NANOHILOS: LA CONDUCCIÓN UNIDIMENSIONAL

Por Sergio Carrasco Garrido
Durante los últimos 10 años, unos de los materiales nanoestructurados con más importancia han sido los nanohilos semiconductores. La gran ventaja de este tipo de materiales reside en que el material tiene unas capacidades de conducción eléctrica distintas en escala “nano” de lo que tiene a gran escala. Los electrones, actuando como portadores de carga, o bien los huecos (ausencia de electrones) necesitan que los átomos estén juntos para transmitirse de forma fluida; cuando la anchura del camino que recorren es mucho menor, su movimiento se ve obstaculizado por los átomos del borde del material que provoca una disminución de su velocidad en esa dirección. Estos nanohilos apenas tienen unas decenas de nanómetros de diámetro y frente a este tamaño se puede considerar que su longitud es infinita, de ahí que en la práctica se consideren unidimensionales. De esta forma la carga queda confinada en la sección longitudinal. Incluso, al igual que sucede para los semiconductores convencionales en “bulk”, estos nanohilos pueden ser dopados para conseguir unas determinadas propiedades.
Uno de los retos más importantes en este campo ha sido poder controlar la longitud de estos materiales unidimensionales, ya que en la síntesis convencional solo se consiguen hilos de varios milímetros. En la revista Nature Materials, en el número de Julio de 2011, fue portada un grupo de la Universidad Bilkent de Ankara que afirmaba poder producir nanohilos de longitud indefinida.
NW´s
Nanohilos de GaAs. Prof. Weman, NTNU Innovation and creativity
Los procedimientos de síntesis son actualmente muy variados, desde el crecimiento basado en nanoclusters de metal, crecimiento catalizado por metales y asistido por láser, vapor-líquido-sólido , en fase vapor libre de catalizadores, disolución química, etc (para más información acerca de estos métodos se puede consultar el libro “Nanomaterials Handbook” de Yury Gogotsi, Ed. Taylor and Francis, 2006. Capítulo 9.- “One-dimensional semiconductor and oxide nanostructures”, pp. 285). En internet podemos encontrar un interesante documental breve acerca del crecimiento de nanohilos de oro a partir de unas semillas de este mismo material.
El abanico de aplicaciones de estos materiales es muy extenso y a pesar de que hoy muchas de sus aplicaciones sigan siendo objeto de estudios teóricos y simulaciones, la realidad es que en un futuro muy próximo se espera una aplicación inminente de estos materiales. Como podemos leer en el artículo de Jordi Arbiol, Profesor de Investigación del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona del CSIC, estos materiales ya han sido satisfactoriamente evaluados como transistores, diodos LED, incluso en una aplicación futurible que los incluye como captadores efectivos de la luz para células solares y su consiguiente importancia en el campo de las energías renovables. Quedan en el tintero aplicaciones tan llamativas como sensores (detectores de células cancerígenas ya que al variar el contacto superficial del nanohilo cambian sus propiedades eléctricas) o como memorias electrónicas de elevada capacidad de almacenamiento y muy pequeño volumen.
Pero las aplicaciones no acaban aquí. Recientemente se ha descubierto una forma de alinear estos nanohilos mediante la aplicación de un campo eléctrico externo, tanto más alineados conforme aumenta la fuerza de dicho campo, lo que permite unas posibilidades de escultura y escritura basada en estos materiales. Incluso, podemos observar que el interés de la investigación de los nanohilos no queda únicamente relegado al laboratorio, sino que importantes multinacionales y empresas dedican esfuerzo e inversión a este objetivo. Tal es el caso de la empresa IBM , que investiga profundamente el control y optimización del crecimiento de estos nanohilos con objeto de poder adaptarlo a sus dispositivos miniaturizados, estudiando las propiedades del transporte de carga y por supuesto, lo más importante y de lo que en ocasiones se acusa a la investigación de laboratorio tal cual muchos de nosotros la conocemos, la integración y la fabricación a gran escala.
Dependiendo del tipo de síntesis llevada a cabo y variando las condiciones de crecimiento, se pueden conseguir una serie de geometrías que afectan enormemente a sus propiedades ópticas. Pueden presentar confinamiento cuántico, y también emisión y por tanto ser usados como LEDs como ya hemos señalado. Pero adicionalmente tienen la ventaja de presentar una gran relación área superficial-volumen lo que les hace candidatos idóneos para la detección como sensores y biosensores ópticos. El grupo de investigación al que hace referencia el anterior link trabaja ampliamente en el campo de las propiedades ópticas e intenta dirigir la síntesis de estos nanohilos para conseguir propiedades antirreflejantes, a partir de formas cónicas del nanohilo, favoreciendo el acoplamiento de la luz a diferentes ángulos de incidencia y colores entre el aire y el semiconductor, haciéndolos mejores absorbentes de la luz y emisión de luz direccional.
Todo lo expuesto es solo un ejemplo de la importancia de la miniaturización y la síntesis y crecimiento dirigidos para conseguir las propiedades deseadas. Controlar la estructura y modificarla al antojo de los investigadores proporcionará todo tipo de aplicaciones “a la carta”. Caracterización experimental, predicciones teóricas, simulaciones… cada pocas semanas aparecen artículos con nuevos resultados basados en el desarrollo de nuevos nanohilos como conductores unidimensionales. Aún quedan muchos retos pendientes con este tipo de materiales, en el crecimiento, el proceso y el ensamblaje, pero también respecto al concepto de biocompatibilidad, ya que aún no existe una regulación estricta que los englobe (efectos mediaombientales, toxicidad, manipulación, gestión como residuos, etc., aplicable también a todo material considerado “nano”). Lo que queda claro es que frente a los materiales obtenidos en forma de “bulk” presentan unas propiedades muy atractivas en el terreno electrónico, térmico y óptico y por tanto, aún cabe esperar nuevas sorpresas en este campo de investigación.