Nanodunas de Silicio (de congreso en San Francisco)

Los científicos pasamos la mayor parte del tiempo metidos en el laboratorio, pero a veces nos toca hacer ciencia en el mundo exterior yendo de congreso, que es una modalidad menos divertida aunque bastante singular. Por eso esta vez la entrada no os la mando desde el laboratorio sino desde San Francisco, de donde acabo de volver con jet lag de conferencia (una modalidad no diagnosticada pero que os aseguro que existe).

He estado asistiendo al MRS, uno de los congresos de ciencia de materiales más grandes que hay en el mundo. Se hacen 4 al año, dos en Europa y dos en Estados Unidos, y mueve a varios miles de personas. Para que os hagáis una idea los simposium empiezan en la A, B, C… Lo normal ¿no? ¡Pues el mío era QQ! Echad cuentas.

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Antes de nada tengo que aclarar que por lo general uno no se recorre 25000 km en una semana si no es por una buena razón. Vamos, que en contra de lo que se piensa desde fuera, los congresos son muy necesarios para la divulgación científica: ayudan a estar al día de lo que se hace en tu campo (hay tantas revistas que se ha vuelto imposible leer todos los artículos), a generar ideas, a establecer colaboraciones, a aprender de otros grupos, y a publicitar tu propio trabajo. Como sé que esta vez no habéis podido aprovechar todas esas ventajas ni asistir a mi charla voy a contaros lo que me ha llevado hasta allí: las nanodunas de silicio.

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Dunas del desierto de Dubái

Todo el mundo sabe que las dunas son patrones naturales que aparecen en la arena, el agua, o las nubes por la combinación de varios fenómenos físicos. En el caso de la arena del desierto, por un lado está la erosión del viento (que quita partículas de la superficie), y por otro el transporte de masa (esas partículas se recolocan en algún otro lugar). Al final se alcanza un equilibrio entre lo que se quita y lo que se reincorpora, y cuando la dirección del viento está bien definida ese equilibrio toma la forma de una onda a lo largo de esa dirección. Las escalas típicas de las dunas del desierto van desde los centímetros a los cientos de metros, pero lo importante es se generan de forma autoorganizada: no hacemos nada específico para que salgan así. Es un proceso natural.

Pues bien, lo que no todo el mundo sabe es que se puede seguir el ejemplo de la naturaleza para crear ondas auto-organizadas en la superficie de los materiales y hacer nanodunas. La idea es la misma que en el desierto, y la diferencia fundamental es que en vez de ser una guerra entre aire y arena, en nuestro caso es entre iones y cristales; es decir, se producen por erosión iónica.

Y vosotros diréis: ¿para qué quieres crear dunas en la superficie de un material? Pues hay muchas razones, porque en nanotecnología la superficie de un material es la parte más activa e importante, y el hecho de que esté ordenada (con un patrón de dunas, por ejemplo) cambia radicalmente su comportamiento. Pero centrémonos en el cómo y no en el para qué.

IBS

Esquema de erosión iónica

¿Cómo creamos dunas en la superficie de un material? La receta es bastante simple: elige el material a esculpir (nuestra arena). Pongamos que es una oblea de silicio. Ahora necesitas algo que haga las funciones del viento, es decir, algo que pueda bombardear el silicio y sea capaz de mover los átomos de sitio. ¿Lo tenéis? Exacto: unos iones acelerados nos vendrían muy bien para eso. Digamos que iones de Ar, ya que es un gas noble y hace muy bien el papel de aire. Sigamos por inclinar nuestra muestra para que el ángulo de incidencia sea de unos 60º (de forma similar a lo que pasaría en el desierto) y listo.

