A FONDO : NANOFOTÓNICA

A FONDO : NANOFOTÓNICA

NANOFOTÓNICA, una de las tecnologías del futuro

nanofotónica es una de las tecnologías del futuro y por eso nos interesa en Domodesk, puede parecer que la nanofotónica es alta tecnología sólo apta para aplicaciones industriales e informáticas, sin embargo cuando esta tecnología esté lo suficientemente desarrollada tendrá su influencia en todos los ámbitos del día a día de las personas.

 La Nanofotónica es la ciencia que se ocupa del estudio de las interacciones entre la materia y la luz a escala nanométrica, así como de la fabricación de material nanoestructurado que procesan ondas de luz. La fabricación de materiales nanoestructurados es la ciencia e ingeniería que recibe el nombre de nanotecnología. La nanofotónica es, por tanto, una nanotecnología que se basa en la fotónica como medio.

Desde que Richard Feynman estableció que las leyes de la Física no impiden manipular las cosas átomo a átomo, y de esto hace ya 50 años (29 Diciembre 1959 en la conferencia anual de la American Phisical Society en el Instituto Tecnológico de California), se ha estado buscando la manera de poder diseñar materiales átomo a átomo. De hecho, los materiales nanoestructurados (NEMs) ya han sido utilizados en aplicaciones prácticas, como las nanopartículas de oro utilizadas para el color rojo de los vitrales de las catedrales góticas de Europa que quizás sea la primera aplicación de nanotecnología o las nanopartículas de plata utilizadas en las películas fotográficas. En la actualidad, la investigación en el campo de los materiales nanoestructurados ha crecido a un gran nivel y prácticamente sus aplicaciones abarcan todas las disciplinas, es por esto que la nanotecnología se ha convertido en una ciencia interdisciplinar. Esta diversidad de aplicaciones que ofrecen los materiales nanoestructurados es lo que ha suscitado tanto interés en la sociedad y en comunidad científica. Los MEMs son aquellos materiales en los que al menos una de sus dimensiones se encuentra en el rango de 1-100nm. Un nanómetros es 0,000000001 metros, es decir que un milímetro tiene un millón de nanómetros. A escala nanométrica los materiales presentan propiedades eléctricas, magnéticas, mecánicas y ópticas totalmente diferentes de los materiales a escala de los micrómetros o milímetros también llamados materiales en bulto. Las propiedades de los materiales en bulto (milímetros) son dominadas por un efecto de volumen mientras que las de los NEMs son dominadas por los efectos de superficie.

Como hemos dicho anteriormente, la nanofotónica es fusión de la nanotecnología y la fotónica, estudia las propiedades ópticas de sistemas nanoestructurados y la interacción entre la luz y la materia a escala nanométrica (nivel nanoscópico). Como hemos mencionado, las propiedades ópticas de los MEMs son dominadas por los efectos de superficie, de manera que controlando el tamaño y forma de las nanoestructuras y haciendo interactuar una señal óptica sobre ellas se obtienen resultados que pueden ser aplicados en diferentes campos, como en biología, medicina, fotodetectores, procesadores, sensores, celdas solares, aeronáutica, etc. Las nanoestructuras las podemos clasificar en tres tipos, dieléctricas, semiconductoras y metálicas.

Uno de los resultados más interesantes de estas nanoestructuras semiconductoras es la capacidad de sintonizar la longitud de onda de emisión, de manera que con un solo material y variando el tamaño de la nanopartícula obtenemos las longitudes de onda de la señal emitida. Esto es realmente relevante en el mundo de las comunicaciones ópticas porque se pueden diseñar nuevos amplificadores ópticos de amplio ancho de banda, ya que cada nanopartícula funciona como un amplificador y seleccionando el diámetro adecuado de las partículas somos capaces de determinar el ancho de banda del amplificador. Pero una de las aplicaciones que ha generado mayor expectación es la detección de una gran variedad de compuestos mediante el coloreado fluorescente de nanopartículas con emisión en la región visible del espectro, en concreto la detección de células cancerígenas.

Las nanopartículas o nanocristales dieléctricos son óxidos con una banda de energía prohibida muy ancha y por tanto necesitamos altas energías de bombeo para obtener emisiones que en general son débiles, sin embargo si se combinan adecuadamente diversos componentes logramos excelentes emisores de luz de alta estabilidad.

Finalmente las nanoestructuras metálicas también llamadas plasmones, tienen la habilidad de esparcir y absorber la luz incidente. En este caso la frontera metaldieléctrico a escala nanométrica produce cambios importantes en las propiedades ópticas, y cuando inyectamos una señal óptica en la nanoestructura se producen bandas de resonancia (conocidas como plasmones localizados) generadas por la oscilación de los electrones de superficie. La longitud de onda a la que se obtiene la resonancia se llama banda de absorción de plasmón. Una de las aplicaciones de esta nanoestructura es la espectroscopia Raman de superficie mejorada, que logra amplificar fuertemente el espectro Raman de un componente cercano a la superficie metálica.

