Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid han desarrollado un método para sintetizar de manera controlada nanomateriales semiconductores con forma de hilos. El avance facilitará el desarrollo de nuevas tecnologías, como células fotovoltaicas de alta eficiencia y circuitos electrónicos de bajo consumo, según los autores.
Los nanohilos semiconductores, alternativa a las tecnologías convencionales basadas en láminas delgadas, tendrán un papel fundamental en el futuro de la electrónica. Así lo describen en un estudio publicado en ACS Nano Letters investigadores del grupo de Electrónica y Semiconductores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM).
El método desarrollado logra sintetizar de forma controlada nanomateriales semiconductores con forma de hilos. Estas nanoestructuras tienen un diámetro inferior a 60 nanómetros y una longitud que puede llegar a alcanzar varias decenas de micras.
Según los autores, el avance supone un paso importante para el desarrollo de nuevas tecnologías, como células fotovoltaicas de alta eficiencia, fotodetectores de alta sensibilidad y circuitos electrónicos de bajo consumo y alta velocidad de respuesta.
El trabajo se ha publicado en la revista ACS Nano Letters por el grupo de Electrónica y Semiconductores del departamento de Física Aplicada de la UAM, dirigido por Basilio J. García; uno de los pocos grupos en el mundo que trabaja activamente en este sistema.
Las estructuras conocidas como nanohilos se caracterizan por tener una elevada relación de aspecto (longitud/diámetro), de tal forma que su diámetro es mucho más pequeño que su longitud (unas cien veces menor), aportando al nanohilo una inmensa superficie efectiva comparada con su volumen.
Debido a esta propiedad, los nanohilos son considerados como una de las alternativas de futuro para mejorar la tecnología convencional basada en láminas delgadas.
“Aplicaciones como los sensores de luz, químicos, temperatura o presión pueden beneficiarse de esta propiedad única de los nanohilos y aumentar la sensibilidad de los dispositivos electrónicos, a la vez que reducen su coste de fabricación, tamaño y peso”, asegura García.
Además, los nanohilos pueden emplearse para estudiar fenómenos cuánticos y de transporte de carga, no observables en otro tipo de estructuras más convencionales, conocidas como capas gruesas o láminas delgadas.
Simplificación del proceso
En su publicación, los investigadores de la UAM han descrito un método pionero para afrontar el reto de obtener nanohilos a partir de materiales utilizados en tecnologías actuales (pantallas de teléfonos móviles, células solares, circuitos electrónicos de ordenadores, etc.), como son los semiconductores de compuestos III-V (GaAs, AlGaAs, etc.).
El método simplifica otros procedimientos más complejos utilizados hasta ahora para crecer nanohilos. Se desarrolló en un sistema conocido como epitaxia de haces químicos (chemical beam epitaxy, CBE), donde el crecimiento se realiza en una cámara de ultra-alto vacío (es decir, a muy baja presión, con un nivel de vacío similar a los que se encuentra en el espacio exterior).
El crecimiento de los nanohilos de arseniuro de galio (GaAs) se realizó sobre sustratos de silicio. Esto, de acuerdo con el trabajo, requirió realizar una calibración exhaustiva de las condiciones experimentales –flujos de los gases precursores del elemento III (Ga) y del elemento V (As) así como de la preparación del sustrato sobre el que se sintetizaron los nanohilos y su temperatura. De este modo, el sistema permite un control exhaustivo sobre el ritmo de crecimiento de los nanohilos y monitorizar la evolución de su estructura cristalina, es decir su pureza, en tiempo real.
“Después de depositar gotas de galio sobre la superficie ligeramente oxidada del sustrato, controlando su densidad y tamaño, las gotas actúan como trampas que capturan los átomos de Ga y As que se envían a la superficie”, describe García.
“Cuando estas gotas se sobresaturan de As –continúa el investigador– el nanohilo de GaAs empieza a crecer debajo de la gota. La fina capa de óxido de silicio evita que los nanohilos crezcan en otros lugares. El resultado es un crecimiento espectacular de nanohilos prácticamente idénticos”.
Haz de electrones de alta energía
Mediante el uso de un haz de electrones de alta energía focalizado sobre la superficie de crecimiento, los investigadores son capaces de observar el crecimiento de nanohilo y su perfecta estructura cristalina, así como detectar si tiene lugar el crecimiento de otro tipo de cristales parásitos o incluso defectos a lo largo de la estructura de los nanohilos.
“Tal y como se explica en esta publicación, el tratamiento químico de los sustratos sobre los que se crecen los nanohilos, antes y durante el proceso crecimiento, ha resultado ser la clave para obtener nanohilos con elevadas relaciones de aspecto y una calidad cristalina cercana a la ideal para este tipo de material”, concluyen los investigadores.
Referencia bibliográfica:
Carlos García Núñez, Alejandro F. Braña, Nair López, Basilio J. García "A Novel Growth Method to Improve the Quality of GaAs Nanowires Grown by Ga-Assisted Chemical Beam Epitaxy" Nano Letters. DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b00702.
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