Los Químicos Desarrollan Nanoestructuras A Partir De Material Previamente Imposible

Los químicos combinan proporciones previamente inalcanzables de átomos extraños

Nanoestructuras hechas de material previamente imposible. TU Viena

¿Cómo combinas diferentes elementos en un cristal? En TU Wien, ahora se ha desarrollado un método para incorporar proporciones previamente inalcanzables de átomos extraños en cristales.

Cuando hornea un pastel, puede combinar los ingredientes en casi cualquier proporción, y aún así siempre se podrán mezclar. Esto es un poco más complicado en química de materiales. A menudo, el objetivo es cambiar las propiedades físicas de un material agregando una cierta proporción de un elemento adicional; sin embargo, no siempre es posible incorporar la cantidad deseada en la estructura cristalina del material. En TU Wien, se ha desarrollado un nuevo método mediante el cual se pueden lograr mezclas previamente inalcanzables entre germanio y átomos extraños deseados. Esto da como resultado nuevos materiales con propiedades significativamente alteradas.

Más estaño o galio en el cristal de germanio

“La incorporación de átomos extraños en un cristal de manera específica para mejorar sus propiedades es en realidad un método estándar”, dice Sven Barth del Instituto de Química de Materiales de TU Wien. Nuestra electrónica moderna se basa en semiconductores con ciertos aditivos. Los cristales de silicio en los que se incorporan átomos extraños como fósforo o boro son un ejemplo de esto.

También se suponía que el germanio, material semiconductor, cambiaba fundamentalmente sus propiedades y se comportaba como un metal cuando se mezclaba una cantidad suficiente de estaño, eso ya se sabía; sin embargo, en la práctica, eso no se logró anteriormente.

Por supuesto, se podría intentar simplemente fundir los dos elementos, mezclarlos a fondo en forma líquida y luego dejarlos solidificar, como se ha hecho durante miles de años para producir aleaciones metálicas simples. “Pero en nuestro caso, este simple método termodinámico falla, porque los átomos agregados no se mezclan de manera eficiente con el sistema de red del cristal”, explica Sven Barth. “Cuanto mayor es la temperatura, más se mueven los átomos dentro del material. Esto puede provocar que estos átomos extraños se precipiten fuera del cristal después de que se hayan incorporado con éxito, dejando una concentración muy baja de estos átomos dentro del cristal “.

Por lo tanto, el equipo de Sven Barth ha desarrollado un nuevo enfoque que vincula el crecimiento de cristales particularmente rápido con temperaturas de proceso muy bajas. En el proceso, la cantidad correcta de átomos extraños se incorpora continuamente a medida que crece el cristal.

Los cristales crecen en forma de hilos o varillas a nanoescala, y específicamente a temperaturas considerablemente más bajas que antes, en el rango de solo 140-230 ° C. “Como resultado, los átomos incorporados son menos móviles, los procesos de difusión son lentos y la mayoría de los átomos permanecen donde usted quiere que estén”, explica Barth.

Con este método, ha sido posible incorporar hasta un 28% de estaño y un 3,5% de galio en germanio. Esto es considerablemente más de lo que antes era posible mediante la combinación termodinámica convencional de estos materiales, en un factor de 30 a 50.

Láseres, LED, componentes electrónicos

Esto abre nuevas posibilidades para la microelectrónica: “El germanio puede combinarse eficazmente con la tecnología de silicio existente, y también la adición de estaño y / o galio en concentraciones tan altas ofrece aplicaciones potenciales extremadamente interesantes en términos de optoelectrónica”, dice Sven Barth. Los materiales se utilizarían para láseres infrarrojos, para fotodetectores o para LED innovadores en el rango de infrarrojos, por ejemplo, ya que las propiedades físicas del germanio se modifican significativamente con estos aditivos.

Publicaciones:

  • Seifner et al., “Síntesis directa de nanocables de germanio hiperdopados”, ACSNano 2018, 12, 1236-1241; DOI: 10.1021 / acsnano.7b07248
  • Seifner et al., “ Empujando el límite de composición de  nanoestructuras anisotrópicas Ge 1– x Sn x y determinación de su estabilidad térmica “,  Chem. Mater., 2017, 29 (22), págs. 9802–9813, DOI: 10.1021 / acs.chemmater.7b03969

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