Una vez visto los tres tipos de nanoestructuras y la interacción de la señal óptica sobre ellas, nos planteamos una pregunta mucho más realista, ¿qué ventajas tiene la nanofotónica frente a otras tecnologías?

La respuesta es contundente: Reduce el consumo de energía eléctrica de los equipos electrónicos (PCs, módems, routers, etc.), reduce el tamaño de los dispositivos (aprovechando las nanotecnologías) y aumenta las velocidades de operación (transmisiones de Gbit/s).

Analizando las tres ventajas de la nanofotónica, encontramos la solución a los grandes problemas tecnológicos del momento, el consumo energético, el tamaño de los dispositivos y el ancho de banda de transmisión. La domótica evidentemente no es ajena a estos problemas, por tanto hay que estar muy pendientes de los avances de esta tecnología.

  

Una cosa es segura, en Domótica y en electrónica en general, cuanto más pequeño mejor, porque al reducir el tamaño de los circuitos electrónicos integrados además de conseguir beneficios en tiempos de respuesta y permitir reducir el consumo de energía, nos otorga la posibilidad de meter electrónicas en sitios insospechados. El hecho de tener una tecnología que nos permita trabajar a escala tan pequeña, reduciendo el consumo de energía (alargando la vida de las baterías) y que permita aumentar el ancho de banda de comunicación de manera tan brutal nos abre el camino a la Inteligencia Ambiental, que como ya sabéis es el futuro de la domótica (o al menos eso pretendemos en Domodesk).

Para crear entornos AmI necesitamos dispositivos pequeñísimos que puedan estar presentes en todos los objetos de nuestro entorno, que la información fluya rápido y que el consumo de energía sea mínimo, pero también exigimos que las comunicaciones y el sistema de información sea seguros y confiable. Podemos estar satisfechos porque la nanofotónica es muy inmune al efecto electromagnético y el ruido no le afecta. Resumiendo las virtudes de la nanofotónica permite diseñar dispositivos extremadamente pequeños con alta velocidad de transmisión, alta eficiencia energética, bajas pérdidas e inmunes al ruido electromagnético. ¿Que más se puede pedir?

Como ya hemos comentado en otros "a fondos", el futuro de la domótica pasa por entornos inteligentes sensibles al contexto que responden de manera adaptativa a nuestras necesidades y hábitos, para facilitarnos la vida diaria en el hogar, lugares de ocio y trabajo; estamos hablando de Inteligencia Ambiental (AmI). Recordemos que AmI implica que estaremos rodeados por interfaces inteligentes embebidos en objetos cotidianos como el mobiliario, la ropa, los vehículos y las carreteras. A medida que nos movamos a través de esos entornos, estos interfaces registrarán nuestra presencia, llevando a cabo automáticamente ciertas tareas, adaptándose a nuestro contexto e incluso anticipándose a nuestras necesidades. Imaginemos que una taza de café adoptara diferentes colores en función de lo caliente que está la bebida contenida en ella, de esta manera ya nunca nos quemaríamos la lengua al beber. Esto será posible gracias a la nanotecnología que es la tecnología de la Inteligencia Ambiental. Esta tecnología será protagonista en el futuro de la Domótica, siendo ubicua (que se encuentra en todas partes), la encontraremos en cada rincón de nuestra casa y en cada uno de nuestros artículos de uso común como ropa, electrodomésticos, juguetes y hasta en nuestros medicamentos. Esto no implica que sea intrusiva, que es una de las reticencias de algunas personas  a esta tecnología, sino todo lo contrario, el entorno se adapta perfectamente al contexto y no es visible por el ojo humano, haciendo la vida más cómoda a las personas.

Para ir finalizando, resumiremos que la nanotecnología es la ciencia que nos permite crear materiales nanoestructurados (dieléctricos, metálicos o semiconductores) y la nanofotónica utiliza estos materiales para crear sistemas a escala nanométrica (variando diámetros de nanopartículas y creando guías de conducción) que permitan realizar procesado de señal óptica. La nanofotónica se usa en investigación de muchas disciplinas, desde la biomedicina hasta las redes de comunicaciones ópticas, se puede decir que es una tecnología de aplicación interdisciplinar.

En conclusión, la nanofotónica es una de las tecnologías del futuro que nos llevará a una revolución tecnológica que cambiará la forma de vivir y de relacionarnos con los objetos que nos rodean, creando entornos inteligentes que se adaptarán a nuestras necesidades y hábitos, dando lugar en nuestros hogares a la domótica del futuro. Desde Domodesk estaremos pendientes de los avances en materia nanofotónica, y desde hoy ya empezamos a diseñar los hogares del futuro pensando siempre en ofrecer respuestas sencillas a problemas complejos que hagan la vida más fácil a las personas.

