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TEMA1
ÁTOMOS Y LUZ
El fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas
del fenómeno electromagnético, es decir, es la partícula portadora de todas las formas
de radiación de la energía. En cada átomo hay protones y electrones. Los electrones se
distribuyen en diferentes niveles con diferente energía cada uno, medida en
electronvoltios (eV). La energía propia de cada nivel es por campos. Los niveles o
campos inferiores tienen mayor energía que los superiores.
El espectro electromagnético es la distribución energética del conjunto de
ondas electromagnéticas. Referido a un objeto, ésta es la radiación que emite o absorbe
una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a
una huella dactilar.
Las radiaciones electromagnéticas se pueden clasificar en rayos gamma, rayos
X, rayos ultravioleta, visible, infrarrojo, microondas y ondas de radio. Todas estas
responden a la formula de Plank, la cual dice que a mayor energía de la onda tiene una
longitud de onda menor. Los rayos gamma son los rayos con mayor energía y, por lo
tanto, tienen reducida longitud de onda. En las ondas de radio ocurre de manera inversa,
tiene reducida energía con gran longitud de onda. La radiación de un cuerpo negro es
una fórmula en la cual se emplea la constante de Plank. En dicha fórmula, la intensidad
máxima se desplaza hacia longitudes de onda mas cortas cuando la temperatura del
cuerpo negro aumenta. La luz se puede desplazar en el vacío porque es una onda la cual
se desplaza tridimensionalmente. La luz también tiene fenómenos de onda como la
refracción, teniendo índices de refracción de permeabilidad y permitividad. Hay varios
experimentos en los que se explica el porque la luz tiene naturaleza corpuscular, por
ejemplo, Young; Broglie, Thomson y Davisson, entre otros.
FUNCIÓN DE ONDA DE LA MATERIA
Los orbitales muestran el espacio entre los cuales puede encontrarse los
electrones del átomo. Se deducen por la ecuación de Schrödinger. Según ésta las ondas
se pueden encontrarse en estado estacionario, el normal y el no estacionario, que es
cuando la onda tiene forma rara.
El efecto túnel es un efecto nanoscópico por el que una partícula viola los
principios de la mecánica clásica penetrando una barrera de potencial o impedancia
mayor que la energía cinética de la propia partícula. Otra forma de explicarlo es que un
electrón, puede salvar un potencial (nivel energético) mediante un túnel el cual no
supone gasto energético. Esto no ocurre siempre, sólo ocurre en una pequeña parte de
los fotones incidentes que no son reflejados.
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BANDAS DE ENERGÍA EN SÓLIDOS
La teoría de las bandas de energía se basa en el hecho de que en una molécula,
los orbitales de cada átomo, se solapan produciendo un número discreto de orbitales
moleculares. La configuración de las bandas puede tener diferentes formas. Cuando una
gran cantidad de átomos se unen, el número de orbitales de valencia es tan grande y la
diferencia de energía entre cada uno es tan pequeña que se puede considerar como si los
niveles de energía conjunta formaran bandas continuas; y no niveles de energía como
ocurre en los átomos aislados. Sin embargo, debido a que algunos intervalos de energía
que no contienen orbitales, se crean ciertas brechas energéticas entre las diferentes
bandas.
Hay diferentes tipos de bandas de energía, la banda de valencia y la banda de
conducción. La banda de valencia esta ocupada por los electrones de valencia, es decir,
aquellos electrones que se encuentran en la última capa o nivel energético de los átomos.
El otro tipo es la banda de conducción la cual está ocupada por los electrones libres, es
decir, aquellos que se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente. Éstos
últimos son los responsables de conducir la corriente eléctrica. La distancia entre
bandas se llama banda prohibida, la cual es la diferencia de energía entre la parte
superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción. Ésta se
encuentra en mayor grado en los aislantes y en menor grado en los semiconductores.
En consecuencia de las bandas de energía se puede clasificar a los materiales
en conductores, semiconductores y aislantes. En los conductores no hay separación, o
muy poca entre la banda de valencia y la banda de conducción. En los aislantes, la
separación de las bandas de valencia y las de conducción es mayor y los electrones no
pueden saltar. En los semiconductores, la distancia entre las bandas es menor y, en
ocasiones, los electrones pueden salvar el espacio entre las bandas. Para que este salto
ocurra se deben dar algunas de las siguientes situaciones, que el material se encuentre a
altas presiones, a temperatura elevada o que se le añadan impurezas, las cuales aporten
más electrones. El nivel fermi es el nivel de energía de equilibrio de los electrones en
los materiales, el cual es equivalente al potencial electroquímico en la electroquímica y
físico-química. Éste permite estimar el número de electrones en la banda de conducción
y los huecos en la banda de valencia. En los materiales los electrones se desplazan por
los huecos de electrones. Un hueco es la ausencia de un electrón en la banda de valencia.
