05/09/2018 - Nanotecnología. Los nanohilos semiconductores serán claves en la electrónica del futuro

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Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han desarrollado un método innovador para sintetizar, de manera controlada, nano-materiales semiconductores con forma de hilos. Estas nano-estructuras tienen un diámetro inferior a 60 nanómetros y una longitud que puede llegar a alcanzar varias decenas de micras.

El método, realizado en un sistema CBE, es revolucionario y único en la UAM, y 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 fue publicado en la revista ACS Nano Letters por el grupo de Electrónica y Semiconductores del departamento de Física Aplicada de la UAM, dirigido por el Dr. Basilio J. García; uno de los pocos grupos a nivel mundial trabajando activamente en este sistema

Nanohilos

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 importante 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 Dr. 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.

Crecimiento de nanohilos

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 permite 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 Dr. 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” (ver la imagen superior tomada mediante microscopia electrónica de barrido).

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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