Más información en: http://www.ntc.upv.es/ (Centro de Tecnología Nanofotónica de Valencia)                      

Castillo Jesus

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Cristal fotónico

Un cristal fotónico es un material estructurado de forma que su función dieléctrica varíe periódicamente en el espacio. Aunque existen manifestaciones naturales de estos materiales, como los ópalos o ciertas estructuras microscópicas que dan lugar a coloraciones en las alas de algunas mariposas, se trata de materiales relativamente novedosos propuestos simultánea e independientemente por los profesores Ely Yablonovitch y Sajeev John para inhibir la emisión espontánea y para producir localización de luz respectivamente.

Los cristales fotónicos^[1] son nanoestructuras ópticas periódicas que están diseñadas para afectar el movimiento de los fotones de un modo similar al que la periodicidad de un cristal semiconductorelectrones. Los cristales fotónicos aparecen en la naturaleza y han sido estudiados por los científicos con diversos intereses durante los últimos 100 años. afecta al movimiento de los

Introducción [editar]

Los cristales fotónicos están compuestos de nanoestructuras dieléctricas o metal-dieléctricas periódicas que afectan a la propagación de las ondas electromagnéticas (EM) del mismo modo que el potencial periódico en un semiconductor afecta el movimiento de los electrones, definiendo bandas de energía permitidas y prohibidas. Básicamente, los cristales fotónicos contienen regiones internas con constantes dieléctricas altas y bajas que se repiten de forma regular. Las ondas de luz que tiene permitido propagarse se conocen como modos, los grupos de modos forman las bandas. Las bandas de longitudes de ondas no permitidas se llaman bandas prohibidas. Esto da lugar a diferentes fenómenos ópticos como la inhibición de emisión espontánea, espejos de alta-reflexión omni-direccionales y guías de onda con perdidas bajas, entre otros. Debido a que el fenómeno físico está basado en la difracción, la periodicidad de la estructura del cristal fotónico ha de estar en el mismo orden de longitud de la mitad de la longitud de onda de las ondas EM, es decir, las regiones de constantes dieléctricas altas y bajas que se repiten han de tener las siguientes dimensiones; desde aproximadamente 200 nm (azul) hasta 350 nm (rojo) para cristales fotónicos operando en la parte visible del espectro. Esto hace que la elaboración de cristales fotónicos sea tediosa y difícil.

Historia de los cristales fotónicos [editar]

Aunque los cristales fotónicos han sido estudiados de un modo u otro desde 1887, el término "cristal fotónico" fue empleado por primera vez unos 100 años más tarde, después de que Eli Yablonovitch y Sajeev John publicaran sendos artículos en 1987, publicaciones que son referentes en el campo^{[2] [3]} .

Anteriormente a 1987, cristales fotónicos unidimensionales formados a base de apilar periódicamente múltiples láminas de dieléctricos (como en los espejos de Bragg) habían sido estudiados extensamente. Lord Rayleigh empezó a estudiarlos en 1887^[4] , mostrando que dichos sistemas poseen una banda fotónica prohibida, un rango espectral de gran reflexión, en una dimensión. Hoy en día esas estructuras son usadas en una gran variedad de aplicaciones; desde recubrimientos reflectantes para mejorar la efectividad de LEDs hasta espejos de gran reflexión en algunas cavidades láser (ver, por ejemplo; el diodo laser VCSEL). Bykov^[5] desarrolló un estudio teorético detallado de estructuras ópticas unidimensionales, siendo el primero en investigar el efecto de una banda fotónica prohibida sobre la emisión espontánea de átomos y moléculas infiltradas en una estructura con propiedades fotónicas. Bykov incluso pronosticó qué podría ocurrir si se empleasen estructuras bi- y tridimensionales^[6] . Sin embargo estas ideas no tuvieron éxito hasta después de las dos publicaciones de Yablonovitch y John en 1987. Ambos artículos consideraron estructuras periódicas, cristales fotónicos, de alta dimensionalidad. La motivación principal de Yablonovitch era eludir las densidades de estados fotónicos, con la intención de controlar la emisión espontánea de materiales infiltrados en cristales fotónicos. La idea de John era usar los cristales fotónicos para influir la localización y el control de la propagación de luz.

Después de 1987 el número de publicaciones científicas sobre cristales fotónicos comenzó a crecer exponencialmente. Sin embargo, debido a la dificultad que implica el fabricar estas estructuras a escala óptica (ver Fabricación), los estudios anteriores eran o bien teoréticos o en el rango de las microondas, donde los cristales fotónicos pueden ser fabricados en la mucho más accesible escala de los centímetros. Esto se debe a la propiedad de los campos electromagnéticos conocida como invariabilidad de escala – resumiendo, los campos electromagnéticos, así como las soluciones a las ecuaciones de Maxwell, no tienen longitud escalar propia y, por lo tanto, una solución para una estructura en la escala de los centímetros y una frecuencia en el rango de las microondas es la misma que para una estructura en la escala de los nanómetros y una frecuencia en el visible. En 1991 Yablonovitch mostró la primera banda fotónica prohibida en tres dimensiones en el orden de las microondas^[7] .

