de estas propiedades tan únicas de los nanocables es la gran superficie o área que presentan en relación a su volumen debido a su geometría, de forma que esta amplia área le facilita enormemente la detección de la luz. Además, al tener asociado tan poco volumen, la relación señal-ruido del dispositivo o sensibilidad del mismo se amplifica enormemente; en otras palabras, la señal se percibe mucho más claramente, tanto que el ruido se reduciría a una milésima parte con respecto a los fotodetectores más grandes convencionales fabricados con los mismos materiales. En realidad, la idea es bastante intuitiva: al tener un diámetro tan reducido, la luz (los fotones) es conducida a través del interior del nanocable de forma completamente direccional, y con elevada eficiencia y rapidez.

Además de presentar sensibilidades mucho más altas, estos fotodetectores basados en nanocables presentan una alta velocidad de respuesta, y no sólo eso; combinando los nanocables adecuadamente podríamos fabricar un fotodetector sensible a más de un color.

Según la universidad, "se espera que permitan nuevas arquitecturas de fotodetección para dispositivos de imagen, memorias de almacenamiento, comunicaciones ópticas dentro de los chips y otras aplicaciones de escala nanométrica".

Morales R. Karelis

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Transistores basados en nanotubos de carbono: el transistor más pequeño del mundo

Cuando se habla de transistores, le viene a uno a la cabeza la imagen de complejos circuitos electrónicos, con cientos de dispositivos de los que se desconoce tanto su utilidad como el porqué la creciente obsesión de los investigadores de disminuir todo lo posible su tamaño y aumentar su rapidez de respuesta.

Por tanto la cuestión en primer lugar sería, ¿qué es un transistor y para qué sirve? Los transistores son pequeños dispositivos eléctricos que permiten amplificar la corriente eléctrica que pasa por ellos, y que, según sea necesario, pueden permitir o interrumpir el paso de dicha corriente. Los transistores están en prácticamente la mayoría de los dispositivos de uso diario, desde radios, televisores, reproductores de audio, vídeo o mp3, móviles, microondas o automóviles, hasta otros más sofisticados como relojes de cuarzo, ordenadores, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X o incluso ecógrafos.

Ahora podemos llegar a entender porqué interesa que su tamaño sea el mínimo posible y su capacidad de respuesta, máxima. No interesaría fabricar una calculadora de dimensiones desmesuradas, y que encima funcionara a paso de tortuga.

¿Y qué se ha hecho para conseguir esto? Aplicar la nanotecnología a estos dispositivos; en concreto, fabricar transistores con nanotubos de carbono.

Éstos son tubos compuestos únicamente de carbono, que pueden alcanzar hasta algunos milímetros de largo, pero cuyo diámetro es 1.000.000.000 veces menor que un metro, es decir, que  tienen un tamaño tan pequeño que podríamos acomodar 50.000 nanotubos de carbono en el espesor de un pelo,  y que además poseen unas propiedades tan excelentes como ser casi 100 veces más fuertes que el acero. Los nanotubos de carbono son las fibras más fuertes así como más conductoras jamás conocidas, siendo capaces de transportar la corriente eléctrica prácticamente sin fricción sobre la superficie; esta alta movilidad de los electrones permitiría compatibilidad con las aplicaciones tecnológicas de gran velocidad. Por tanto pueden actuar como semiconductores, que son los materiales con los que se fabrican los transistores de los que antes hemos hablado.

Al fabricar transistores con nanotubos de carbono se consigue reducir drásticamente su tamaño, y por tanto poder meter muchos más transistores dentro de un mismo chip o microprocesador con el consecuente aumento de la velocidad de respuesta de los dispositivos electrónicos.

IBM anunció en el año 2002 que había creado los transistores de nanotubo de más alto desempeño hasta la fecha, superando incluso a los prototipos de transistores de silicio del momento: "Los investigadores de IBM obtuvieron la transconductancia (medida de la capacidad de corriente) más alta lograda a la fecha entre los transistores de nanotubo de carbono. Una transconductancia alta implica que los transistores pueden operar más rápidamente, por lo que los circuitos integrados resultantes son más poderosos".

En noviembre del año 2004, Infineon Technologies presentó el transistor de nanotubos de carbono más pequeño  del mundo, con un tamaño de 18 nanómetros.

Esta compañía fue pionera en la cultivación de nanotubos de carbono en puntos definidos con mucha precisión, lo cual como veremos más adelante, es el principal problema que supone la fabricación de estos innovadores dispositivos.

