El siliciuro de europio ha atraído durante algún tiempo la atención de los científicos. Reconocido como prometedor para la electrónica y la espintrónica, este material ha sido presentado recientemente por un equipo de físicos de Polonia, Alemania y Francia a estudios exhaustivos de las vibraciones de su red cristalina. Los resultados arrojaron una sorpresa:depositados sobre un sustrato de silicio, algunas estructuras de siliciuro de europio parecen vibrar de una manera que amplía claramente las posibilidades de diseñar nanomateriales con propiedades térmicas personalizadas.

Las vibraciones de los átomos en las redes cristalinas de los materiales, conocidos como fonones, no son caóticos. En lugar de, se rigen por la simetría de celosía, masa atómica y otros factores. Por ejemplo, los átomos en las profundidades del sólido oscilan de manera diferente que en su superficie, y aún de manera diferente cuando el material se forma, por ejemplo, nanoislas, es decir, pequeños grupos atómicos sobre un sustrato. Un equipo internacional de físicos, compuesto por científicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (FIP PAN) en Cracovia, el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) y el Sincrotrón Europeo (ESRF) en Grenoble, han examinado por primera vez exhaustivamente cómo cambian las vibraciones de la red cristalina del siliciuro de europio (EuSi2) dependiendo de la disposición de las nanoestructuras sobre un sustrato de silicio. El estudio arrojó resultados notables:se observó un nuevo tipo de vibración en la muestra en la que las nanoislas EuSi2 estaban en contacto entre sí.

"Por lo general, la nanoingeniería significa modificar el material en una escala de nanómetros, o mil millonésimas de metro. La investigación sobre siliciuro de europio en la que participamos nos permite ofrecer algo más:nanoingeniería de fonones, es decir, ingeniería en la que no tanto la estructura del material está cuidadosamente diseñada como las vibraciones de los átomos en su red cristalina, "dice el Dr. Przemyslaw Piekarz (FIP PAN).

El siliciuro de europio forma un cristal, en el que cada átomo de europio está rodeado por 12 átomos de silicio. El sistema exhibe lo que se conoce como simetría tetragonal:la distancia entre los átomos en una dirección es diferente que en las dos direcciones restantes. Este compuesto metálico se une fácilmente al silicio, y también tiene una barrera de Schottky (es decir, la barrera de energía potencial que encuentran los electrones en su transición del metal al silicio) que batieron récords. Estos materiales son de interés hoy en día en vista de su potencial aplicación en sistemas nanoelectrónicos, por ejemplo, en tecnología MOSFET utilizada en la producción de procesadores modernos. Sin embargo, a bajas temperaturas EuSi2 también exhibe interesantes propiedades magnéticas, lo que lo hace atractivo para el sucesor de la electrónica:la espintrónica.

Aunque los compuestos de silicio y metales de tierras raras juegan un papel fundamental en el transporte de calor, entre otros, sus vibraciones de celosía no se han estudiado hasta la fecha de forma exhaustiva. Mientras tanto, en sistemas nanoelectrónicos donde se genera calor en grandes cantidades, Las propiedades térmicas de un material se volvieron tan importantes como las propiedades magnéticas o eléctricas.

Un grupo dirigido por el Dr. Svetoslav Stankov (KIT, Alemania) ha desarrollado un procedimiento para la preparación de nanoestructuras epitaxiales EuSi2 depositando, en condiciones de vacío ultra alto, pequeñas cantidades de átomos de europio sobre un sustrato calentado de silicio monocristalino. Es más, Mediante un cuidadoso ajuste de la temperatura del sustrato y la cantidad de átomos de europio, pudieron adaptar la morfología de las nanoestructuras EuSi2 preparadas en la superficie del silicio.