En 1996 Thomas Krauss hizo la primera demostración de un cristal fotónico en dos dimensiones para longitudes de onda en el visible^[8] . Esto abrió el camino a la fabricación de cristales fotónicos en semiconductores aprovechando los métodos empleados en la industria de los semiconductores. Más adelante esas mismas técnicas empezaron a emplear cristales fotónicos planares, cristales fotónico bidimensionales perforados en láminas de semiconductores, la reflexión interna total confina la luz en las laminas y permite los efectos de un cristal fotónico, de esa forma se logra usar la dispersióncircuitos integrados de ordenadores para mejorar el procesamiento óptico de comunicación tanto dentro como entre los chips. fotónica en las laminas. La investigación se dirige al uso de cristales fotónicos planares en

Los cristales fotónicos bidimensionales encuentran su uso comercial en forma de fibras de cristal fotónico (también conocidas como fibras microestrucuradas). Las fibras de cristal fotónico fueron desarrolladas por Philip Russell en 1998 y pueden diseñarse para obtener propiedades mejoradas sobre una fibra óptica convencional.

El estudio de los cristales fotónicos tridimensionales ha evolucionado más despacio que su homologo bidimensional. Esto es debido a la mayor dificultad en su fabricación ya que no ha heredado ni hay ninguna técnica disponible proveniente de la industria de semiconductores para la fabricación de cristales fotónicos tridimensionales. Se ha intentado, de todos modos, adaptar algunas técnicas y se ha llegado a demostrar algún gran avance^[9] , por ejemplo, en la fabricación de estructura "pila de leña" (en Inglés; "woodpile") construidas a base de depositar sucesivas capas de materiales. Otra línea de investigación consiste en fabricar las estructuras fotónicas tridimensionales mediante auto-ensamblaje, básicamente se trata de de permitir que nanoesferas dieléctricas suspendidas en un disolvente se dispongan en estructuras trimensionales periódicas que posean una banda fotónica prohibida (ver Cristales fotónicos coloidales).

Fabricación [editar]

El mayor desafío para obtener cristales fotónicos de alta dimensionalidad es la fabricación de estas estructuras con suficiente precisión para prevenir pérdidas debidas a la dispersión que atenúen las propiedades del cristal y que permitan su fabricación en serie. Un método prometedor de fabricar cristales fotónicos bidimensionales son las fibras de cristal fotónico o fibras microestructuradas. Usando técnicas de grabado desarrolladas para fibras ópticas se reúnen estos dos requisitos y las fibras de cristal fotónico están disponibles para su comercialización. Otro método prometedor para desarrollar cristales fotónicos en dos dimensiones son los cristales fotónicos planares. Estas estructuras consisten en laminas de un material (por ejemplo, silicio) que puede ser litografiado usando técnicas prestadas de la industria de los semiconductores. Estos diseños tienen el potencial de combinar las aplicaciones fotónicas con las electrónicas en un mismo circuito integrado.

Para los cristales fotónicos tridimensionales varias técnicas han sido usadas incluyendo la fotolitografía y técnicas de grabado similares a las usadas en la fabricación de circuitos integrados. Algunas de estas técnicas están ya disponibles, por ejemplo; "Nanoscibe´s Direct Laser Writing system". Tratando de evitar métodos de nanotecnología y su compleja maquinaria, se han buscado otras alternativas para crecer cristales fotónicos coloidales mediante auto-ensamblaje.

Calculo de la estructura de bandas fotónicas [editar]

La banda fotónica prohibida es básicamente un salto entre la línea del aire y la línea del dieléctrico en la estructura de bandas de energía debido a la dispersión refractiva. Al diseñar un cristal fotónico es necesario pronosticar la posición y el tamaño de la banda prohibida, esto se hace mediante un cálculo de simulación usando uno de los siguientes métodos.

1. Método de expansión de ondas planas o aproximación escalar
2. Método de las Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo^[10]
3. Método espctral de Orden-N^{[11] [12]}
4. Método de Korringa-Kohn-Rostoker (KKR)

Básicamente estos métodos calculan las frecuencias (modos normales) de los cristales fotónicos para cada valor de la dirección de propagación dada por el vector de onda o viceversa, los valores del vector de onda k para cada frecuencia, en el espacio recíproco. Las diferentes líneas en la estructura de bandas corresponden a los diferentes valores de n, el índice de las bandas. Para una introducción a la estructura de bandas fotónicas se recomienda el libro de Joannopoulos; Photonic Crystals: Molding the Flow of Light,^[13] en Inglés.

