Los Nanohilos

Abstract

En el presente se muestra una investigación de la
definición, el proceso de crecimiento, aplicaciones y
diferencias de los diferentes nanohilos, mas importantes
inventados hasta el momento. Se consiguió averiguar las
diferentes características de los nanohilos ya sea de
silicio o de zinc los cuales abarcan el mayor interés de
los científicos. Se muestra como cada tipo de nanohilo
tiene cualquier variedad de investigaciones por lo importante que
es el desarrollo de estos, se muestra de manera teórica
como se podrían crear nanohilos ya sean de SI o ZnO. Se
muestra algunas aplicaciones de los nanohilos, estos son
teóricos o están en pruebas pero que en un futuro
serán realidad.

Index Terms-silicio, zinc, nanohilos, SI,
ZnO, científicos.

Introducción

Las estructuras semiconductoras unidimensionales, como
son los nanohilos (de 10 a 150 nm de diámetro), resultan
de gran interés en sistemas nanoelectrónicos y
nanofotónicos debido a que pueden realizar funciones como
dispositivos y también como interconexiones. Los nanohilos
resultan especialmente atractivos porque los procesos de
obtención son compatibles con las tecnologías de
fabricación utilizadas en microelectrónica. Se han
utilizado nanohilos de Si en la realización de
transistores de efecto de campo (FET), puertas lógicas y
sensores. Los nanohilos de ZnO, de especial interés en
electrónica de alta velocidad y sensores de infrarrojo,
ofrecen además la ventaja de requerir una temperatura de
crecimiento que puede considerarse baja, inferior a 400 ºC,
facilitando así su integración con otros
dispositivos convencionales. [18]

Definición

Un nanohilo es un alambre con un diámetro
pequeño que corresponde al orden de los nanómetros
(10-9 metros). Son estructuras que tienen un tamaño
lateral restringidos a diez o menos nanómetros de una
longitud libre. Existen muchos tipos diferentes de nanohilos,
incluyendo hilos metálicos, semiconductores y aisladores.
[1]

La relación entre longitud y el ancho es casi
infinita, hasta de varias micras. Por eso se las describe como
materiales unidimensionales. Los nanohilos tienen varias
propiedades no usuales que no se han visto en materiales
tridimensionales. Esto se debe a que los electrones tienen un
confinamiento cuántico y ocupan niveles de energía
que son diferentes de los niveles de energía o bandas
encontradas en materiales masivos. Las características de
este confinamiento cuántico se manifiestan en valores
discretos de determinadas propiedades físicas, que
aparecen de una restricción de la mecánica
cuántica en el número de electrones que logran
viajar a través del hilo en la escala manométrica.
[3]

Tipos de
nanohilos

Existen muchos tipos de nanohilos los
cuales dependen del elemento con que se los produzca que puede
variar desde el níquel al oro, platino, silicio, etc. [4]
Los cuales pueden ser:

• Hilos metálicos
  semiconductores

• Hilos aisladores

A. Hilos metálicos
semiconductores

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. [1]. Introduciendo en los nanohilos zonas de
dopaje selectivo con átomos donadores, podemos conseguir
la creación de uniones PN de semiconductores dopados para
que circulen por ellos cargas negativas, semiconductores dopados
para que circulen cargas positivas, o se puede crear diodos a
nanoescala.[2]

B. Hilos aisladores

Los nanohilos aisladores son hilos creados de materiales
aislantes es decir de polímeros o plásticos los
cuales cumplen la función de un aislador común sino
que en tamaño de él orden de los nanos.
[7]

Aplicaciones de
los nanohilos

Las aplicaciones de estos materiales es muy extenso, hay
aplicaciones que hoy en día siguen siendo de estudio
teórico y simulaciones. Estos materiales ya han sido
evaluados satisfactoriamente como transistores, diodos LED,
celdas solares. Como los nanohilos cambian sus propiedades
eléctricas al variar el contacto superficial por lo cual
se pueden dar varios usos muy importantes. [2]

A. NANOSENSORES DE GLUCOSA INTEGRABLES EN
CHIPS DE SILICIO Y PÁNCREAS ARTIFICIALES

El nuevo nanosensor utiliza un conjunto de nanohilos de
silicio recubiertos del enzima glucosa-oxidasa que generan un
efecto tipo transistor de efecto de campo (FET) biológico
(BioFET). La glucosa-oxidas en cada nanohilo de unos 50-100
nanómetros de ancho y unos 6 micrómetros de largo
permite oxidar la glucosa en sangre mediante una reacción
en dos pasos. En el primer paso, una molécula de
glucosa-oxidasa contiene dos moléculas de una forma
oxidada del dinucleótido de flavina y adenina (FAD) que se
reduce rápidamente con oxígeno produciendo
peróxido de hidrógeno y restaurando la forma no
oxidada de dicho enzima. En el segundo paso, el
polihidroxiácido gluconolactona espontáneamente se
hidroliza a ácido glucónico generando un
protón (ión de hidrógeno) que cambia
localmente el pH de la solución. Los nanosensores son
sensibles a dicho cambio de pH, que altera el potencial
superficial de los nanohilos y genera un campo eléctrico
que modula la conductancia del BioFET. Este efecto es
fácilmente amplificado con tecnología
estándar de silicio. El nuevo nanosensor es biocompatible
gracias a la tecnología utilizada.