Entonces se puede afirmar que el hueco de electrón es uno de los portadores de carga
que contribuyen al paso de corriente eléctrica en los semiconductores.
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material
cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética. El campo de afinidad
electrónica es la energía que hay entre el potencial de vacio y el potencial de la banda de
conducción.
Un semiconductor intrínseco consiste en un semiconductor que a cierta
temperatura pierde electrones de la banda de valencia saltando éstos a la banda de
conducción, dejando un hueco libre en la banda de valencia. El fenómeno contrario
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también se da, los electrones liberan energía y este fenómeno se llama recombinación.
La formación de pares electrones-huecos se puede igualar y ser constate, de manera que
la n significa la concentración de electrones y p la concentración de huecos. Los
semiconductores extrínsecos son como los intrínsecos sólo que se le añade cierto
porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes; estos
semiconductores se dice que están dopados.
Un semiconductor tipo n se obtiene añadiendo cierto número de átomos al
semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres. El
propósito del dopaje tipo n es producir abundancia de electrones portadores en el
material. El semiconductor tipo p se obtiene añadiendo cierto número de átomos al
semiconductor para aumentar el número de portadores de cargas libres o huecos. El
propósito del dopaje tipo p es el de crear abundancia de huecos.
La polarización de los semiconductores ocurre porque se pueden distinguir dos
zonas, las n y las p. La zona n contiene portadores de carga negativa (electrones) y; la
zona p contiene portadores de carga positiva (huecos). Según esto se pueden dar dos
polarizaciones, la directa y la indirecta. Al establecerse las corrientes aparecen cargas
fijas, las cuales reciben el nombre de barrera interna de potencial o zona de carga o de
agotamiento. A medida que fluye la intensidad, dicha zona va incrementando su anchura
tomando terreno de ambas zonas. La acumulación de iones positivos de la zona n y la de
negativos en la zona p, crean un campo eléctrico el cual crea un campo eléctrico sobre
los electrones libres, el cual los detendrá.
En la polarización directa, se debe conectar el polo positivo de una batería al
ánodo y el polo negativo al cátodo. La corriente, en este caso, fluye de la zona n hacia la
zona p. Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la
diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres de la zona n
adquieren energía suficiente para saltar a los huecos de p, los cuales previamente se han
desplazado hacia la unión p-n. Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la p,
atravesando la carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p,
convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto, el electrón es atraído por
el polo positivo de la batería y; se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final de la
zona p.
En la polarización indirecta, se conecta el polo negativo de la batería a la zona
p y; el polo positivo a la zona n, los cuales hacen aumentar la zona de carga espacial y,
consecuentemente, la tensión necesaria para salvar dicha zona. El polo positivo de la
batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen de la zona n y se
introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A
medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos que antes eran neutros,
al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad y
una carga neta positiva, los cuales pasan a ser iones positivos. El polo negativo de la
batería cede electrones libres a los átomos de la zona p. Estos electrones caen dentro de
los huecos con los cuales, adquieren estabilidad, y pasan a formar iones negativos. En
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esta situación el diodo no debería de conducir la corriente, si embargo, debido al efecto
de la temperatura, se formarán pares electrón-hueco a ambos lados de la unión
produciendo una pequeña corriente.
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TEMA2
TÉCNICAS DE MEDIDA
Existen diferentes técnicas de medidas. Algunos ejemplos de medidas
eléctricas son las medidas de 2, 3 y 4 electrodos. El método de dos electrodos puede
mide el potencial de reducción-oxidación (redox). La técnica de los cuatro electrodos
sirve para el estudio de líquido con su interfaz. Otro experimento con cuatro electrodos
es el de Van der Pauw, el cual sirve para medir la resistividad y el coeficiente de Hall de
una muestra. La técnica de los tres electrodos se utiliza en la caracterización del
almacenamiento de la energía y la conversión de ésta. Las técnicas electroquímicas de
dos, tres y cuatro electrodos, necesitan de material un ordenador, un potenciostato o un
analizador de frecuencia y una celda electroquímica. La técnica de los dos electrodos
tiene conectados el CE y el RE conectados en un polo, y el S y el WE en el otro. El
control exacto de la configuración del potencial interfacial no es crítico. Ésta
configuración se utiliza a menudo en la caracterización de almacenamiento de energía y
dispositivos de conversión de energía. La configuración de tres electrodos es que en un
polo únicamente CE y; en el otro tiene el S y WE conectados y el RE los controla con
precisión para evitar que se producen caídas de potencial. Esta es la configuración más
usada en las medidas electroquímicas. Por último, la configuración de los cuatro
electrodos es la siguiente. El material se divide en dos zonas, en las cuales se conectan
dos cables en cada una. En los polos se conectan CE y WE, y en mitad de las zonas se
conectan RE y S, respectivamente.