Estructura de bandas de un cristal fotónico unidimensional, espejo de Bragg, calculada usando el método de aproximación escalar.

El método de expansión de ondas planas, o aproximación escalar, puede ser usado para calcular la estructura de bandas planteando las ecuaciones de Maxwell como un problema de valores propios, y así resolviendo las frecuencias propias para cada dirección de propagación del vector de onda. Se resuelve directamente el diagrama de dispersión. Los valores de fuerza del campo eléctrico se pueden calcular sobre el todo el problema usando los vectores propios del mismo problema. La foto que se muestra a la derecha corresponde a la estructura de bandas de un espejo de Bragg, o un cristal fotónico monodimensional, consistente en laminas de un dieléctrico con una constante dieléctrica de 13 intercaladas con laminas de aire, y una relación entre la periodicidad entre capas y su grosor (d/a) de 0.5. La solución se obtiene aplicando ondas planas en 101 sobre la primera zona de Brillouin.

Aplicaciones [editar]

Los cristales fotónicos son atractivos materiales con propiedades ópticas que permiten controlar y manipular el flujo de luz. Los cristales fotónicos monodimensionales son utilizados ampliamente como láminas ópticas delgadas con aplicaciones que van desde recubrimientos de lentes y espejos con baja y alta reflexión hasta pinturas que cambian de color y tintas. Los cristales fotónicos de mayor dimensionalidad son de gran interés tanto para la investigación teórica como practica y los bidimensionales empiezan a encontrar usos comerciales. Los primeros productos comercializados que incluían cristales fotónicos periódicos en dos dimensiones son las fibras microestructuradas, que gracias a su estructura microscópica confinan la luz con resultados radicalmente mejores que para las fibras ópticas convencionales y encuentran su aplicación en aparatos de óptica no linear y como insólitas guías de luz. Sus análogos en tres dimensiones están lejos de llegar a comercializarse pero ofrecen características adicionales que pueden dar lugar a un nuevo concepto de tecnologías (por ejemplo; computadores ópticos) una vez que se controlen ciertas facetas tecnológicas como su fabricación y los principales problemas como el desorden en las estructuras.

Castillo Parra Jesus Antonio

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MATERIALES Y ESTRUCTURAS PARA LÁSERES DE SEMICONDUCTOR.

MATERIALES Y ESTRUCTURAS PARA LÁSERES DE SEMICONDUCTOR.
D. Golmayo, M.L.Dotor, L. González, Y. González, P.A. Postigo, J.P. Silveira, F. Briones,
Mediante esta técnica de epitaxia por MBE, que ha demostrado ya su viabilidad para la
producción industrial a gran escala y cuya versatilidad y precisión permite la realización de
nuevos diseños de estructuras láser, se han crecido y optimizado las capas confinadoras, guías
de luz y zonas activas para emisores láser de baja dimensionalidad, con emisión en 850, 980,
1300 y 1550 nm. Esto ha permitido su utilización posterior en las heterostructuras completas
de diodos láser.
Capas confinadoras: capas de Ga0.51In 0.49P sobre
GaAs, dopadas tipo n (Si) y p (Be); capas de InP tipo
n (Si) y p (Be) , y Al0.48In0.52As dopado Be sobre InP.
La Fig.1 muestra las movilidades frente el número de
portadores en GaInP e InP.
Guías de luz para 1300 nm y 1550 nm: superredes
(SR) de período corto de (InP)m(Ga0.47In0.53As)n o de
(Ga0.22In0.78As)m(Ga0.22In0.78P)m para sustituir las
diferentes aleaciones GaxIn1-xAsyP1-y en estructuras
tipo SCH o GRIN-SCH. Los subíndices m y n
indican el número de monocapas de cada
constituyente de la superred.
Zona activa: pozos cuánticos de diversos materiales,
como cuaternarios GaxIn1-xAsyP1-y, ternarios GaxIn1-
xAs o SR de período corto de tensiones compensadas
(GaAs)2(InAs)2 con emisión en 1300 nm y 1550 nm..
La Fig. 2 muestra el detalle de una micrografía de
TEM de alta resolución de una estructura de siete
pozos de (GaAs)2(InAs)2 con barreras y guía de
(InP)m(Ga0.47In0.53As)n y un barrido theta-2theta de la
misma estructura.
Estructuras láser: se han fabricado diodos láser de pozos cuánticos de GaInAsP con emisión
en 1300nm, cuyas características de emisión se están estudiando en el IMM.