"En este experimento centramos nuestra atención en la formación de cuatro muestras de siliciuro de europio:una película uniforme, que podría considerarse como un cristal sólido, una película muy plisada, y dos conjuntos diferentes de nanoislas, "explica el Dr. Stankov y agrega:" Una nanoisland es un grupo discreto de átomos autoorganizados en una superficie que alcanza tamaños de varias decenas de nanómetros con una altura de una docena de nanómetros aproximadamente. Resultó que son especialmente interesantes las muestras en las que las nanoislas EuSi2 están completamente aisladas entre sí y aquellas en las que las nanoislas están en estrecho contacto entre sí ".

Las muestras se prepararon en el sistema de vacío ultra alto en la línea de luz de resonancia nuclear del sincrotrón ESRF en Grenoble por el grupo KIT y se investigaron in situ mediante dispersión inelástica nuclear (NIS).

"NIS es un método de última generación para la medición directa del espectro de energía de las vibraciones atómicas de nanomateriales con muy alta resolución. En esta técnica experimental, la muestra se ilumina con fotones de alta energía, seleccionados de modo que su absorción por los núcleos atómicos excite o aniquile las vibraciones reticulares de un cierto tipo, produciendo la densidad de estados de fonones específicos del elemento, "agrega el Dr. Stankov.

Los estudios teóricos en el PAN de la FIP se realizaron ab initio, basado en las leyes fundamentales de la mecánica cuántica y la física estadística, utilizando el software PHONON escrito por el Prof. Krzysztof Parlinski (IFJ PAN). El grupo de Cracovia se ocupó no solo de modelar las vibraciones de la red cristalina de estructuras de siliciuro de europio, pero también determinando las condiciones para realizar experimentos en el sincrotrón ESRF.

"En Grenoble solo se registraron las energías de vibración de los átomos de europio. Las curvas obtenidas de las mediciones coincidieron muy bien con nuestros cálculos para el cristal sólido y la superficie. Podríamos complementar estos datos con nuestras predicciones para los movimientos de los átomos de silicio, que ayudó a interpretar mejor los resultados, "dice el profesor Parlinski.

Se obtuvieron resultados particularmente interesantes para las muestras con nanoislas. En el caso de un sustrato recubierto con nanoislas discretas se observó un aumento significativo de la amplitud de vibración de los átomos de europio, hasta un 70% en relación con las vibraciones en el cristal. Un aumento tan grande se traduce en posibilidades significativamente mayores en el campo de la transferencia de calor. Apareció el efecto más interesante, sin embargo, en la muestra con nanoislas contiguas. A saber, Se encontraron vibraciones adicionales con una energía característica en las interfaces entre las nanoislas. Aunque teóricamente se predijo anteriormente, su existencia fue confirmada experimentalmente por primera vez. Constituyen otra "puerta de entrada" a través de la cual el material puede descargar calor al medio ambiente. Por medio de las nanoislas contiguas, se hace realidad un aumento significativo en la eficiencia de la transferencia de calor en las nanoestructuras.

"En el análisis de materiales, los científicos suelen observar las propiedades de una muestra de morfología fija. Hemos descrito todo un espectro de posibles morfologías superficiales de EuSi2. Un modelo teórico avanzado y mediciones precisas nos han permitido por primera vez rastrear exactamente cómo las vibraciones de la red cristalina de un nanomaterial cambian dependiendo de su disposición sobre el sustrato, "enfatizó el Dr. Piekarz.

La investigación sobre nanoestructuras de siliciuro de europio, financiado por la Asociación Helmholtz, el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (proyecto VH-NG-625) y en el lado polaco por la subvención HARMONIA del Centro Nacional de Ciencias de Polonia, es de naturaleza básica. Sin embargo, el conocimiento adquirido, especialmente con respecto a las vibraciones de la red cristalina que ocurren en la interfaz entre nanoislas adyacentes y los cambios drásticos relacionados en el transporte de calor, es universal. Después de una adecuada adaptación, Este fenómeno permitirá a los investigadores diseñar nanomateriales distintos del siliciuro de europio con propiedades térmicas personalizadas.