Una impedancia es la medida de oposición que presenta un circuito a una
corriente cuando se aplica un voltaje. La impedancia puede ser una resistencia, una
inductancia o un condensador. La principal ventaja de las impedancias es que se puede
realizar múltiples operaciones con ellas y; ponerlas en diferentes posiciones. Un
potenciostato es un dispositivo electrónico requerido para ejecutar la mayoría de los
experimentos electroanalíticos. Su funcionamiento es que mantiene el potencial del
electrodo de trabajo a un nivel constante, respecto al potencial del electrodo de
referencia mediante el ajuste de la corriente en un electrodo auxiliar.
Cuando la luz incide sobre un material, parte de la radiación incidente es
reflejada, parte transmitida y parte absorbida. En los materiales que son opacos no hay
transmitancia. La parte que traspasa al objeto, es la luz transmitida. Hay veces que la
energía reflejada es despreciable. La energía absorbida por el material desde del
coeficiente de absorción y por el grosor del material. El aparato que permite medir la
cantidad de energía radiante que absorbe o transmite un sistema químico en función de
la longitud de onda es el espectrómetro y su técnica se denomina espectrometría. Para
realizar esto, se emplea una fuente de radiación, cristales monocromados, muestras a
leer y de referencia, varios, sensores, polímetro y un ordenador.
El espectrómetro rápido es la combinación del espectrógrafo y de CCD. Un
Charge-coupled device (depósito de carga acoplada) es un circuito integrado que
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contiene un número determinado de condensadores enlazados o acoplados. La
combinación de los espectrógrafos y de los CCD permite evitar aberraciones cromáticas
como ópticas.
La fosforescencia es el fenómeno en el cual ciertas sustancias tienen la
propiedad de absorber energía y almacenarla, para emitirla posteriormente en forma de
radiación. Los materiales que permiten la fluorescencia se les llama foto-reactivos, los
cuales almacenan la energía radiante recibida, para después exponerla. La fluorescencia
es un tipo particular de luminiscencia, que caracteriza a las sustancias que son capaces
de absorber energía en forma de radiaciones electromagnéticas y luego emitir parte de
esa energía en forma de radiación electromagnética de longitud de onda diferente. La
energía recibida es la suma de la energía emitida más las pérdidas en forma de calor. La
diferencia entre la fosforescencia y la fluorescencia es que en la primera las sustancias
continúan emitido luz durante un tiempo mucho más prolongado, aún después del corte
del estímulo que la provoca, ya que la energía absorbida se libera lenta y de manera
continuada. Los pasos normales son los siguientes absorción, disipación no radiativa y
emisión.
Los componentes optoelectrónicos, como puede ser IPC (Incident Photon to
Current Efficiency), son el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas
electrónicos. El IPCE es el cociente entre los electrones generados entre los fotones
incidentes. Su montaje consta de una fuente de luz, de un cristal monocromado, de un
sensor, de la muestra, de un polímetro y del ordenador.
Un microscopio óptico es un microscopio basado en lentes ópticas. Tiene
diferentes partes que permiten sujetar la pieza, iluminarla y enfocarla con facilidad. La
imagen pertenece a un microscopio óptico polarizado.
MICROSCOPIO
ÓPTICO
POLARIZADO
Otro microscopio es el SEM (scanning electron microscopy o microscopio
electrónico de barrido) utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar
una imagen. Tiene una gran profundidad de campo lo que le permite que se enfoque a la
vez gran parte de la muestra y; también posee alta resolución. Su funcionamiento es el
siguiente, durante el barrido es necesario acelerar lo electrones en un campo eléctrico,
para aprovechar de ésta manera su comportamiento ondulatorio, lo cual se lleva a cabo
en la columna del microscopio, donde se aceleran mediante un elevado potencial. Los
electrones acelerados por un voltaje pequeño se utilizan para muestras muy sensibles
(bilógicas), los voltajes elevados se utilizan para muestras duras (metálicas). Los
electrones acelerados salen del cañón, y se enfocan mediante las lentes convergentes y
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objetivas, cuya función es reducir la imagen del filamento, de manera que incida en la
muestra un haz de electrones lo más pequeño posible (mejor resolución). Con las
bobinas deflectoras se barre este fino haz de electrones sobre la muestra, punto a punto
y línea por línea. La energía que pierden los electrones al chocar contra la muestra
puede hacer que otros electrones salgan despedidos y producir rayos X.
MICROSCOPIO
ELECTRÓNICO
DE BARRIDO
(SEM)
El microscopio electrónico de transmisión o transmission electron microscopy
(TEM) es un microscopio que utiliza un haz de electrones para visualizar un objeto
debido a que la potencia amplificadora de un microscopio óptico ésta limitada por la
longitud de onda de la luz visible. Lo característico es que se emplean muestras muy
finas y la imagen se obtiene de los electrones que la atraviesan. Los electrones
interaccionan por potencial eléctrico y por campo magnético, todo esto permite que
puedan ser manipulados por electroimanes. Este microscopio permite la formación de
una lente magnética de distancia focal variable y permite deflectar la trayectoria de los
electrones en un ángulo fijo. Mediante dos deflexiones seguidas pueden desplazarse
lateralmente las trayectorias de los electrones. En el fondo, final del haz, hay una
cámara y pantalla fluorescente, la cual sirve para registrar la imagen aumentada.
