Nuevo método para obtener parámetros de materiales cristalinos por difracción

Miembros del grupo Ciencia e Ingeniería de los Materiales (TEP-120) de la Facultad de Ciencias de la UCA han desarrollado un nuevo procedimiento para medir parámetros reticulares de materiales cristalinos, aquellos que conforman la mayoría de los semiconductores y metales, así como muchas de las cerámicas avanzadas. También se usan en aplicaciones de ingeniería.

Las medidas se toman con alta precisión a partir del análisis de diagramas de difracción de electrones, técnica utilizada para estudiar la materia haciendo que haces de electrones acelerados por voltajes descomunales incidan sobre una muestra sólida y muy delgada, y observando el patrón de interferencias de ondas resultante.

Para contextualizar el alcance de esta invención se debe considerar que este método servirá para extraer información "muy certera", tras analizar la distancias entre sus átomos, de las estructuras y de las composiciones de los materiales cristalinos a escala sub-nanométrica, ya que estos investigadores trabajan principalmente a niveles de resolución de picómetros, la billonésima parte de un metro.

Esto “es crucial para lograr una mejora en el diseño y posible uso de los materiales en sistemas estructurales y funcionales en aplicaciones tales como la nanoelectrónica y las telecomunciaciones del futuro”, tal y como explican los dos responsables de esta iniciativa, el estudiante de doctorado de nacionalidad hindú, Daniel Carvalho, y su supervisor, el profesor Francisco M. Morales.

Caracterizar defectos en las estructuras

“Este tipo de metodología también permite caracterizar aspectos de los materiales como la presencia de defectos en las estructuras, las fases cristalográficas desarrolladas, la distribución de los elementos químicos involucrados, la morfología de los subsistemas que lo componen, las tensiones internas y sus posibles deformaciones, las transiciones entre estados energéticos, etc.; todo ello a escalas del orden de las longitudes de los enlaces atómicos, sin olvidar que nos ayuda a poder relacionar estos parámetros con sus propiedades físicas”, como indican desde el grupo de excelencia TEP-120.

Hay que destacar que hasta la fecha se habían desarrollado algunas técnicas de análisis para el mismo fin propuesto en la patente, pero son, la capacidad de extraer información con alta rapidez de adquisición y análisis, de forma barata, e incluso de zonas muy localizadas, “las que dotan de novedad, solvencia y potencialidad a este método de la difracción de electrones en modo TEM (transmission electron microscopy) desarrollado con la ayuda de los microscopios electrónicos de transmisión de última generación con los que cuenta nuestra Universidad”, en palabras de Morales.

Asimismo, se debe pensar en el hecho de que “existen sólidos como el oro o el silicio que ya se han estudiado muchísimo y de los que sabemos las distancias entre sus átomos con las altas precisiones buscadas; pero continuamente se desarrollan otros nuevos materiales, dispuestos cada vez incluso con tamaños más pequeños, como las nano-estructuras (dimensiones en la millonésima parte del milímetro), de los que todavía no se conocen estas distancias reticulares con las bajas incertidumbres requeridas, y aquí es donde entran en juego sin duda las ventajas que proporcionan nuestro método”.

Desarrollo de un software

Tanto el profesor Morales como Daniel Carvalho, trabajan ya en el desarrollo de un software que ayude a la comercialización y distribución de este procedimiento, una herramienta susceptible de aplicación industrial. De hecho, la prestigiosa revista Microscopy and Microanalysis “acaba de publicar un artículo en el que describimos este nuevo método acuñado con el nombre de HRED (high-resolution electron dfiffraction)”.

El objetivo futuro de estos investigadores es seguir desarrollando nuevas técnicas y metodologías relacionadas con la difracción de electrones en colaboración con la profesora Teresa Ben Fernández, la otra codirectora de tesis de Carvalho. Se busca contribuir de forma importante en el ámbito del desarrollo de nuevos materiales cristalinos a distintas escalas (macro-micro-nano-pico).

El grupo TEP-120, que dirige el catedrático Rafael García Roja, se ha convertido en un referente nacional y ha adquirido gran prestigio internacional. La labor desarrollada por sus investigadores desde finales de los años 80 les ha llevado a dominar y desarrollar diversas técnicas para la resolución de problemas científicos y tecnológicos implicados en electrónica, opto-electrónica, fotónica y fotovoltaica. Ahora asumen uno de los retos más relevantes en la ciencia e ingeniería de materiales actual: resolver estructuras cristalinas con mayor rapidez y más precisión, junto al requisito de la investigación actual de hacerlo a bajo coste.