Nanodunas con haz de iones: nuevo método para nanoestructuras autoorganizadas

Muchos dispositivos semiconductores de la tecnología moderna (desde circuitos integrados hasta células solares y LED) se basan en nanoestructuras. La producción de conjuntos de nanoestructuras regulares suele requerir un esfuerzo sustancial. Si estuvieran autoorganizados, la producción de tales dispositivos sería considerablemente más rápida y, por tanto, los costes se reducirían. El Dr. Stefan Facsko del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y el Dr. Xin Ou del Instituto de Microsistemas y Tecnología de la Información de Shanghai (SIMIT) de la Academia de Ciencias de China, han demostrado ahora un método para la autoorganización de matrices nanoestructuradas. mediante irradiación con haz de iones amplio. Los resultados han sido publicados en la revista científica. Nanoescala.

En su sorprendente método, los investigadores utilizan haces de iones, que son átomos rápidos cargados eléctricamente. Dirigen un amplio haz de iones de gases nobles hacia una arseniuro de galio oblea, que se utiliza, por ejemplo, para producir transistores, fotocélulas o diodos emisores de luz de alta velocidad y alta frecuencia. “Se podría comparar el bombardeo de iones con el chorro de arena. Esto significa que los iones se desprenden de la superficie del objetivo. Allí, el deseado nanoestructuras se crean por sí solos”, explica el Dr. Facsko. La estructura regular y finamente cincelada recuerda a las dunas de arena, estructuras naturales creadas por el viento. Pero todo esto ocurre en un nano-reino, con una distancia de apenas cincuenta nanómetros entre dos dunas: los mechones de cabello humano son dos mil veces más gruesos.

Bombardeo de iones a temperatura elevada

Sin embargo, a temperatura ambiente, el haz de iones destruye la estructura cristalina del arseniuro de galio y, con ello, sus propiedades semiconductoras. Por lo tanto, el grupo del Dr. Facsko en el Centro de Haz de Iones del HZDR aprovecha la oportunidad para calentar la muestra durante el bombardeo de iones. A unos cuatrocientos grados centígrados, las estructuras destruidas se recuperan rápidamente.

Otro efecto es el de que se desarrollen las nanodunas en la superficie del semiconductor. Los iones que chocan no sólo desplazan los átomos que chocan, sino que también expulsan por completo a los átomos individuales del espacio. estructura cristalina. Dado que el arsénico volátil no permanece adherido a la superficie, ésta pronto estará formada únicamente por átomos de galio. Para compensar los enlaces faltantes de los átomos de arsénico, se forman pares de dos átomos de galio, que se disponen en largas filas. Si el haz de iones elimina más átomos próximos a ellos, los pares de galio no pueden deslizarse por el escalón creado porque las temperaturas son demasiado bajas para que esto suceda. Así es como las largas filas de pares de galio forman después de un tiempo nanodunas, en las que varios pares largos de líneas se encuentran uno al lado del otro.

Fueron necesarios muchos experimentos a diferentes temperaturas y cálculos exhaustivos para preservar el estado cristalino del material semiconductor y producir estructuras bien definidas a nanoescala. El Dr. Facsko del HZDR dice: “El método de epitaxia inversa funciona con varios materiales, pero aún se encuentra en su fase de investigación básica. Dado que utilizamos iones de energía especialmente baja (menos de 1 kilovoltio), que se pueden generar mediante métodos sencillos, esperamos poder marcar el camino para la implementación industrial. La fabricación de estructuras similares con los métodos más modernos requiere mucho más esfuerzo”.