MICROSCOPIO
ELECTRÓNICO
DE TRANSMISIÓN
(TEM)
Existe toda una familia de microscopios por escaneo. Todos éstos son muy
sensibles a vibraciones y tienen que estar amortiguados para que trabajen correctamente.
También, tienen una alta frecuencia de resonancia. Las imágenes que producen de la
superficie son de la rugosidad de ésta. Permite medir gases, líquidos, sólidos, vacío y en
diferentes variables atmosféricas.
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En la cima de dicha familia se encuentra el microscopio de efecto túnel o
scanning tunnel microscopy (STM) el cual se emplea para tomar imágenes de
superficies a nivel atómico. Para este microscopio se toma una buena resolución de
0.1nm de resolución lateral y 0.01nm de resolución de profundidad. El principio de
funcionamiento de este microscopio se basa en el efecto túnel. Cuando una punta
conductora es colocada muy cerca de la superficie a ser examinada, una corriente de
polarización aplicada entre las dos puede permitir a los electrones pasar al otro lado
mediante efecto túnel a través del vacío entre ellas. La corriente resultante de
tunelización es una función de la posición de la punta, el voltaje aplicado y la densidad
local de estados. La información es adquirida monitoreando la corriente conforme la
posición de la punta escanea a través de la superficie, y es usualmente desplegada en
forma de imagen. Este microscopio tiene dos modos de lectura, modo de altura
constante y modo de corriente constante. En el modo de corriente constate varía la
altura del cabezal del microscopio en función del voltaje producido por el piezoeléctrico,
para que haya densidad de carga constante. En el modo de altura constante, el voltaje y
la altura se mantienen ambos constantes mientras que la corriente cambia para impedir
que el voltaje cambie, es decir, la imagen se crea por los cambios de corriente sobre la
superficie. Cabe decir que el modo de altura constante es más rápido debido a los
movimientos del piezoeléctrico son menores que en el otro modo.
MICROSCOPIO
DE EFECTO
TÚNEL
(STM)
Tras el microscopio anterior se encuentra el microscopio de fuerza atómica o
atomic forcé microscopy (AFM). Dicho microscopio es un instrumento mecánico-
óptico el cual es capaz de registrar continuamente la topografía de una muestra
mediante una sonda o punta afilada de forma piramidal o cónica y; permite detectar
fuerzas del orden de nN (nano Newton). Las interacciones que ocurren entre la punta y
la muestra pueden ser sin contacto, como las fuerzas electrostáticas y magnéticas; en
casi contacto, las fuerzas de Van Der Walls y; en contacto, la capilaridad y las fuerzas
de contacto. Su funcionamiento es que cuando la punta se encuentra próxima a la
superficie de la muestra, se registra una pequeña flexión del listón mediante un haz
reflejado en su parte posterior. Un sistema auxiliar piezoeléctrico desplaza la muestra
tridimensionalmente, mientras que la punta recorre ordenadamente la superficie. Hay
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varios modos de funcionamiento los cuales depende de las zonas que se usen del
fotodiodo, en el funcionamiento normal se mide la desviación del fondo, es decir, la
rugosidad. En el modo de lectura lateral o modo de fuerza de fricción se obtiene la
torsión o giro. La palanca tiene tres movimientos posibles, el modo de contacto, en el
cual durante el barrido, la fuerza entre la punta y la muestra se mantiene constante
manteniendo una constante de deflexión. Los otros dos métodos son el modo de no
contacto o de frecuencia no modulada, la cual mantiene constante la frecuencia de
resonancia, ésta suele operar en vacío extremo. El último modo es el de repiqueteo o de
amplitud modulada, en el que se mantiene constante la amplitud, se usa, principalmente,
para medir líquidos.
MICROSCOPIO
DE FUERZA
ATÓMICA
(AFM)
El microscopio de fuerza lateral o lateral forcé microscopy (LFM) y el
microscopio de fuerza friccional o frictional forcé microscopy (FFM), operan de
manera similar al microscopio de fuerza atómica, es decir, barren la superficie mediante
su palanca. Se usa para mejorar los cambios en el material, contraste de los bordes
afilados, límites de grano, imágenes de fuerza lateral, tiene los anteriores modos de la
palanca, la fuerza repulsiva es la lateral y su voladizo es suave.