El nuevo avance permitirá una
incorporación más rápida en el mercado de
este tipo de bio-nanosensores de glucosa lo que hará
más soportable la convivencia con la diabetes.
[8]

B. NANOHILOS DE SILICIO

1) BATERÍAS DE IÓN-LÍTIO CON
NANOHILOS DE SILICIO: Se ha encontrado la forma de utilizar
nanohilos de silicio para reinventar las baterías de
ión-litio con un resultado que es escandalosamente
superior. La capacidad eléctrica de almacenamiento de una
batería de ión-litio se ve limitada por la cantidad
de litio que se puede acumular en el ánodo de la
batería. [11]

El silicio es un material que puede ser utilizado como
ánodo en estas baterías, porque se caracterizan por
un bajo potencial de descarga y tiene la capacidad de carga
teórica más elevada lo que puede ser que sea diez
veces mejor que los ánodos de grafito existente y mejor
aún que el de algunos nitruros u óxidos. La falla
en la utilización del silicio es que resulta un cambio de
volumen del material en las fases de inserción y
extracción de litio, por lo cual conduce a una
pérdida del contacto eléctrico en el colector de
corriente. [11]

Los nanohilos de silicio no presentan este
inconveniente. El litio se almacena en un pequeño bosque
de nanohilos. Estos nanohilos se forman directamente sobre un
electrodo de acero por el método clásico de
crecimiento vapor-liquidosolido (VLS) y crecen perpendicularmente
a la superficie para constituir una especie de bosque. Esta
geometría es favorable ya que los nanohilos pueden crecer
en diámetro y alargarse sin romperse, pueden evacuar
fácilmente la dificultad con la incorporación del
litio, cada nanohilo se conecta directamente al colector, de modo
que todos los nanohilos contribuyen al transporte de carga, como
si se tratara de un conductor común es la ventaja de los
nanohilos. [12]

2) OBTENCIÓN DE NANOHILOS DE SILICIO: El
método más utilizado en estudios previos para la
obtención de nanohilos es el denominado
Vapor-Líquido-Sólido (VLS). Este proceso se inicia
a partir de nanopartículas metálicas, generalmente
de Au, que actúan como catalizadores para el crecimiento
al tomar las especies procedentes de la descomposición de
los gases precursores y segregar las especies en exceso de la
composición de equilibrio hacia la intercala entre la
nanopartícula y el sustrato. En el presente trabajo los
nanohilos se han crecido mediante el método VLS utilizando
la técnica de depósito químico en fase de
vapor a baja presión (LPCVD), con disilano (Si2H6) y
germano (GeH4) como gases precursores de Si y Ge.[15]

La densidad de nanohilos crecidos con presión
parcial de disilano constante de 10 mTorr disminuye con el
aumento de temperatura, de 3•109 (a 360 ºC) hasta
108cm-2 (a 500 ºC). La tasa de crecimiento, calculada como
el cociente entre la densidad de nanohilos y la densidad de
nanopartículas de diámetros iguales a los de los
nanohilos, obtenida a partir de la distribución, es
superior al en todos los casos. [14] Al aumentar la temperatura,
los nanohilos crecen a partir de nanopartículas de Au cada
vez más grandes. El diámetro de los nanohilos y su
dispersión en función de la presión parcial
de disilano. En el intervalo de presiones parciales de 2 a 20
mTorr, a temperatura constante de 500 ºC, el diámetro
de los nanohilos aumenta. A presiones a partir de 20 mTorr crecen
nanohilos cuyo diámetro es superior al diámetro
máximo de nanopartícula existente en la matriz
inicial. En este caso, el silicio se ha depositado sobre las
paredes laterales de los nanohilos provocando el crecimiento
radial de los mismos, que toman el aspecto de tubos los cuales
dispersos. [16]

C. NANOHILOS DE ZNO

Los nanohilos de óxido de zinc sensibilizados con
telururo de cadmio, forman una heterojuntura semiconductora que
se puede preparar de manera simple para obtener celdas
fotovoltaicas de tercera generación. Las muestras
preparadas con NH son de bajo costo y de mejor performance en
comparación con las laminares. El ZnO es un semiconductor
directo tipo n, transparente cuya energía del band gap se
encuentra usualmente entre 3.2 y 3.4 eV a temperatura ambiente.
[17]