Jesus Castillo
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EFECTO DE LAS TENSIONES EN LAS PROPIEDADES ÓPTICAS DE NANOESTRUTURAS

EFECTO DE LAS TENSIONES EN LAS PROPIEDADES ÓPTICAS DE
NANOESTRUTURAS
J.A. Prieto, G. Armelles, J. M. García, L. González
La distribución de tensiones mecánicas en una nanoestructura autoorganizada tiene una
importancia capital en las propiedades de la misma. En particular, el estado de tensiones
determina donde están localizados los estados electrónicos. A modo de ejemplo en la figura
se presenta los espectros de fotoreflectancia de dos muestras de puntos de InAs depositados
sobre GaAs

Cuando el punto tiene un diámetro inferior a unos 30 nm (línea discontinua) sólo se observa
señal de fotoreflectancia asociada al substrato (E1
S) . Sin embargo, para tamaños superiores
(línea continua) aparece claramente una transición a 2,6 eV (E1
L) junto con la transición del
substrato . Este comportamiento se repite en los espectros Raman , apareciendo señal Raman
asociada a los puntos de InAs cuando su diámetro es superior a unos 30 nm. Del análisis de
los espectros Raman se deduce que estos puntos tienen un contenido en Ga cercano al 10% y
,sobre todo , que no están tensados .
El origen de esta modificación de las propiedades ópticas con el tamaño hay que buscarlo en
la dependencia que la tensión tiene en el alineamiento de bandas entre el InAs y el GaAs. En
el siguiente esquema se representa el alineamiento entre las bandas de conducción (LCB) y
valencia (LVB) en el punto L para diferentes tensiones de InAs. Si el InAs tiene en el plano el
mismo parámetro de red que el GaAs (b) los electrones están localizados en el GaAs
mientras que en un InAs no tensado (a) están localizados en el InAs. Por lo tanto, la
probabilidad de transición será mucho mayor en este último caso.
Otro aspecto importante es el efecto que la forma de la nanoestrutura tiene en las propiedades
ópticas . Por ejemplo, en la figura se presentan espectros de fotoreflectancia de puntos e hilos
de InAs depositados sobre InP junto con sus imágenes de AFM . Las líneas discontinuas
corresponden a polarización paralela a los hilos [110] y las continuas perpendicular a los hilos
[-110]. En los puntos los dos espectros son idénticos , mientras que en los hilos se observa
una anisotropía óptica .El origen de esta anisotropía óptica se atribuye al diferente grado de
relajación de la tensión a lo largo de la dirección del hilo o perpendicular a ella ,. Esta
diferencia en la relajación provoca que los valles localizados en los puntos L ({111}) ,
equivalentes en los puntos, dejen de serlo , lo que induce un clivado de las transiciones
ópticas que se originan entre estados electrónicos asociados a estos valles.

Jesus Castillo
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NANOESTRUCTURAS SEMICONDUCTORAS

CRECIMIENTO DE NANOESTRUCTURAS AUTO-ENSAMBLADAS
J. M. García, L. González, Y. González, J. P. Silveira, F. Briones
Las nanoestructuras auto-ensambladas como los puntos (QD), los anillos (Q-Ring) o los hilos
cuánticos (QWR) son un área de creciente actividad científica. Estas estructuras, escaladas a
tamaño nanométrico se forman de forma natural debido a los efectos de tensión-relajación
cuando un material semiconductor se crece sobre una superficie de un segundo material
semiconductor con un ligero desajuste de red. Su tamaño resulta adecuado para el
confinamiento espacial de las cargas, produciendo una escalera de niveles de energía
atómicamente abruptos. Estos niveles pueden ser usados como base para construir nuevos
materiales semiconductores avanzados.
El mecanismo de auto ensamblaje permite
la formación de decenas de billones de
puntos por cm2 con un alto grado de
uniformidad en un único paso de
crecimiento. Los puntos pueden ser
inmediatamente cubiertos por una segunda
capa del material sustrato, configurando
de ésta manera un material con una alta
calidad óptica. Algunas de las
extraordinarias ventajas de su utilización
en dispositivos láser demuestran el gran
potencial de ésta tecnología.
En el IMM se ha investigado los detalles
de la formación de QD (1) y de QWR por
medio de técnicas de caracterización in
situ como la medida de la tensión
acumulada (? s). Como puede observarse
en la imagen de Microscopía de Fuerzas
Atómicas del recuadro de la figura, la calidad estructural de los hilos es muy grande. Las
medidas in situ de la tensión acumulada permiten comprender los procesos de formación de
los hilos. El gráfico muestra la evolución claramente anisotrópica de la tensión acumulada
durante la epitaxia de InAs sobre InP(001). Una de las conclusiones de nuestro trabajo es que
la formación de QWR se debe a una acumulación anisotrópica de tensión.
Es posible controlar el tamaño y forma de los puntos cuánticos. Un ejemplo es la formación
de Q-rings (2) al introducir una pausa durante el recubrimiento de los QD en el momento
adecuado. Estos anillos pueden emplearse para la fabricación de láseres con emisión en 980
nm, otra región de elevado interés tecnológico. La Comunidad de Madrid subvenciona éste
proyecto.
El IMM es un centro pionero (3) en la fabricación de QWR auto-ensamblados de InAs sobre
InP(001). Estos hilos, una vez recubiertos con InP presentan una fuerte emisión en 1.55 mm a
temperatura ambiente, por lo que su empleo en la región activa de láseres (como se indica en
el esquema) tiene una importante aplicación tecnológica en el mundo de las
telecomunicaciones. Actualmente ésta es una importante línea de investigación en
colaboración con el grupo de Materiales y Estructuras para Láseres de Semiconductores.