MICROSCOPIO DE FUERZA LATERAL
(AFM)
MICROSCOPIO DE FUERZA FRICCIONAL
(FFM)
Los requisitos de los microscopios de electrones y SPM son sensibles a la
vibración, a las interferencias electromagnéticas y a los cambios de temperatura en el
ambiente.
Los perfilómetros constan de un palpador el cual es como una palanca del
microscopio de fuerza atómica. Dicho palpador, en este caso, recorre toda la superficie
subiendo en las montañas y bajando en los valles, mientras barre toda la superficie. Las
imágenes se muestran por el grosor que muestra la rugosidad de un perfil en las
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ordenadas, y, en las abcisas se encuentra la distancia recorrida para la medición. En vez
de ser una tabla, muestra el perfil del objeto medido directamente. En los perfilómetros
confocales, sólo detectan una luz en su foco.
PERFILÓMETROS
Una tabla resumen con todos los tipos de microscopios se muestran a
continuación.
PUNTOS CUÁNTICOS
Un punto cuántico es una nanoestructura semiconductora que confina el
movimiento, en las tres direcciones espaciales, de los electrones de la banda de
conducción, los huecos de la banda de valencia.
Los puntos cuánticos tienen muchas aplicaciones como saber el tamaño de los
átomos, en la optoelectrónica, para fabricar diodos, láseres, paneles solares y nuevos
sistemas de iluminación con un rendimiento muy superior.
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TEMA3
CRECIMIENTO DE LOS CRISTALES
El crecimiento de los cristales de materiales a granel se puede producir con
poca temperatura, desde fase de vapor y fase de líquido. El crecimiento de los cristales
de películas muy finas se produce por la evaporación estando en el vacío y por métodos
químicos desde fase de vapor. Por último los cristales pueden crecer de puntos
cuánticos en soluciones coloidales de éstos y; crecimiento directo de los anteriores en
un sustrato.
El crecimiento de cristales a baja temperatura por materiales a granel consiste
en una solución, generalmente acuosa, en condiciones de saturación que evoluciona a
supersaturación, en la cual se deposita el sólido; por el control de la temperatura o por el
control de la concentración. Si se quiere realizar por el control de la temperatura, la
temperatura disminuye, y si se quiere realizar por el control de la concentración se
realiza mediante evaporación constante. Otra técnica es Sol-Gel, en la cual el gel actúa
como medio viscoso o poroso para permitir el control de ambos componentes. Cuando
el punto de solubilidad es alcanzado se produce precipitación del compuesto de ambos
líquidos. El grado de crecimiento de los granos depende de la difusión del material en el
medio gel.
El crecimiento de cristales por materiales a granel también se puede producir
desde la fase de vapor, por ejemplo, el transporte químico de vapor o chemical vapor
transport (CVT). En una ampolla sellada la fuente del material se encuentra sujeta a un
gradiente de temperatura. Además, en la ampolla hay gas el cual tiene la función como
medio de transporte. Cuando la temperatura se incrementa, el gas reacciona con el
material produciendo un compuesto el cual pasa a estar en la fase de vapor. En la zona
de deposición, con una temperatura más baja, se produce la reacción opuesta. Otro
método es el transporte de vapor físico o physical vapor transport (PVT), el cual es
similar al anterior, pero sin reacción química, así que el gas que sirve de transporte no
está. El material sublima y pasa a depositarse en la parte más fría de la ampolla.
El último método decrecimiento de cristales por materiales a granel es desde
fase líquida. Un modo es de zona flotante sin filtro. La idea básica es que los cristales
crezcan en la zona flotante mientras el líquido se mueve a través de éste. Si se produce
adecuadamente, puede dar como resultado un único cristal. Esta técnica también se usa
para la purificación de ciertas impurezas para que sean segregadas a la zona fundida. La
zona fundida se queda aislada, aunque si se emplea vacío, no hay impurezas. Los
cristales producidos por este método son pequeños (20-150mm). Otro método es el de
Brigman, con movimiento relativo del crisol. Una ampolla sellada o un crisol se mueve
a lo largo de un perfil de temperaturas en el cual ocurre la una nucleación inicial en el
fondo de la ampolla. De esta primera nucleación se forman monocristales de la
solidificación de la fase líquida cuando la temperatura desciende. Este método se puede
hacer en vertical y en horizontal. En horizontal se emplea para formar cristales de
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mayor tamaño. El último método de crecimiento de cristales desde fase líquida se llama
Czochralaski, el cual no implica movimiento del crisol. Ésta es la técnica más empleada
en la industria, para formar especialmente cristales de Si. Los materiales necesitan para
fundirse de manera natural, ya que su composición es similar a la del sólido. Para
realizar este procedimiento se necesita una atmósfera apropiada con un crisol a elevada
temperatura.