Estos nanohílos pueden funcionar como medio
activo y como microcavidad láser emitiendo en el rango
ultravioleta y a temperatura ambiente. ¿Por qué se
buscó reducir el tamaño del material? Se
sabía que el ZnO era capaz de emitir luz en el rango
ultravioleta (intervalo de energías prohibidas = 3.3eV).
Sin embargo, al ser esta zanja de energías prohibidas tan
ancha, se necesitaba una elevada concentración de
portadores para alcanzar suficiente ganancia óptica.
Podríamos recurrir a la recombinación
excitónica, que es un proceso radiativo más eficaz,
con un umbral de emisión estimulada mucho menor. La
energía del excitón debe ser mucho mayor que la
térmica a temperatura ambiente. En el caso del ZnO la
energía de enlace del excitón es de 60 meV. Pues
bien, al utilizar el material semiconductor con tamaño
nanométrico, aumenta la densidad de estados en los bordes
de banda y también la recombinación radiativa,
debido a los efectos de confinamiento cuántico.
[20]

1) OBTENCIÓN DE NANOHILOS DE ZNO: el
crecimiento de estos nanohilos se realiza sobre sustratos de
zafiro o silicio mediante un proceso en fase vapor a
través de un crecimiento epitaxial catalizado por
películas delgadas de oro (aunque también existen
otros métodos). Puede conseguirse que estos
nanohílos crezcan orientados verticalmente en las zonas
cubiertas por oro. El tamaño depende del tiempo de
crecimiento y oscila entre 20-150 nm de diámetro y de 2-10
µm de largo. Tienen la sección trasversal hexagonal
y al estar bien facetados tanto lateralmente como en las caras
superior e inferior favorecen su uso como cavidad resonante.
[20]

El crecimiento de nanohilos fue realizado mediante el
sistema de transporte de vapor de LAFISO, diseñado e
instalado usando un horno exclusivo para este proyecto. Consiste
de un tubo de cuarzo de 1 3/8 " de diámetro y 1 m de largo
colocado dentro de un horno tubular de 0,6 m de longitud. Uno de
los lados del tubo de cuarzo se conecta (manteniéndose una
conexión sellada) a través de una válvula de
vacío, a una bomba rotatoria, mientras que su otro lado se
conecta a una línea de Argón de alta pureza
(99,999%) construida con un tubo de acero inoxidable de 1/4 " de
diámetro. Dentro del tubo de cuarzo se coloca un crisol de
alúmina que contiene polvos de ZnO y de grafito en una
posición que corresponde al centro del horno. En paralelo
al eje del tubo se colocaron pares de piezas de Si (100) y
SiO2/Si sustrato, de cara hacia arriba a dos distancias
diferentes a lo largo del flujo del tubo (16 y 19 cm del centro
del horno), lo que dio lugar a dos temperaturas de sustrato
diferentes debido al gradiente de temperatura a lo largo del
horno. [20]

2) DISPOSITIVO HÍBRIDO
SOLAR-PIEZOELÉCTRICO CON NANOHILOS DE ZNO: Los
nanogeneradores suelen utilizar nanohilos piezoeléctricos,
estructuras de óxido de zinc (ZnO) del tamaño de un
capilar que en respuesta a tensiones mecánicas adquieren
una polarización eléctrica, apareciendo una
diferencia de potencial y cargas eléctricas en su
superficie. El primero de estos dispositivos lo hizo Zhong
LinWang, director del Center for Nanostructure Characterization,
del Georgia Tech, del que también es profesor, quien
espera que los nanogeneradores consigan algún día
suprimir la necesidad de usar baterías gracias a sensores
implantados médicamente, e incluso generar la suficiente
como para alimentar dispositivos electrónicos personales.
Comparados con las células solares, los nanogeneradores
son todavía relativamente ineficientes colectores de
energía, dice Wang, pero "a veces la energía solar
no está disponible". Por eso colabora con Xudong Wang,
profesor de ingeniería y materiales en la Universidad de
Wisconsin-Madison, para conseguir un nuevo dispositivo
híbrido. Combina dos tecnologías previamente
desarrolladas; ambas utilizan nanohilos de óxido de zinc
en un sustrato de silicio. La capa superior consiste en una
delgada película que es la célula solar en la que
se encuentran incrustados los nanohilos de ZnO. La superficie de
los nanohilos estimula la absorción de luz según un
diseño basado en un trabajo de Peidong Yang, profesor de
química de la Universidad de California, Berkeley. La capa
inferior contiene el nanogenerador de Wang. En la base del
silicio existe un polímero rugoso también cubierto
con nanohilos de ZnO dispuestos como una dentadura. Cuando el
dispositivo se expone a vibraciones, el rozamiento de esos
dientes produce un potencial eléctrico. La célula
solar y el nanogerador están conectados
eléctricamente mediante el mismo sustrato de
sílicio que actúa como ánodo de la
célula solar y cátodo del nanogenerador. Aunque es
posible conectar células solares y nanogeneradores,
integrarlos en un dispositivo ahorra espacio y es
energéticamente más eficiente. El prototipo puede
producir 0"6 voltios de energía solar y 10 milivoltios de
piezoeléctrica, y aunque solo tiene un nanogenerador, Wang
piensa incrementar la producción de energía
mediante dispositivos de múltiples capas de
nanogeneradores. [21]

