Un estudio de impurezas metálicas en óxidos semiconductores que tiene por objetivo el aporte de conocimiento en física básica y la aplicación tecnológica llevan adelante investigadores de la UNNOBA y la UNLP.
“En este proyecto nos proponemos, mediante un abordaje experimental y teórico, investigar diversas propiedades de impurezas metálicas en óxidos semiconductores a fin de entender dichas propiedades y, eventualmente, contribuir al diseño de nuevos materiales”, explica 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: los materiales conductores, que son buenos conductores de corriente, que no es más que un flujo de electrones. “Un ejemplo de materiales conductores es el cobre, que por esto es empleado en cables eléctricos. Otra clase son los materiales aisladores, que no conducen la corriente, como el plástico que recubre a los cables eléctricos. Por último, están los semiconductores, tema que aborda la investigación”, afirma Leonardo Errico que se desempeña en la UNNOBA como profesor de las materias Termodinámica y Fisicoquímica del Departamento de Ciencias Básicas.
En efecto, los semiconductores son materiales que presentan un comportamiento intermedio: sólo en ciertas condiciones permiten la conducción de corriente. Ejemplos de éstos en la naturaleza son: el dióxido de titanio, el dioxido de estaño, el monóxido de estaño, el silicio y el germanio.
Pero, ¿qué es un semiconductor? Errico lo compara con una carretera con dos carriles separados por una valla, en la cual uno de los carriles está completamente ocupado y el otro está desocupado: “En uno, hay embotellamiento y los autos no pueden moverse. Esos 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 cual estos no pueden moverse. Para trasmitir información mediante los electrones [autos], estos deberían saltar la valla [banda prohibida] hasta la banda de conducción [carril libre]. Esto se puede lograr mediante 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”, grafica el investigador.
Esas impurezas abrirían ”huecos en la valla”. “De esta manera los autos [electrones] pueden pasar fácilmente al carril libre [banda de conducción]. Entonces, se favorece la movilidad de los electrones y mediante ellos podemos trasmitir información”, sintetiza.
El profesor Errico asegura que el estudio de semiconductores con impurezas es un tema de “fuerte interés” en materia condensada y explica que la aplicación es relevante para la tecnología electrónica moderna que está basada en materiales semiconductores. “Un ejemplo son los chips de las computadoras”, dice. Otros ejemplos de óxidos semiconductores son 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.
Errico señala que un ejemplo que presenta un alto interés es el caso de los semiconductores a los que se agregan impurezas magnéticas como el hierro. “Estos sistemas han suscitado gran interés debido a sus potenciales aplicaciones tecnológicas en diversos campos: dispositivos de almacenamiento de información, óptica”, agrega.
Remarca que otro tipo de materiales que han adquirido importancia desde el punto de vista tecnológico son los materiales 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 profesor apunta que en particular las celdas de combustibles de óxidos sólidos están siendo 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. “El desarrollo teórico de fenómenos de superficies adquirió particular relevancia por el creciente interés para describir procesos de absorción y deposición de átomos (por lo general impurezas) en diferentes soportes”, agrega.
Para Errico los problemas antes citados presentan un punto en común: en todos los casos, a fin de lograr una descripción adecuada de los sistemas mencionados y predecir los fenómenos físicos de interés, es necesario determinar la densidad electrónica de los sistemas, 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 variadas técnicas experimentales han sido extensamente aplicadas al estudio de este tipo de problemas. Sin embargo, para poder extraer toda la información que contienen los resultados experimentales es necesario contar con un modelo confiable que permita reproducir las magnitudes determinadas experimentalmente. Y explicar su origen”, señala.
Errico afirma que el grupo que trabaja en esta investigación estudia física básica de este tipo de sistema para entender qué es lo que hace la impureza en el material y los efectos que éstas producen sobre diferentes propiedades físicas y químicas del semiconductor. “La aplicación potencial de esta ciencia básica es el llamado diseño de materiales”, aclara. “En la actualidad, a partir de conocimientos aportados por la Física Básica, se ha podido desarrollar 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. Hoy, las celdas solares 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”, dice.
“Si podemos aplicarlo tecnológicamente la proyección sería, por ejemplo, sistemas de almacenamiento de información mucho más pequeños, mucho más rápidos”, sostiene.
La investigación comenzó en 2008 y está previsto que termine a mediados de 2010. Integran el equipo de investigación los doctores Mario Renteria,
Germán Darriba y Marcela Taylor; los becarios Emiliano Muñoz y Diego
Richard. Todos pertenecen al Departamento de Física de la UNLP y al
Instituto de Fisica La Plata (IFLP, CONICET). Participan también de la
investigación las doctoras Claudia Rodríguez Torres, Fabiana Cabrera (UNLP e IFLP) yMariana Weissmann (UNSM, CNEA).