En una hazaña que puede proporcionar una gama prometedora de aplicaciones, desde la eficiencia energética hasta las telecomunicaciones y la mejora de la imagen, Los investigadores de la UC Santa Bárbara han creado un semiconductor compuesto de calidad casi perfecta con nanoestructuras incrustadas que contienen líneas ordenadas de átomos que pueden manipular la energía de la luz en el rango del infrarrojo medio. Células solares más eficientes, imágenes biológicas menos riesgosas y de mayor resolución, y la capacidad de transmitir cantidades masivas de datos a velocidades más altas son solo algunas de las aplicaciones que este semiconductor único podrá admitir.

"Este es un campo nuevo y emocionante, "dijo Hong Lu, investigador del departamento de Materiales de UCSB y autor principal de un estudio publicado recientemente en la revista Nano letras , una publicación de la American Chemical Society.

La clave de esta tecnología es el uso de erbio, un metal de tierras raras que tiene la capacidad de absorber luz en la longitud de onda visible e infrarroja, que es una longitud de onda de frecuencia más larga y más baja a la que está acostumbrado el ojo humano, y se ha utilizado durante años para mejorar el rendimiento del silicio en la producción de fibra óptica. Emparejamiento de erbio con el elemento antimonio (Sb), Los investigadores incorporaron el compuesto resultante, antimonuro de erbio (ErSb), como nanoestructuras semimetálicas dentro de la matriz semiconductora de antimonuro de galio (GaSb).

ErSb, según Lu, es un material ideal para combinar con GaSb debido a su compatibilidad estructural con el material circundante, permitiendo a los investigadores incrustar las nanoestructuras sin interrumpir la estructura reticular atómica de la matriz semiconductora. Cuanto menos defectuosa sea la estructura de la red cristalina de un semiconductor, Cuanto más fiable y de mejor rendimiento sea el dispositivo en el que se utilice.

"Las nanoestructuras están integradas de forma coherente, sin introducir defectos apreciables, a través del proceso de crecimiento por epitaxia de haz molecular, "dijo Lu." En segundo lugar, podemos controlar el tamaño, la forma y la orientación de las nanoestructuras ". El término" epitaxia "se refiere a un proceso mediante el cual las capas de material se depositan átomo por átomo, o molécula por molécula, uno encima del otro con una orientación específica.

"Es realmente un nuevo tipo de heteroestructura, "dijo Arthur Gossard, profesor en el Departamento de Materiales y también en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática. Si bien los semiconductores que incorporan diferentes materiales se han estudiado durante años, un profesor de tecnología UCSB y premio Nobel Herbert Kroemer fue pionero, un semiconductor / metal heteroestructurado de cristal único es único en su clase.

Las nanoestructuras permiten que el semiconductor compuesto absorba un espectro de luz más amplio debido a un fenómeno llamado resonancia de plasmón superficial. dijo Lu, y que el efecto tiene aplicaciones potenciales en amplios campos de investigación, como las células solares, aplicaciones médicas para combatir el cáncer, y en el nuevo campo de la plasmónica.

La óptica y la electrónica operan en escalas muy diferentes, siendo posible el confinamiento de electrones en espacios mucho más pequeños que las ondas de luz. Por lo tanto, Ha sido un desafío continuo para los ingenieros crear un circuito que pueda aprovechar la velocidad y la capacidad de datos de los fotones y la compacidad de la electrónica para el procesamiento de la información.

El puente muy buscado entre la óptica y la electrónica se puede encontrar con este semiconductor compuesto que utiliza plasmones de superficie, oscilaciones de electrones en la superficie de un metal excitado por la luz. Cuando la luz (en este caso, infrarrojo) golpea la superficie de este semiconductor, los electrones en las nanoestructuras comienzan a resonar, es decir, alejarse de sus posiciones de equilibrio y oscilar a la misma frecuencia que la luz infrarroja, preservando la información óptica, pero reduciéndolo a una escala que sea compatible con los dispositivos electrónicos.

En el ámbito de las imágenes, Los nanocables integrados de ErSb ofrecen un fuerte efecto de polarización de banda ancha, según Lu, filtrar y definir imágenes con infrarrojos e incluso firmas de luz de terahercios de longitud de onda más larga. Este efecto se puede utilizar para crear imágenes de una variedad de materiales, incluido el cuerpo humano, sin el riesgo que suponen las energías superiores que emanan de los rayos X, por ejemplo. Los productos químicos como los que se encuentran en los explosivos y algunos narcóticos ilegales tienen características de absorción únicas en esta región del espectro. Los investigadores ya han solicitado una patente para estos nanocables integrados como polarizador de luz de banda ancha.

"Para imágenes infrarrojas, si puedes hacerlo con polarizaciones controlables, hay información ahí, "dijo Gossard.

Si bien las longitudes de onda de infrarrojos y terahercios ofrecen mucho en cuanto al tipo de información que pueden proporcionar, el desarrollo de instrumentos que puedan aprovechar al máximo su rango de frecuencias es todavía un campo emergente. Lu atribuye este avance a la naturaleza colaborativa de la investigación en el campus de UCSB, lo que le permitió fusionar su experiencia en materiales con las habilidades de los investigadores que se especializan en tecnología de infrarrojos y terahercios.

"Es asombroso aquí, ", dijo." Básicamente colaboramos y descubrimos todas estas características y propiedades interesantes del material juntos ".

"Una de las cosas más emocionantes de esto para mí es que fue una colaboración 'de base', "dijo Mark Sherwin, profesor de física, director del Instituto de Ciencia y Tecnología de Terahercios en UCSB, y uno de los coautores del artículo. La idea de la dirección de la investigación surgió de los investigadores junior del grupo, él dijo, estudiantes de posgrado y estudiantes de diferentes laboratorios y grupos de investigación que trabajan en diferentes aspectos del proyecto, todos los cuales decidieron combinar sus esfuerzos y su experiencia en un solo estudio. "Creo que lo realmente especial de UCSB es que podemos tener un entorno como ese".

Desde que se escribió el artículo, la mayoría de los investigadores se han dedicado a la industria:Daniel G. Ouelette y Benjamin Zaks, anteriormente del Departamento de Física y del Instituto de Ciencia y Tecnología de Terahertz en UCSB, ahora trabaja en Intel y Agilent, respectivamente. Su colega Justin Watts, quien era un participante de pregrado ahora está cursando estudios de posgrado en la Universidad de Minnesota. Peter Burke, anteriormente del Departamento de Materiales de UCSB, ahora trabaja en Lockheed Martin. Sascha Preu, un ex postdoctorado en el Grupo Sherwin, ahora es profesor asistente en la Universidad Técnica de Darmstadt.

Los investigadores del campus también están explorando las posibilidades de esta tecnología en el campo de la termoeléctrica, que estudia cómo las diferencias de temperatura de un material pueden crear voltaje eléctrico o cómo las diferencias de voltaje eléctrico en un material pueden crear diferencias de temperatura. Los reconocidos investigadores de UCSB John Bowers (fotónica de estado sólido) y Christopher Palmstrom (crecimiento heteroepitaxial de materiales novedosos) están investigando el potencial de este nuevo semiconductor.