Los nanotubos de carbono de este minúsculo y único transistor tienen diámetros comprendidos entre 0,7 y 1,1 nanómetros. El transistor es capaz de trasladar corrientes en exceso de 15 µA a un voltaje de solo 0,4 V (lo normal es 0,7 V) y se cree que con la aplicación de nanotubos de carbono se podrían lograr voltajes de suministro tan bajo como 0,35V.

Actualmente los procesadores Core 2 Duo de Intel ponen de manifiesto el uso cotidiano de la nanotecnología con sus transistores de 45 nanómetros, y está previsto que para el año 2009 su tamaño se reduzca a 32  nanómetros. Estos transistores no son de nanotubos de carbono, pero Intel está estudiando sacar al mercado esta nueva tecnología en un futuro no muy lejano, ya que cabe esperar que los circuitos de silicio convencionales alcancen un límite físico de unos 10 nanómetros en los próximos 15 años aproximadamente.

A pesar de la gran cantidad de ventajas que presentan estos dispositivos, el problema de la aplicación de la nanotecnología del carbono a los transistores es la complejidad de su fabricación en cuanto a la colocación de los nanotubos en el lugar deseado. En referencia a esto, los avances son constantes pero lentos. Parece ser que el zafiro cristalino como sustrato facilitaría la colocación ordenada de nanotubos de carbono, permitiendo así la fabricación de transistores flexibles. Pero las investigaciones al respecto siguen a la orden del día. Los últimos avances ponen de manifiesto transistores que, en su función de interruptores automáticos, alcanzan frecuencias de corte de 30 GHz. La técnica utilizada para su fabricación se conoce como dielectroforesis, y permite una deposición uniforme de los nanotubos de carbono alineados sobre un sustrato de silicio. 

Morales R. Karelis

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NANOTECNOLOGÍA EN LA MEDICINA

Los entusiastas de la nanotecnología tienen grandes esperanzas en que esta traerá nuevos tratamientos de gran efectividad contra las enfermedades. La razón es simple: la nanotecnología opera  a la misma escala que la biología. Una molécula de ADN tiene una anchura de unos 2.5 nm, y una proteína como la hemoglobina tiene un diámetro de unos 5 nm. Las células humanas son mucho mas grandes, del orden de entre 10 y 20 micras, lo que significa que los materiales y dispositivos nanométricos pueden entrar fácilmente en la mayoría de las células, e incluso sin activar ninguna respuesta inmunitaria. La esperanza es que las partículas, materiales y dispositivos nanométricos puedan ser diseñados para interaccionar con los materiales biológicos de una manera más directa, eficiente e incluso precisa. Y debido a su pequeño tamaño, serán capaces de acceder a áreas del cuerpo, tales como el cerebro y células individuales, a las cuales ha sido difícil acceder con las tecnologías actuales.

Por ejemplo, el National Cancer Institute en Estados Unidos dice sobre las promesas de la nanotecnología: ? ? Sacceder al interior de las células vivas ofrece la oportunidad de avances sin precedentes en los campos tanto clínico como de investigación. Poder insertar sondas nanométricas dentro de células individuales avanzará el conocimiento sobre las formas complejas en que la célula opera y permitirá la rápida detección de células aberrantes que dan lugar a la enfermedad? ??.

Algunos futuros desarrollos incluyen:

-Nanosensores circulando por el torrente sanguineo para controlar el nivel de colesterol, glucosa y otras hormonas.

-Nanoestructuras de oro que apunten a células cancerígenas. Una vez localizadas, pueden ser destruidas mediante láser no invasivo.

-Nanopartículas inteligentes que buscan una localización específica en el cuerpo humano y después liberan la medicina al objetivo preciso.

-Puntos cuánticos luminiscentes que puedan reconocer selectivamente una determinada proteína en una célula viva.

-Nanopartículas de plata que maten bacterias resistentes a los antibióticos.

-Andamios nanoestructurales 3D para crecer tejidos y órganos humanos.

