DayInLab a escala nanométrica

2015-02-26 20.29.17

Para celebrar el nacimiento de este blog he decidido hacer una edición especial de muestras en el laboratorio usando nuestro logo: ése en el que la noche y el día están encerrados en un tubo de ensayo. Sé que os gustarán mucho pero es una edición limitada, así que no saldrán a la venta =). Sin embargo, es una buena excusa para hablaros un poco de Nanotecnología, una rama que ha alcanzado un papel predominante en la ciencia del siglo XXI y que cada día está más presente en nuestras vidas.

Lo primero que hay que saber de nanotecnología es lo que es un nanómetro (nm). Parece algo sencillo, la milmillonésima parte de un metro, pero en realidad no es tan fácil de imaginar. Nuestra mente está muy limitada a las escalas cotidianas, y tanto lo muy pequeño como lo muy grande nos resulta difícil de entender, salvo por comparación con otras cosas. Como es un ejercicio mental muy sano vamos a hacerlo: ¿con qué se puede comparar un nanómetro? ¿Qué hay en la naturaleza de ese tamaño?

scalesEmpecemos por pensar en algo pequeño pero que todavía podemos ver: un cabello humano. Un cabello humano tiene unas 100 micras de espesor. Eso es 100 000 veces más que un nanómetro pero trasladado a nuestra escala natural de 1 metro significa que tendríais que andar 100  km para atravesarlo. Por debajo de las 100 micras el ojo humano ya no sirve para ver gran cosa, y se os pasarían por alto las células de nuestro cuerpo como los glóbulos rojos (cerca de 7 micras). Se puede decir que ese tamaño es la frontera (algo arbitraria) de lo que llamamos vida, porque por debajo sólo queda una gran variedad de virus, desde el E-coli (1.8 micras) hasta el de la gripe (130 nm). Por supuesto, el resto de moléculas que necesitamos para la vida, incluido el ADN, son más pequeñas. De hecho, el nanómetro es la escala aproximada de una molécula sencilla como la hemoglobina (6.5 nm) o los aminoácidos. Por debajo del nanómetro encontramos sistemas más simples como la molécula de agua (0.275 nm), y por supuesto los propios átomos (∼0.1 nm). Para los que queráis hacer un viaje interactivo a través de las escalas del universo os recomiendo este juego o ver el maravilloso video The Flow (de los quarks a la célula).

The Flow from MRK – Markos Kay on Vimeo.

Del mundo clásico al cuántico

Del mundo clásico al cuántico

Pues bien, la nanotecnología no es más que eso, ingeniería a escala nanométrica. Aunque las cosas se pueden reducir de tamaño en una dimensión, en dos, o incluso en tres dimensiones. Llamamos nanotecnología a todo aquello que tiene al menos una de sus dimensiones inferior a 100 nm. ¿Por qué ese valor y por qué es diferente la nanotecnología? El punto clave aquí es que, cuando los sistemas son tan pequeños que están compuestos sólo por centenas o miles de átomos sus propiedades empiezan a cambiar, y se pasa de un mundo clásico a un mundo cuántico, donde la física es mucho más entretenida. Pero eso sólo pasa si las distancias son pequeñas, y de ahí el valor de 100 nm.

Esto de la cuántica os puede sonar un poco lejano, pero cada vez que usáis el LED del teléfono móvil como linterna estáis usando nanotecnología y física cuántica. La nanotecnología está fundamentalmente, aunque no exclusivamente, ligada a la electrónica, porque los electrones son partículas que responden muy bien a los fenómenos cuánticos. Pongamos un ejemplo bastante conocido en cuántica: el efecto túnel.

Efecto túnel, un efecto que sólo existe en física cuántica

Efecto túnel, un efecto que sólo existe en física cuántica

En física clásica una partícula que no tenga suficiente energía no será capaz de atravesar una barrera (de energía potencial); las pelotas siempre rebotan cuando las lanzamos contra la pared. Sin embargo, en física cuántica una partícula como un electrón tiene una cierta probabilidad no nula de llegar a una barrera y atravesarla. Es como si hubiera un túnel en la barrera a través del cual pudieran colarse, aunque lo que en realidad sucede es que, gracias al principio de incertidumbre, el electrón no está perfectamente localizado ni tiene una energía bien definida, así que una parte de él siempre estuvo al otro lado.

Pues bien, en nanotecnología se puede hacer que los electrones se muevan por efecto túnel porque los tamaños de las barreras son tan pequeños que los electrones pueden “saltar” esos obstáculos sin problema. Y al contrario, también se puede lograr confinar los electrones en regiones nanométricas (pozos y puntos cuánticos) para que no puedan escapar y utilizarlos, por ejemplo, para generar luz de forma eficiente.