Conclusiones

Se ha realizado una investigación exhaustiva para
poder obtener toda la información necesaria para y por
ende lograr hablar del tema de una manera óptima. Se
realizó una búsqueda por todas las páginas
web que hablan del tema, se escogió solo lo necesario para
logar realizar un resumen sin perder ningún dato
importante, se procedió a buscar algunos datos en libros
que tratan sobre el tema.

En el campo de la nanotecnología se nota la
importancia de los nanohilos, ya que sus aplicaciones son muy
necesarias, para mejorar en mucho nuestra tecnología
actual lo que nos permitirá seguir avanzando. Hay una gran
necesidad por el avance con esta tecnología por lo cual ya
existen varios países y empresas que están creando
nanohilos, ya sea por investigación, industria, medicina
lo cual dice que próximamente tendremos muchos cambios e
innovaciones en los diferentes cambios.

Bibliografía

Páginas Web

REFERENCES

[1]
http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2013/05/21/nanohilossemiconductores/

[2] Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky.
Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos
electrónicos. 10ed. Person Educacion, Mexico
2009

[3]
http://www.investigacionyciencia.es/investigacion-yciencia/numeros/2009/9/nanohilos-semiconductores-1145

[4]
http://jornadasaugm2013.unne.edu.ar/CD/2/LODONO_UBA_2.pdf

[5]
http://www.monografias.com/trabajos90/nanotecnologia-nanomaterialesy-sus-aplicaciones/nanotecnologia-nanomateriales-y
susaplicaciones

[6]
http://www.investigacionyciencia.es/investigacion-yciencia/numeros/2009/9/nanohilos-semiconductores-1145

[7]
http://nanotecnologiaycomputadoras.blogspot.com/2010_08_01_archive.html

[8]
http://francis.naukas.com/2008/02/21/diabeticos-con-suerte-dentro-delo-que-cabe-o-nanosensores-de-glucosa-integrables-en-chips-de-silicioy-pancreas-artificiales/

[9]
http://www.herrera.unt.edu.ar/nano/Investigacion_Nanociencia_Nanotecnologia_Argentina_Tucuan_UNT.html/

[10]http://www.lagaceta.com.ar/nota/332278/Informaci%C3%B3n_General/Estudian_nanohilos_paa_detectar_c%C3%A9lulas_cancer%C3%ADgenas.html

[11]
http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2009/04/20/bateriasde-ion-litio-con-nanohilos-de-silicio-i/

[12]
http://www.bibliodar.mppeu.gob.ve/?q=doc_categoria/Nanohilos%20de%20silicio

[13]
http://patentados.com/patente/procedimiento-de-obtencion-denanohilos-de-silicio/

[17]
http://www.unizar.es/icma/divulgacion/otros.html

[18]
http://jornadasaugm2013.unne.edu.ar/CD/18/FERRER_UDELAR_18.pdf

[19]
http://www.herrera.unt.edu.ar/nano/Investigacion_Nanociencia_Nanotecnologia_Argentina_Tucuman_UNT.html

[20]
http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2008/04/21/nanohilosde-zno/

[21]
http://www.ison21.es/2009/04/12/dispositivo-hibrido-solarpiezoelectrico/

Libros

REFERENCES

[14] Schmid, H., Björk, M. T., Knoch,
J., Riel, H., Riess, W. "Patterned epitaxial vapour-liquid-solid
growth of silicon nanowires on Si(111) using silane", Journal of
Applied Physics 103, 2008.

[15] Dailey, J. W., Taraci, J., Clement, T.
"Vapor-liquid-solid growth of germanium nanostructures on
silicon". J. Appl. Phys. Vol.96, 2004.

[16] Sharma, V., Kamenev, B. V., Tsybeskov,
L. "Optical Propierties of Ge Nanowires Grown on Silicon
(100)

Autor:

Adrián Mauricio Cabrera
Paredes

Universidad Politécnica
Salesiana