Se cuenta con la financiación en el año 2001 de un proyecto Europeo del V programa marco
durante 3 años.
Referencias:
J.M. García, J.P. Silveira and F. Briones, , Appl. Phys. Lett. 77, 409-411, (2000).
A. Lorke, R.J. Luyken, M. Fricke, J.P. Kotthaus, G. Medeiros-Ribeiro, J.M. García, and P.M. Petroff, Phys. Rev.
Lett.84, 2223, (2000).
L. González, J.M. García, R. García, J. Martínez-Pastor, C. Ballesteros and F. Briones, Appl. Phys. Lett. 76, 1104,
(2000).
J.M.García, L.González, M.U.González, J.P.Silveira, Y.González and F.Briones, aceptado en J.Cryst. Growth
(2001)

Jesus Castillo
c.i. 15430564
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Fwd: Nanofibras y biomateriales

Nanofibras y biomateriales

El cristal bioactivo está considerado actualmente como el material más biocompatible en el campo de la regeneración ósea debido a su bioactividad, osteoconductividad (capacidad del material para actuar como andamiaje y soportar el acoplamiento celular y la consiguiente formación y deposición de matriz ósea) e incluso osteoinductividad (especie de andamio que ayuda a las células precursoras osteogénicas a diferenciar entre las células óseas maduras). Sin embargo, la fórmula del cristal bioactivo se ha limitado a fibras en la escala del micrón, polvos y bulk. Ahora, investigadores de Corea del Sur y el Reino Unido han fabricado, por primera vez, un cristal bioactivo en forma de nanofibras. Este material, que presenta una bioactividad excelente, podría abrir la puerta al desarrollo de nuevos materiales de regeneración ósea nanoestructurados para la medicina regenerativa y la ingeniería de tejidos.

Se han estudiado materiales para aplicaciones biomédicas con el fin de aumentar y regenerar tejidos humanos que han sufrido algún daño o enfermedad. A lo largo de los últimos diez años la demanda de biomateriales sintéticos ha aumentado significativamente y se han dedicado muchos esfuerzos al área de ingeniería de tejidos y biomateriales.

El Prof. Hae-Won Kim, del departamento de Biomateriales Dentales de la Universidad de Dankook, en Corea del Sur, explicó los beneficios del biocristal para Nanowerk: "La mayoría de los estudios en vivo sobre biocristales han confirmado su excelente biocompatibilidad tanto con tejidos duros como blandos. Esto se atribuye principalmente a su capacidad para formar una capa bioactiva en la interfaz en contacto con los tejidos vivos, llamada capa de hidroxicarbonato de apatita (HCA), que equivale a la fase mineral de los tejidos humanos duros. Basándose en amplias investigaciones realizadas en vivo e in vitro, los cristales bioactivos están considerados como uno de los biomateriales más prometedores de la 'próxima generación'".

Castillo P. Jesus A.

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CRF

Los materiales nanoestructurados

Los materiales nanoestructurados

Por Jorge Cazallas 

¿Que son los materiales nanoestructurados?

• Una clase general de estos materiales son aquellos con una microestructura modulada de cero a tres dimensiones con un tamaño de escala menor de 100 nm.
• Materiales con átomos agrupados ordenadamente en agrupaciones de tamaño nanométrico, los cuales son la base para construir estructuras mayores de este tipo de materiales.
• Cualquier material con una dimensión menor de 1-100nm.

    Los materiales convencionales tienen un tamaño de grano que va desde los micrómetros a cientos de milímetros y contiene cientos de billones de átomos cada uno. Con un tamaño de grano nanométrico tan sólo contiene 900 átomos cada uno. Como el tamaño del grano es pequeño, hay un significativo incremento en la fracción de intercaras y fronteras de grano por volumen. Dicho de otra forma, los granos nanoestructurados son entre mil y cien veces más pequeños que los de un material común, y además, dentro del mismo volumen poseen el 0.001 por ciento de átomos. Esta característica influye en las propiedades fisico-químicas del material. Usando una variedad de métodos de síntesis, es posible producir materiales nanoestructurados en forma de películas delgadas, envolturas de materiales, en polvos y prácticamente con cualquier forma.