Además, algunos materiales nanométricos para aplicaciones en biomedicina exhibirán propiedades inusuales que pueden incrementar su funcionalidad. Particulas que son más pequeñas de unos 100 nm se pueden comportar de manera diferente a partículas más grandes de la misma substancia. Pueden tener diferente resistencia, color, elasticidad, toxicidad, conductividad eléctrica, una mayor reactividad etc. Estas propiedades estructurales, ópticas y eléctricas únicas en la escala nanométrica se deben a efectos cuánticos. Además, las propiedades cuánticas cambian también dentro del a escala nanométrica, por ejemplo, algunas nanopartículas de oro son reactivas, y otras diferentes son inertes, por lo que también influye la forma. Es posible que nanopartículas esféricas de 20 nm de una determinada substancia sean inocuas para las células, y que otras nanopartículas de 60 nm de la misma substancia con forma de hilos sean toxicas para esas células.

La nanotecnología ya ha cambiado la forma en que algunas medicinas son formuladas, y en ciertos casos, reformuladas. Cuando un componente farmacéutico es formulado como una nanopartícula, su nivel de biodisponibilidad aumenta, es decir, el cuerpo puede absorber ese componente más rápida y fácilmente, y de este modo, utilizarlo con mayor efectividad. Como ejemplo, algunas de las múltiples medicinas y/o recursos ya aprobadas por la FDA son:

-Abraxane®: nanopartículas que contienen paclitaxel usadas para aumentar la cantidad de medicina anticancer disponible para matar células de cáncer de mama.

-Doxil®: sistema de dosificación nanoestructural basado en liposomas recubiertos de polímeros para el tratamiento del cáncer de ovarios.

-Emend®: versión con partículas nanométricas del fármaco Aprepitant® (con el fin de aumentar su nivel de disponibilidad) para prevenir nauseas en pacientes enfermos de cáncer sometidos a quimioterapia.

-Silcryst®: nanopartículas de plata incorporadas en vendas debido a sus propiedades antimicrobióticas.

-Silvagard®: catéter recubierto de nanopartículas de plata antimicrobióticas para uso en el interior del cuerpo humano.

Por último, cabe mencionar que, al mismo tiempo que la nanomedicina es y puede ser beneficiosa, hay muchas preguntas sin contestar acerca del impacto de esta tecnología en la salud y en el medio ambiente. Algunos nanoproductos podrían entrar en el cuerpo de forma no deseada a través del medio ambiente y/o la cadena alimenticia y provocar enfermedades. Todavía nadie está seguro de cómo distinguir entre nanoproductos benignos y peligrosos, y el naciente campo de la nanotoxicología esta inundado de incertidumbre.

Morales R. Karelis

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Efecto del confinamiento cuántico en las propiedades ópticas de los nanomateriales

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.

Morales R. Karelis

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Transistores de capa delgada sobre sustratos flexibles

La investigación en dispositivos electrónicos basados en semiconductores orgánicos ha experimentado un gran desarrollo en los últimos años. Ello se debe en parte a la gran cantidad de semiconductores orgánicos existentes, a la facilidad con que pueden ser depositados sobre grandes superficies mediante técnicas relativamente simples, como spin-coating o evaporación térmica, y también, al hecho de que cada vez es más fácil procesar materiales orgánicos a la carta, con propiedades previamente predefinidas. 

Dentro de los dispositivos orgánicos podemos destacar los diodos emisores de luz, OLEDs organic ligh emisión diode-, transistores de efecto de campo (OTFTs) y células solares fotovoltaicas.  Debido a las características de los OLEDs estos pueden utilizarse como excelentes emisores de luz. Se diseñan para emitir luz de manera difusa en una gran variedad de colores. Al emitir de forma superficial, se pueden crear laminas con dimensiones mayores de decímetros cuadrados para simular la luz natural. 

La fabricación de transistores orgánicos de efecto de campo (OTFTs) ha despertado también un enorme interés en la comunidad científica. Por un lado, los OTFTs poseen interés tecnológico como dispositivos que se utilizan en las pantallas planas. Además, la fabricación de OTFTs constituye una potente herramienta para el estudio de las propiedades eléctricas del semiconductor orgánico. Los OTFTs permiten obtener la movilidad de efecto de campo de los portadores mayoritarios del semiconductor. Asimismo, las medidas en temperatura para diferentes tensiones de puerta permiten obtener información sobre la distribución de defectos presentes en el material.

En el caso particular de las células solares de capa delgada, una de las tecnologías que ha cosechado más éxito es la basada en estructuras bicapa con grosores de pocas decenas de nanómetros. Estas estructuras bicapa consisten en general en el depósito mediante evaporación térmica de capas delgadas de semiconductores orgánicos de pequeña molécula. Entre las estructuras que han proporcionado mejores resultados se pueden citar las basadas en fitalocianina de cobre y fullerenos.

Morales R. Karelis

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