Nota

Universidad Nacional del Noroeste de la Provincia de Buenos Aires - Investigación

23 de Noviembre de 2009 |

La Física Básica al servicio de la tecnología

Investigadores de la UNNOBA y la UNLP llevan adelante un estudio de impurezas metálicas en óxidos semiconductores, que tiene por objetivo el aporte de conocimiento en Física Básica y la aplicación tecnológica. La investigación de estos materiales resulta de gran provecho para la tecnología electrónica moderna, dado que sus resultados son útiles en el desarrollo de aplicaciones biomédicas, sensores, paneles solares y chips de computadoras. Las conclusiones del estudio servirán para generar sistemas de almacenamiento de información más pequeños y rápidos.

Leonardo Errico, investigador del Conicet y docente en la UNNOBA.

“A partir de un abordaje experimental y teórico, el proyecto tiene por meta investigar diversas propiedades de impurezas metálicas en óxidos semiconductores para contribuir al diseño de nuevos materiales”, explica a InfoUniversidades Leonardo Errico, docente de la UNNOBA e investigador adjunto del Conicet.

En la naturaleza existen diferentes tipos de materiales, clasificados de acuerdo a su capacidad de conducir carga eléctrica como por ejemplo el cobre, que es empleado en cables eléctricos. Otra clase son los materiales aisladores como el plástico, que no conduce corriente, y recubre a los cables eléctricos. Los materiales semiconductores presentan un comportamiento intermedio: sólo en ciertas condiciones permiten la conducción de corriente. Ejemplos de ellos en la naturaleza son el dióxido de titanio, el dióxido de estaño, el monóxido de estaño, el silicio y el germanio. Es de estos últimos materiales de los que se ocupa esta investigación.

Para explicar qué es un semiconductor, Errico establece una comparación con una carretera que posee dos carriles separados por una valla, en la que uno de los carriles está completamente ocupado y el otro desocupado: “En uno, hay embotellamiento y los autos no pueden moverse. Estos autos serían los electrones; el carril ocupado sería la llamada banda de valencia del semiconductor; la desocupada, la banda de conducción, y la valla se conoce en física de semiconductores como ‘banda prohibida’. En la situación de esta carretera, los autos no pueden moverse ya que en un carril está el embotellamiento y el otro está vacío. Para moverse deberían pasar al otro carril, pero la valla no lo permite. Lo mismo ocurre con los electrones en un semiconductor: la banda de valencia está llena de electrones, por lo que éstos no pueden moverse. Para trasmitir información mediante los electrones -autos, en la analogía-, éstos deberían saltar la valla o ‘banda prohibida’ hasta la banda de conducción o el carril libre. Esto se puede lograr por diferentes mecanismos. Una forma es mediante el agregado de impurezas, como por ejemplo átomos de hierro o cobalto, que se agregan al material semiconductor en forma controlada”.

Las impurezas abrirían “huecos en la valla”. “De esta manera los autos -electrones- pueden pasar sin dificultad al carril libre -banda de conducción-. Así, se favorece la movilidad de los electrones y a partir ellos se puede transmitir información”, sintetiza el investigador.

El estudio de semiconductores con impurezas es un tema que cobra gran relevancia a la luz de la tecnología electrónica moderna, ya que su aplicación se basa en materiales semiconductores, como por ejemplo los chips de las computadoras. Los óxidos de titanio, de amplio interés en procesos catalíticos, aplicaciones biomédicas y los óxidos de estaño, que se emplean en diferentes tipos de sensores y paneles solares constituyen otros ejemplos de óxidos semiconductores.

Errico señala el caso de los semiconductores a los que se agregan impurezas magnéticas como el hierro, ya que “estos sistemas han suscitado gran interés debido a sus potenciales aplicaciones tecnológicas en diversos campos: dispositivos de almacenamiento de información, óptica”.Otro tipo de materiales que adquirieron importancia desde el punto de vista tecnológico son los vítreos y cerámicos, como los óxidos de zirconio y hafnio. “Podemos concluir que la variedad de aplicaciones de los óxidos semiconductores, con impurezas o puros, van desde sensores de gases, celdas de combustibles y fibras ópticas, hasta prótesis médicas”.

El grupo que trabaja en esta investigación estudia física básica de este tipo de sistemas para entender qué hace la impureza en el material y los efectos que producen sobre diferentes propiedades físicas y químicas del semiconductor. “La aplicación potencial de esta ciencia básica es el llamado diseño de materiales”, aclara el investigador y agrega que “en la actualidad, a partir de conocimientos aportados por la Física Básica, pueden desarrollarse métodos computacionales muy precisos y confiables, que permiten predecir el comportamiento de materiales sin necesidad de fabricarlos. Por ejemplo, se puede predecir la resistencia mecánica de un tipo de acero, o su resistencia a la corrosión. Otro ejemplo son las celdas solares que en la actualidad producen energía alternativa pero los materiales para construirlas son caros. Este tipo de estudios puede ayudar al diseño de materiales para que, por ejemplo, esas celdas sean más viables económicamente. Si logramos aplicarlo tecnológicamente la proyección sería, por ejemplo, sistemas de almacenamiento de información mucho más pequeños y rápidos”.

El profesor apunta que en particular las celdas de combustibles de óxidos sólidos son investigadas en los últimos años de manera creciente porque representan una alternativa de obtención de energía en forma eficiente y, a la vez, de baja contaminación acústica y ambiental. En la misma línea se cuenta al desarrollo teórico de fenómenos de superficies para describir procesos de absorción y deposición de átomos (por lo general impurezas) en diferentes soportes.

Errico sostiene que estos problemas presentan un punto en común: en todos los casos, a fin de lograr una descripción adecuada de los sistemas y predecir los fenómenos físicos de interés, es necesario determinar su densidad electrónica, es decir cómo se “distribuyen” los electrones de estos materiales semiconductores, y cómo afecta a esta “distribución de electrones” la presencia de las impurezas. “Durante los últimos veinte años se han aplicado diversas técnicas experimentales al estudio de estos problemas. Sin embargo, para poder extraer la información es necesario contar con un modelo confiable que permita reproducir las magnitudes determinadas experimentalmente y explicar su origen”, cierra.

Ana Sagastume
Universidad Nacional del Noroeste de la Provincia de Buenos Aires

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