Para este tipo de procesos solemos usar un implantador, que es un acelerador pequeño dedicado a la modificación de materiales, y donde los iones se pueden aceleran hasta unas decenas o cientos de keV. Cualquier chip actual, por ejemplo, suele tener cerca de una decena de pasos de implantación. Para los que no lo habéis visto nunca un implantador es más o menos así:

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Implantador de iones de varios kV con sus principales elementos

Cuando un ión de esta energía (keV) impacta contra el material que tenemos (Si) se empieza a producir una cascada de colisiones: el ión choca con un átomo de Si, que al moverse choca con otro (o más), y así hasta que ya no queda energía. Es lo mismo que pasa en el billar pero con bolas muchísimo más pequeñas. Y como parte de todas esas colisiones, algunos de los átomos de la superficie son expulsados y se pierden de la superficie. A este proceso se le llama pulverización (sputtering, en inglés) y es lo que produce la erosión de la superficie dándole una cierta rugosidad, que se amplifica con el tiempo hasta dar lugar a un patrón de ondas. El mecanismo es parecido al del desierto pero a una escala más pequeña, así que las dunas que producimos tienen tamaños de algunos nanómetros o incluso micras.

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Simulaciones de dinámica molecular de la colisión entre un ión de Xe y un cristal de silicio (cortesía de mi amiga Ana Moreno Barrado)

Pues bien, a pesar de que el proceso por el cual se producen las nanodunas está bastante comprendido, hay todavía muchas cosas que desconocemos y que no podemos controlar. Por ejemplo, las dunas no tienen siempre el mismo espaciado (longitud de onda), ni la misma amplitud (rugosidad), que son los dos parámetros más característicos. Tampoco están siempre igual de ordenadas. En fin, que hacer nanodunas del tamaño que queremos es más complicado de lo que parece (hay que saber más Física).

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Evolución de la morfología de nanodunas en silicio (imágenes de microscopía atómica de fuerzas). La flecha indica la dirección del haz incidente

Lo que nosotros estamos tratando de entender (y de eso he hablado en el congreso) es precisamente cómo se comportan las nanodunas cuando cambias el tipo de ión, es decir, cuando en vez de usar un ión inerte (como el “aire” de Ar) usamos un ión reactivo (como un metal, que puede unirse fácilmente al silicio para formar un compuesto químico). Esto cambiar totalmente la historia porque el mismo agente que erosiona y destruye el material también cohesiona y se une al material. Resulta que en este caso además de tener un patrón morfológico (valles y picos) también creamos un patrón composicional: en un lado de la duna hay metal, mientras que en el otro no, como en esta imagen de microscopía electrónica en transmisión (TEM).

TEM

Ondulaciones creadas por erosión iónica con incorporación de metal. Las caras derechas de la onda son ricas en metal, mientras que las caras izquierdas no.

A esto se le llama decorar las muestras con gusto, ¿no? El patrón composicional que creamos así puede verse en realidad como una forma compacta de almacenar información si lo leyéramos, por ejemplo, con algún tipo de lector magnético que entienda “1” cuando hay metal y “0” cuando no. Y aunque esto es más de lo que pretendemos conseguir (para que os voy a engañar) no deja de ser parecido a lo que ocurre con un DVD, donde se produce un patrón de “0” y “1” por daño (con un láser en vez de con iones).

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Patrón micrométrico de “0” y “1” en un DVD.

Nuestro objetivo, de todas formas, no es tan aplicado porque como bien dice la cita del díano hay ciencias aplicadas sino aplicaciones de las ciencias“, así que por el momento sólo estamos tratando de controlar el orden de las nanodunas y aprender cómo se autoorganizan realmente cuando se erosiona y cohesiona a la vez.

Y bueno, con todo lo que os he contado yo creo que ya os hacéis una buena idea de lo que me ha llevado a San Francisco, ¿no? Aunque para decir toda la verdad, además de las nanodunas también me ha llevado allí una promesa que hice en el blog de Patritravel hace un año y que ¡ya está cumplida! =D

Aún no sé cuál será mi siguiente congreso (tengo que confesar que me apetece mucho Australia…), pero tened por seguro que os lo contaré aquí.


Referencias

Modelos de la dinámica de ondulaciones en la nanoarena en la Revista Española de Física

6 Respuestas a “Nanodunas de Silicio (de congreso en San Francisco)

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