Para crear películas finas en vacío se emplea la sublimación entre otras. La
sublimación consiste en que el material se encuentra en sublimación climatizada y se va
depositando en un sustrato, regulada por temperatura o no. Un caso particular es el
espacio cerrado con transporte de vapor donde el material y el sustrato se encuentran
muy cerca, esto se emplea sobre las células solares. Existen diferentes métodos para la
sublimación, aunque todos funcionan bajo este mecanismo. Otro método es el
chisporroteo o sputering en el cual se emplea plasma de un gas inerte que es acelerado
hacia el cátodo bombardeando el material. La fuente emite partículas, por el bombardeo
de iones, los cuales son depositados en el sustrato. Este no necesita fuente de calor y,
por lo tanto, sirve para materiales con alto punto de fundición. Los átomos tiene mayor
energía que en la sublimación y son mejor depositados en el sustrato, los cuales pueden
ser usados como aleantes. Otro método es la separación por láser, en la cual un laser con
elevada energía mediante pulsos es usado para evaporar la materia de la superficie
objetivo de tal manera que la estequiometría del material es mantenida durante la
interacción. En el proceso de separación se realiza en una cámara de vacío o con un gas
inerte. En el caso de los films de oxidación, el oxígeno es el gas más común, aunque
también se utiliza nitrógeno y nitruros. Otro método es la epitaxia molecular de haces, la
cual se tiene que hacer en vacío. El aspecto más importante de este método es el grado
de deposición que permite los films epitaxialmente. Los sólidos empleados en este
método tiene que ser de gran pureza, y se tiene que fundir las celdas hasta que empiecen
lentamente a sublimarse. Los elementos gaseosos condensar la muestra mientras
reaccionan entre ellos.
Las películas finas también se pueden fabricar por deposición química de vapor.
Esta técnica consiste en que uno o varios gases reaccionen en una cámara de reacción
para dar como resultado un film sobre cierto sustrato. Otro modo de creación es la
deposición química de vapor de metal orgánico, los iniciadores usados en el film de
deposición son metales orgánicos y transportados por un gas inerte. En la cámara de
reacción el metal orgánico compuesto se polariza en el sustrato caliente depositando los
átomos metálicos. La mayoría de los iniciadores son controlados por el flujo de gas de
transporte y la temperatura del baño de los iniciadores. Este método presenta un
complicado control del flujo. Otro método es la capa atómica de deposición, la cual son
dos reacciones complementarias. Por ambas reacciones, los films pueden crecer
formando cristales de poco átomos de grosor en un superficies desiguales o ásperas. Sin
embargo, hay que tener en cuenta la eliminación de las impurezas y el control de la
morfología del film para que puedan ser usados en elementos de precisión
microelectrónica. El siguiente método se denomina spray de pirolisis, en la cual una
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solución se vierte en forma de spray sobre un sustrato. Este método es empleado para la
deposición del óxido.
En la creación de películas finas mediante métodos electroquímicos se
encuentra la electrodeposición. Ésta consta de un depósito con una fina capa que
permite el paso de la corriente por electrolitos. Este método depende de varios factores
como la disolución, temperatura, acidez, entre otros; para determinar el crecimiento de
los cristales. La anodización es un caso particular de electrodeposición. Cuando un
ácido es usado en lugar de una sal, el hidrógeno se forma en el cátodo, mientras que en
el ánodo reacciona con la producción de oxígeno.
Para la creación de cristales se utilizan, también, puntos cuánticos en
soluciones coloidales. El primer método es la inyección en caliente, la cual consiste en
que un iniciador metálico es calentado junto con moléculas orgánicas que controlan el
crecimiento. El crecimiento de los cristales empieza cuando se inyecta el segundo
precursor. El segundo método es el de núcleo corteza de los puntos cuánticos, el cual es
un método que puede producir estructuras más sofisticadas. Estos permiten controlar las
propiedades de los cristales.
También se pueden formar cristales directamente de puntos cuánticos sobre un
sustrato mediante el baño químico por deposición y mediante la adsorción y reacción de
la capa iónica.
TIPOS DE CMOS
Los procesos de escala del silicio tienen cambios en el ámbito de su litografía,
transistores, puerta dieléctrica, interconexiones y su poder de disipación. Por los
ámbitos anteriores nació el mosfet.
Un condensador de estructura metal
óxido, semiconductor tradicional se obtiene
haciendo crecer una capa de un semiconductor y
luego depositando una capa de metal. Debido a
que se emplean materiales dieléctricos, esta
estructura es equivalente a la de un condensador plano, en donde uno de los electrodos
ha sido reemplazado por un semiconductor. Cuando se aplica un potencial a través de la
estructura CMOS, se modifica la distribución de cargas en el semiconductor.
El mosfet o transistor de efecto de campo
metalóxido-semiconductor es un transistor utilizado
para amplificar o conmutar señales electrónicas.
