Nanohilos Semiconductores

Un nanohilo es un alambre con un diámetro del orden de un nanometro. Pueden ser definidos como estructuras que tienen un tamaño lateral restringido a diez o menos nanómetros y de una longitud libre. A estas escalas, los efectos de la mecánica cuántica son importantes por lo que también se les denomina “hilos cuánticos”. Existen muchos tipos diferentes de nanohilos, incluyendo hilos metálicos, semiconductores y aisladores. Los nanohilos moleculares están compuestos de unidades moleculares repetitivas ya sean orgánicas o inorgánicas.

Nanotubos para optolectrónica

La relación entre la longitud y el ancho es casi infinita, hasta de varias micras, por ello, podemos describirlos como materiales unidimensionales. Los nanohilos tienen muchas propiedades interesantes que no se han visto en materiales tridimensionales, no afectados por efecto de borde. Con esta morfología filiforme, si el material que los conforma es semiconductor conseguiremos un confinamiento de carga que circulara sobre todo en la dirección longitudinal que actuará como un hilo eléctrico.

Las características peculiares de este confinamiento cuántico exhibidas por ciertos nanohilos como los nanotubos de carbono se manifiestan a sí mismas en valores discretos de la conductancia eléctrica. Estos valores discretos surgen de una restricción de la mecánica cuántica en el número de electrones que pueden viajar a través del hilo en escala nanométrica. Estos valores discretos son referidos frecuentemente como el cuanto de la conductancia y son valores enteros. Hay muchas aplicaciones donde los nanohilos pueden llegar a ser importantes: en electrónica, optoelectrónica y dispositivos nano electromecánicos, como aditivos en compuestos avanzados, para interconexiones metálicas en dispositivos de nanoescala cuántica, como emisores de campo y como contactos o terminales para los nanosensores biomoleculares.

Prof. Andrew Watt está llevando a cabo una investigación en relación a los nanotubos y la optoelectrónica. Este proyecto involucrará la síntesis de aleaciones de metales para nanotubos mediante el  procesamiento de película delgada en una gran variedad de substratos, la conductividad y la movilidad. Todas estas características son medidas junto con la caracterización físico-química: XRD, SEM, XPS, TEM. Por otro lado, los nanohilos semiconductores son los protagonistas de diversas líneas de investigación sobre futuras generaciones de dispositivos del mundo electrónico en nanoescala. Son considerados como uno de los elementos básicos para desarrollar aplicaciones de nanotecnología. Es importante que tengan una alta relación superficie-volumen donde ciertas propiedades pueden cambiar.

Una de las formas más baratas de obtener nanohilos la encontramos en los sistemas térmicos. Colocando un metal, óxido de zinc por ejemplo, sobre un sustrato y calentando este último, estaremos actuando sobre el primero de tal manera que se alargue y obtengamos un nanohilo con una “gota” de metal en la punta. También podemos colocar un polvo en el interior de un horno e introducir gas dentro. Esto provocará que el polvo se vaya evaporando y al golpear con el gas se formen nanohilos. Introduciendo en los nanohilos zonas de dopaje selectivo con átomos donadores o aceptores de carga, podemos conseguir la creación de unios PN de semiconductores dopados para que circulen por ellos cargas negativas y semiconductores dopados para que sean cargas positivas las que transmitan la corriente, o lo que es lo mismo, creamos en los hilos diodos en la nanoescala. La creación de un diodo es el paso previo a la creación de un transmisor: se alternan en un mismo hilo capas con distinto dopaje o de diferentes materiales semiconductores, aislantes  y metales. Los nanohilos  presentan propiedades optolectrónicas.  

De este modo y gracias a que la técnica actual permite seleccionar la localización en la que se quiere ir generando los nanohilos y tener un control casi absoluto del depósito de capas atómicas de diferentes materiales sobre ellos, podemos crear dispositivos electrónicos u optoelectrónicos con una alta densidad de transistores, diodos o LED y por lo tanto circuitos complejos o paneles lumínicos que ocupen muy poco espacioEl menor espacio implica también un menor consumo energético y un aumento de las prestaciones. En este sentido, los nanohilos semiconductores se han venido utilizando tanto para la creación de nanodispositivos electronicos y optoelectronicos como para sensores o para la creación de generadores de energía y células solares de alto rendimiento.

Las uniones PN y PIN en nanohilos hacen que estos puedan usarse en células solares de alto rendimiento, impulsando las nuevas energías renovablesUna de las aplicaciones “estrella” de los nanohilos semiconductores de óxido de zinc es su capacidad para ser empleados como nanogeneradores. 

Con un desarrollo adecuado, los nanogeneradores funcionarán convirtiendo la energía mecánica del movimiento del cuerpo, la contracción de los músculos o el flujo del agua, en electricidad. Científicos del Memorial Sloan-Kettering Cancer Centre de Nueva Cork anunciaron en 2001 la creación de un nanogenerador molecular diseñado para combatir el cáncer. Su funcionamiento se basa en que, una vez en el cuerpo humano, se introduce en las células tumorales. Aquí libera una serie de partículas atómicas que destruirían las células enfermas sin afectar a las sanas. 

Con otro tipo de nanohilos obtenemos otras aplicaciones. Empleando nitruro de galio para el crecimiento de nanohilos podríamos obtener diodos emisores de luz, nanoláseres ultravioletas de corta longitud de onda y sensores bioquímicos especiales. 

La optoelectrónica simplemente se dedica a todo objeto que esté relacionado con la luz, como por ejemplo los teléfonos móviles, aparatos electrónicos, etc. y es en este campo donde estamos enfocando nuestras investigaciones para crear dispositivos más eficientes y respetuosos con el medio ambiente.

Prof. Andrew Watt