Plasma de Ar

Crecimiento por pulverización catódica en plasma de Ar

Pero para no aburriros más con el tema, volvamos a nuestro logo. ¿Cómo lo hemos hecho? Para construirlo lo primero es escoger un sustrato sobre el que crecer una lámina delgada. He elegido silicio y vidrio, dos sustratos bastante convencionales y baratos. Sobre esos sustratos hemos depositado una lámina de aluminio muy fina, de unos 100 nm de espesor, por medio de una técnica conocida como pulverización catódica.

El método consiste en bombardear un blanco (de aluminio en nuestro caso) con un plasma, de Ar por lo general. El argón ionizado se atrae hacia el blanco (aplicando una diferencia de potencial), y al chocar con él produce una colisión que arranca sus átomos. El proceso en sí es muy similar al billar: el ión que llega choca con un átomo que toca a otro, que mueve a otro, que finalmente es expulsado del blanco. Esos iones de Al expulsados del blanco se emiten hacia el sustrato, donde se fijan y van formando una película. Si el ritmo de extracción de iones es bajo se puede controlar muy bien el espesor final de la capa. Para que os hagáis una idea, nuestro depósito fue de sólo 2 minutos.

e2a

Límite Circular (M.C. Escher)

Con esto ya tenemos una lámina nanométrica encima del sustrato, pero todavía nos falta darle la forma de nuestro logo: hay que esculpirla. Para eso se utiliza un método conocido como litografía, que es la forma de producir transistores o células solares sobre obleas de silicio comerciales. Básicamente queremos crear un relieve en nuestra capa, y para eso tenemos que eliminar todo lo que nos sobre, de una forma parecida a la que usaba el gran M.C. Escher en sus xilografías.

Eligiendo máscara

Eligiendo máscara

La mayor diferencia con Escher es que nuestro ataque a la lámina no es mecánico sino químico, aunque hay cierto arte en ello. Para hacer reproducible el proceso hay que usar una máscara o patrón. Las máscaras dependen del dispositivo que quieras hacer y del tamaño que decidas darle, y además hay que alinearlas con cuidado con el sustrato para que todo quede bien, lo que se hace con una máquina especial. Pero en este caso todo ha sido más simple porque para hacer nuestra máscara sólo hemos tenido que imprimir el logo sobre una transparencia. Eso sí, que quede claro que este método cutre no funciona para los transistores, ¿eh?

Pues bien, el proceso de litografía consta de pocos pasos pero os dejo una imagen de resumen que creo que es bastante ilustrativa, por si queréis saltaros los detalles que vienen numerados ahora:

Lito

Pasos de litografía

  1. Sobre nuestra muestra crecida previamente depositamos una resina fotosensible, es decir, una resina que se ataca fácilmente con luz ultravioleta (UV). El depósito de resina es basante simple: se echan unas gotas de resina y se hace girar la muestra para que el espesor sea homogéneo.
  2. Se alínea la máscara del patrón que queremos (nuestro logo impreso). Con ponerla encima de la muestra sirve en este caso.
  3. Se expone la muestra tapada con la máscara a la luz UV durante unos 4 minutos (el tiempo depende de la resina). Eso daña selectivamente ciertas zonas de la resina mientras que el resto queda intacto.

    Exposición UV de la muestra con la máscara

  4. Se usa un revelador químico, que elimina únicamente la resina dañanda por la luz. Así hemos creado una especie de ventanas abiertas en la muestra para esculpir en ella y quitar lo que no queramos. Se deja reposar la muestra en una especie de curado, igual que el queso.
  5. Usando un atacante ácido, eliminamos la parte de la lámina que ha quedado expuesta. El ácido no va a atacar la resina, así que hay una parte de la lámina que queda siempre protegida, pero se va a comer el resto. Ésta es la peor parte porque, para quitar el Al hay que utilizar ácido fosfórico, al que es mejor no acercarse si podéis evitarlo.
  6. Finalmente sólo queda retirar la resina sobrante, con una limpieza en acetona o algún compuesto similar.

¡Listo! Ya tenemos nuestro logo a escala nanométrica. Después de crear el patrón, y también en los pasos intermedios, siempre conviene revisar el resultado al microscopio ya que el acabado final nunca tiene la resolución lateral de la máscara original. Así que aquí tenéis el resultado con imágenes del microscopio incluídas… ¿Qué os parece? Ahora queréis uno, ¿verdad? Os lo dije: edición limitada.

micro

Nuestro logo de 100 nm de aluminio sobre silicio analizado al microscopio

Y antes de acabar quiero dedicarle esta entrada a Mayte, que me ayudó a hacer el revelado de estas muestras con mucha paciencia. A pesar de que no era nuestro mejor día en el laboratorio creo que conseguimos un final feliz después de todo. ¡Gracias!

4 Respuestas a “DayInLab a escala nanométrica

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