También es un interruptor que se puede controlar
por el mando de su compuerta. Como ahora su uso
es muy extendido su precio ha disminuido, aunque
sus prestaciones han avanzado. Éstas son que
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consume menos energía y permite trabajar con mayor velocidad a los
microprocesadores. El tamaño de los mosfet ya oscila por los nanómetros. En un futuro,
los mosfet permitirán crear dispositivos cuánticos, electrónica basada en spines,
electrónica molecular y ordenadores cuánticos.
La capacidad total del mosfet es la suma
de la capacidad de carga y descarga (dinámica),
más las pérdidas (estáticas). La capacidad de
carga y descarga introduce alta movilidad al
reducir la VDD. El caso de configuración ideal es el
que se muestra a continuación, en el cual es una
integración monolítica de alto poder de oxidación con elevados porcentaje de movilidad
de electrones o huecos, sobre un sustrato de silicio.
El funcionamiento del mosfet es el siguiente. Éste se basa en controlar la
concentración de portadores de carga mediante un condensador MOS existente entre los
electrodos del sustrato y la compuerta. La compuerta está localizada encima del sustrato
y aislada de todas las demás regiones del dispositivo por una capa de dieléctrico. El
mosfet también incluye dos terminales adicionales, el surtidor y el drenador, cada uno
está conectado a regiones altamente dopadas que están separadas por la región del
sustrato. Estas regiones pueden ser de tipo p o n, pero deben ser ambas del mismo tipo,
y del tipo opuesto al sustrato.
Si el mosfet es de canal n (nMOS) entonces las regiones de dopado para el
surtidor y el drenador son regiones ‘n+’ y el sustrato es una región de tipo p. De manera
contraria, si el mosfet es de canal p (pMOS) entonces las regiones de dopado para el
surtidor y el drenador son regiones ‘p+’ y el sustrato es una región de tipo n.
El surtidor se denomina así porque es la fuente de los portadores de carga
(electrones en n y huecos en p) que fluyen a través del canal. De manera similar, el
drenador es el punto en el cual los portadores de carga abandonan el canal.
La ocupación de las bandas de energía en un semiconductor está determinada
por la posición de nivel de fermi con respecto a los bordes de las bandas de energía del
semiconductor. Cuando se aplica una tensión de compuerta suficiente, el borde de la
banda de valencia se aleja del nivel de fermi, y los huecos presentes en el sustrato son
repelidos de la compuerta. Cuando la puerta se polariza todavía más, el borde de la
banda de conducción se acerca al nivel de fermi en la región cercana a la superficie del
semiconductor, y esta región se llena de electrones de en una región de inversión o un
canal de tipo n originado en la interfaz entre el sustrato tipo p y el óxido.
La corriente fluye a través del dispositivo cuando se aplica un potencial entre el
drenador y el surtidor. Al aumentar la tensión en la compuerta, se incrementa la
densidad de electrones en la región de inversión y; por lo tanto, se incrementa el flujo de
corriente entre el drenador y el surtidor. Para tensiones de compuerta inferiores a la
tensión de umbral, el canal no tiene suficientes portadores de carga para formar la zona
15
de inversión, y de esta forma sólo una pequeña corriente de subumbral puede fluir entre
el drenador y el surtidor. Cuando se aplica una tensión negativa entre compuerta y
surtidor, se crea un canal tipo p en una superficie del sustrato tipo n, de forma análoga al
canal n, pero con polaridades opuestas para las cargas y las tensiones. Cuando una
tensión menos negativa, que la tensión de umbral es aplicada el canal desaparece y sólo
puede fluir una pequeña corriente de subumbral entre el drenador y el surtidor.
Un transistor puede encontrarse en corte, en la región lineal y en saturación. El
corte se da cuando VGS<Vth. La zona lineal se da en el siguiente rango: VGS > Vth y VDS
< (VGS-Vth). Por último, la saturación ocurre cuando VGS > Vth y VDS > (VGS-Vth).
El encalamiento del mosfet conlleva el reducir su tamaño, principalmente, para
poder poner más transistores en menos espacio, aumentando la densidad de integración
y la potencia de cálculo de los microprocesadores. Las dimensiones más importantes en
un mosfet son la longitud del canal (L) y el ancho de la compuerta (W). En un proceso
de fabricación se pueden modificar dichos parámetros para cambiar el comportamiento
eléctrico del dispositivo. La longitud del canal también indica la longitud de onda con la
cual se creó. El tamaño de los transistores oscila entre las decenas de nanómetros.
LITOGRAFÍA
La litografía a la escala del nanómetro o nanolitografía se refiere a la
fabricación de microestructuras con un tamaño de escala que ronda los nanómetros.
Esto implica la existencia de patrones litografiados en los que sus longitudes son del
tamaño de átomos individuales y de orden aproximado de 10nm. Principalmente se
emplea en la fabricación de circuitos integrados de semiconductores o sistemas
nanoelectromecánicos conocidos como NEMS.
