Silicio mesoporoso: semiconductor con nuevos talentos
El silicio es el material semiconductor más conocido. Sin embargo, la nanoestructuración selectiva puede cambiar drásticamente las propiedades del material. Utilizando un aparato de grabado especialmente desarrollado, un equipo de la HZB ha producido capas de silicio mesoporoso con innumerables poros diminutos y ha investigado su conductividad eléctrica y su termopotencia. De este modo, los investigadores han dilucidado por primera vez cómo funciona el transporte electrónico en este silicio mesoporoso. El material tiene un gran potencial de aplicación y también podría aislar térmicamente qubits para ordenadores cuánticos.
El silicio mesoporoso es silicio cristalino con poros desordenados de tamaño nanométrico. El material tiene una enorme superficie interna y además es biocompatible. El resultado es una amplia gama de aplicaciones, desde biosensores hasta ánodos de baterías y condensadores. El material también tiene una conductividad térmica excepcionalmente baja, lo que resulta interesante para aplicaciones de aislamiento térmico.
¿Qué domina el transporte?
Aunque el silicio mesoporoso se conoce desde hace décadas, hasta ahora faltaba una comprensión fundamental del transporte de portadores de carga y de la posible implicación de las vibraciones de red (fonones) en el transporte de carga en este material. "Comprender con precisión las propiedades y los procesos de transporte es, sin embargo, un requisito previo para seguir desarrollando el material de forma específica", afirma el Dr. Klaus Habicht, que dirige el departamento de Dinámica y Transporte en Materiales Cuánticos (QM-ADT) del HZB.
Habicht y su equipo han presentado ahora este análisis. Sintetizaron una serie de nanoestructuras de silicio utilizando una técnica de grabado optimizada en el HZB y determinaron la conductividad eléctrica y la fuerza térmica en función de la temperatura.
Estados ondulatorios de los electrones
"Analizando los datos de las mediciones, pudimos identificar claramente el proceso fundamental en el transporte de cargas", afirma el Dr. Tommy Hofmann, primer autor del estudio. El hallazgo clave: "El transporte de carga no está dominado por electrones localizados por el desorden, que saltan de un estado localizado al siguiente, sino por electrones en estados extendidos, similares a ondas". La conductividad disminuye al aumentar el desorden. La energía de activación necesaria para que los portadores de carga superen un "borde de movilidad" que depende del desorden aumenta.
Las vibraciones de la red no desempeñan ningún papel
Al contrario que en un proceso de salto, las vibraciones de la red no desempeñan ningún papel en el transporte de carga. Esto se demostró en particular mediante mediciones del efecto Seebeck, en las que se determina la tensión eléctrica que surge cuando la muestra se expone a una diferencia de temperatura a lo largo de una dirección definida.
"Es la primera vez que proporcionamos una explicación fiable y novedosa del transporte microscópico de portadores de carga en silicio desordenado y nanoestructurado", explica el Dr. Tommy Hofmann.
Silicio mesoporoso como aislante para qubits
Estos resultados tienen relevancia práctica, ya que el silicio mesoporoso podría ser ideal para qubits basados en silicio. Estos qubits funcionan en el rango de bajas temperaturas, normalmente por debajo de 1 Kelvin, y requieren un aislamiento térmico muy bueno para no absorber calor del entorno y borrar la información almacenada en los qubits. "Utilizando una comparación figurada, el silicio mesoporoso podría verse como una especie de espuma aislante, como en la construcción de casas", dice Habicht.
El desorden puede utilizarse
El uso del silicio mesoporoso también puede ser adecuado para aplicaciones semiconductoras que hasta ahora han fracasado debido a la alta conductividad térmica del silicio cristalino o policristalino. "El desorden puede utilizarse de forma selectiva", subraya Habicht. Por tanto, los semiconductores con mesoporos distribuidos de forma estocástica constituirían una nueva clase de materiales muy interesante para aplicaciones técnicas que van desde la fotovoltaica, la gestión térmica y la nanoelectrónica hasta los qubits para ordenadores cuánticos.
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