Investigadores europeos han combinado el modelado informático de la mecánica cuántica y los procesos de fabricación de precisión para crear novedosos óxidos conductores transparentes hechos por encargo para una amplia gama de aplicaciones científicas y de consumo.
Imagina especificar exactamente cómo quieres que se comporte un nuevo material, entregar esas especificaciones a un ingeniero, y recuperar un material nuevo con exactamente las cualidades que necesita.
Eso es lo que se propuso hacer el proyecto NATCO (para óxidos conductores transparentes avanzados novedosos), financiado con fondos europeos. Diseñaron y desarrollaron óxidos conductores transparentes (TCO) novedosos con especificaciones precisas mediante la aplicación de la mecánica cuántica para predecir las propiedades ópticas y electrónicas de un material. fabricándolo, y comprobar sus resultados de forma experimental.
¿Los resultados? TCO completamente nuevos con una amplia gama de aplicaciones potenciales en sensores, células solares, ventanas inteligentes, y decenas de otros científicos productos comerciales y de consumo.
“En el campo de la optoelectrónica, existe una gran necesidad de encontrar materiales mejores y menos costosos, "Dice Guy Garry, coordinador del proyecto NATCO. “La ruta que tomamos fue primero hacer cálculos para encontrar la mejor manera de obtener las propiedades que necesitábamos. Cuando fabricamos estos materiales, descubrimos que sus propiedades eran las mismas que habíamos calculado ".
Este proceso de diseño racional, que utiliza los primeros principios para calcular la conductividad y la transparencia de los materiales novedosos antes de fabricarlos, permitió a los investigadores desarrollar nuevos TCO con un rendimiento mejorado de forma rápida y eficiente.
“Pudimos hacer estos cálculos muy rápidamente, lo que nos permitió mejorar las propiedades existentes y encontrar nuevas propiedades, ”Dice el Dr. Garry.
Material optoelectrónico nuevo.
TCO:materiales que combinan transparencia y conductividad, cualidades que normalmente no se encuentran juntas - tienen múltiples aplicaciones. Como sensores, fotovoltaica, dispositivos emisores de luz y películas controlables electrónicamente, se encuentran en instrumentos científicos, DVD, cámaras digitales, teléfonos móviles, pantallas de computadora y cientos de otros productos.
Hasta hace poco, la mayoría de las TCO se basaron en un material llamado ITO, un óxido de indio que se dopa - ligeramente modificado - mediante la adición de una pequeña cantidad de estaño. Las ITO han resultado útiles, pero, El Dr. Garry dice:sufren de dos inconvenientes. Su transparencia no es muy buena, especialmente en el rango del infrarrojo cercano, y el indio escasea y es muy caro.
El equipo de NATCO decidió explorar un material completamente diferente, cuprato de estroncio dopado con cantidades variables de bario. Cobre, el bario y el estroncio son mucho más abundantes y mucho menos costosos que el indio.
Extensos cálculos aplicando la mecánica cuántica predijeron que, dopando cuprato de estroncio con un pequeño porcentaje en peso de bario, los investigadores pudieron crear precisamente los materiales que querían, combinando buena conductividad eléctrica y transparencia óptica.
Fabricar los nuevos materiales fue un desafío. Al principio, los materiales se fabricaban en forma de cerámica a granel y luego, para aplicaciones reales, Se depositaron capas delgadas sobre sustratos adecuados.
En el final, los investigadores se decidieron por dos técnicas de deposición:deposición por láser pulsado (PLD) y deposición química organometálica (MOCVD).
En PLD, una ráfaga de luz láser vaporiza el material a depositar, creando una película delgada sobre una superficie de vidrio o silicona. Permite un control preciso, pero no se puede utilizar en grandes superficies.
MOCVD utiliza química orgánica para crear gases que depositan el material deseado en una superficie. Es un procedimiento más complicado, pero tiene la ventaja de poder ampliarse para revestir grandes superficies.
Una vez que hubieron fabricado los materiales, los investigadores pudieron probar qué tan bien sus propiedades eléctricas y ópticas coincidían con los valores predichos. “Esta fue la primera vez que se realizó este tipo de trabajo en TCO, ”Dice el Dr. Garry.
Múltiples aplicaciones en las obras
Hoy dia, Una de las aplicaciones más prometedoras de los nuevos TCO de NATCO se encuentra en el área de biosensores exquisitamente sensibles. Estos dispositivos, con el título retorcido de sensores de espectroscopía de modo de luz de guía de ondas ópticas electroquímicas, son fabricados por el socio del consorcio húngaro MicroVacuum. Funcionan midiendo cómo se dobla la luz a medida que pasa a través de una capa guía de ondas ópticas muy delgada.
Cuando las moléculas objetivo se unen a la superficie del detector, cambian el índice de refracción del TCO, lo que a su vez cambia la forma en que la luz pasa a través de la guía de ondas. La aplicación de un campo eléctrico variable a través de la capa proporciona más información sobre las moléculas.
"Obtuvimos muy buenos resultados en estos dispositivos utilizando nuestros materiales de cuprato de estroncio, ”Dice el Dr. Garry. Él prevé una amplia gama de aplicaciones para estos sensores, especialmente en el área de la proteómica.
Los socios comerciales y académicos del proyecto están buscando otras aplicaciones para los TCO de diseñador de NATCO, incluyendo células solares más eficientes, ventanas inteligentes, fuentes de luz novedosas, y materiales para modular la luz láser.
Para el Dr. Garry, Los resultados del enfoque de fabricación de precisión y modelado de los primeros principios del proyecto son tan alentadores que planea aplicarlos a problemas más desafiantes.
"Nos gustaría utilizar esta ruta para estudiar materiales más complicados, " él dice. "Por ejemplo, mirar la ferro-electricidad para ver por qué algunos materiales con la misma estructura son ferroeléctricos y otros no ".