   Richard W. Siegel es uno de los pioneros mundiales en la investigación, fabricación y promoción de los materiales nanoestructurados. En el año 1985 comenzó su experimentación en el campo de la nanoestructuración dentro de las instalaciones del Laboratorio Nacional de Argonne. Debido al éxito que obtuvo en su trabajo, decidió explotar comercialmente sus descubrimientos con la creación de una empresa que llamó Nanophase Technologies Corporation, la cual es actualmente líder mundial en el campo de la industrialización y comercialización de materiales nanoestructurados. Clases de materiales nanoestructurados:     Hay cientos de tipos diferentes de materiales nanoestructurados. Esa gama va desde agrupaciones de átomos cero dimensional a una estructura ordenada en tres dimensiones. Cada una de estas clases tiene una dimensión en torno a un tamaño de nanómetros, como se ve en la figura 1. Las agrupaciones de átomos son definidos como una formación cero dimensional. Cualquier material formado por multitud de capas, con cada capa de un grosor en el rango de los nanómetros se clasifica como una estructura con una dimensión. Los materiales formado por una única capa que contiene un grano en su estructura extra fino (de diámetro en torno al nanómetro) se le denomina estructura con dos dimensiones. La última clase es la consistente en la estructura tres dimensional que son microestructuras o materiales en nanofase.

Síntesis:

  Los métodos empleados para producir materiales nanoestructurados son numerosos, con cada método tenemos ventajas y desventajas. Las agrupaciones de átomos son típicamente sintetizadas vía condensación de vapor, el cuál consiste en la evaporación de un metal sólido seguido de una rápida condensación para formar agrupaciones del tamaño nanométrico. Siegel fue quien aplicó por primera vez este método para crear materiales nanoestructurados en cantidades industriales, el cuál patentó llamándolo como Síntesis Física de Vapor.  De este proceso resultan polvos que son esencialmente aglomeraciones de agrupaciones de átomos de tamaño nanométrico. Estos polvos pueden ser usados como masilla para componer otros materiales o consolidar la mayor parte de él. Lo más importante de este proceso es que mediante el control del ritmo de evaporación, la determinación del tipo correcto de gas y el manejo adecuado de su presión atmosférica, se puede modificar la resistencia a la fractura, la plasticidad, la elasticidad, el color, la transparencia, la resistencia a la corrosión, la reacción química, el comportamiento eléctrico y magnético, y la resistencia térmica y acústica de cualquier material nanoestructurado.

Cientos de diferentes métodos han sido desarrollados usando la condensación del vapor. Esto incluye condensar gas inerte, condensar vapor de elementos químicos, ablación láser, deposición de un haz de electrones…

Ejemplos: 

  Síntesis química: Ambos, metales y cerámicas pueden ser producidos usando una variedad de enfoque químico en la forma de sol gel (es una ruta química que permite fabricar materiales amorfos y policristalinos de forma relativamente sencilla) o descomposición térmica. Estos métodos proveen de grandes cantidades de aglomeraciones de tamaño nanométrico a bajo coste. El proceso químico también permite un control efectivo de la estequiometria del producto final. Sin embargo, el precursor químico puede dejar residuos que contaminen la superficie de la partícula, lo que puede llevar a dar problemas en la compactación y sinterización. Por otra parte, los polvos producidos por medio de técnicas químicas en ambiente húmedo a menudo tienen dificultades con aglomerarse.

Otros métodos:

   Un método común para producir nanoestructuras en forma de polvos es a través de la deformación mecánica. Este proceso produce materiales nanoestructurados a través de una gran deformación mecánica que produce un alargamiento del grano beta precursor del material. El tamaño final del grano es función de la cantidad de energía aportada durante el proceso, la temperatura y la atmósfera, también influye en el tamaño del grano final. La mayor desventaja de este método es la posibilidad de contaminar durante el proceso por las grandes fuerzas y energías que se ven envueltas.

    Los materiales nanoestructurados en tres dimensiones son también sintetizados a través de cristalización térmica de un material amorfo. Mediante el control de la nucleación y crecimiento durante el recocido de un material amorfo, uno puede producir la mayor parte del material con un tamaño de grano menor de 20nm. Este proceso está limitado por la composición del material el cuál en forma de cristal metálico tiene una microestructura amorfa. Aplicaciones:     La empresa Nanophase Technologies Corporation fabrica y comercializa una línea de producción que abarca actualmente materiales abrasivos, catalizadores, cosméticos, magnéticos, pigmentos y recubrimientos, componentes electrónicos y cerámicas estructurales. Este último conjunto de productos permite la fabricación de partes estructurales mediante el proceso de moldeo en malla que, en un futuro inmediato, será utilizado principalmente por la industria automotriz y aeroespacial en la construcción de estructuras, motores y laminados.

Enlace: http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2007/06/27/los-materiales-nanoestructurados/

Castillo Parra Jesus anmtonio

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