El procedimiento empleado en la litografía es el siguiente. Un láser escribe el
patrón de un circuito para un microchip en una capa de un polímero sensible a la luz, el
cual tiene debajo una capa de cromo
sobre un sustrato transparente. Las
zonas afectadas del polímero pueden
ser eliminadas de forma selectiva. Las
secciones expuestas de cromo pueden
ser eliminadas por ataque químico, y así
el polímero se disuelve y; el resultado
una máscara, como si fuera una foto en
negativo. Cuando un haz monocromático de luz ultravioleta se dirige a la máscara
anterior, la luz pasa a través de los huecos del cromo. Tras ésta, una lente contrae el
patrón enfocando la luz hacia una capa de material fotorresistente sobre una oblea de
silicio. Las partes expuestas de la resina fotosensible son retiradas, lo que permite
repetir el patrón en miniatura sobre los chips de silicio. Se pueden emplear luces de
diferentes longitudes de onda, aunque se suelen emplear actualmente las de 13nm.
16
Las estructuras creadas por litografía son de muy alta calidad, permitiendo unir
diferentes materiales con estructuras diferentes, mediante enlaces atómicos.
Los problemas de las películas ultrafinas de dióxido de silicio con puertas de
capas de óxido es que en 1-1.2nm se produce excesivo efecto túnel y las pérdidas de
corriente son excesivas. Otro problema es la penetración del boro a través de la capa del
dióxido de silicio desde el silicio en el canal p del canal, después de que este se caliente
durante el proceso. El último problema es que el silicio dopado se degenera en puertas
de electrones.
La solución para esos problemas es utilizar puertas de dieléctricos (oxidados)
con alta constante dieléctrica. Si el material tiene más permitividad, se puede disminuir
el ancho. También se reemplazan los electrodos por electrodos de metal. Los requisitos
para que un material pueda ser buen dieléctrico, son que tenga buena estequiometría,
que tenga estructura amorfa, que permita películas finas continuas con reducida
rugosidad, que sea lo más fina posible, térmicamente estable respecto al silicio y que
tenga baja concentración de impurezas. Los requisitos eléctricos del nuevo dieléctrico
son, que tenga una elevada constante dieléctrica, pocas pérdidas de densidad de
corriente, que sea de grosor menos a 1.2nm, que tenga una banda de conducción amplia,
un valor de la banda adecuado, que tenga baja concentración de imperfecciones a granel,
que tenga un precio competitivo comparado con el dióxido de silicio, y que tenga un
reducido interface de densidad. Los materiales que tienen baja constante dieléctrica son
más débiles y se está empezando a plantear cuestiones de su procesado y de su
ensamblaje.
17
TEMA4
CÉLULAS SOLARES SENSIBILIZADAS CON COLORANTE
Los dispositivos fotovoltaicos convierten la luz en electricidad los cuales suelen
ser, generalmente, diodos. El funcionamiento de los dispositivos fotovoltaicos es que al
recibir radiación solar, se excitan y provocan saltos electrónicos, generando una
pequeña diferencia de potencial en sus extremos. Estas células tienen mayor eficiencia
con la luz visible, es decir, con una longitud de onda alrededor de 500nm. Otra manera
de explicar el funcionamiento es que los fotones de la luz incidente en el panel solar son
absorbidos por los materiales semiconductores para crear pares electrón-hueco. Los
electrones son forzados a perder sus átomos, a través de la corriente que pasa por el
material para producir electricidad.
Hay algunas especies químicas que poseen la propiedad electrocrómica. Esta
propiedad consiste en el cambio de color de forma reversible cuando se les aplica una
carga eléctrica.
La célula solar sensibilizada con colorante posee la propiedad anterior y trabaja
de la siguiente manera. La luz solar pasa a través del electrodo simple, y el colorante
impregnado en el electrodo compuesto absorbe la luz. Cuando una molécula del
colorante absorbe la luz, un electrón pasa a tener un estado excitado y puede saltar
desde el colorante hasta la banda de conducción del dióxido de titanio. En el electrodo
compuesto, el electrón se difunde desde el dióxido de titanio hacia el vidrio conductor.
Desde allí, el electrón es llevado mediante un cable conductor hacia el electrodo simple.
Después de haber perdido un electrón, la molécula de colorante se encuentra oxidada, es
decir, tiene un electrón menos que antes. La molécula del colorante recupera su estado
inicial cuando el electrón es reinyectado a través del electrodo simple. De esta manera el
proceso se transforma en un ciclo que genera una corriente eléctrica. Cada vez se
utilizan más los colorantes basados en rutenio.
Dichas células contienen varios elementos, los cuales por orden de posición
final son, película tranparente conductora (electrodo directo), film de dióxido de titanio,
colorante, electrolito, tapón, platino y otra película transparente conductora
(contraelectrodo). Primero se va a explicar el proceso de los electrodos de trabajo. En
primer lugar, se limpian las películas transparentes conductoras con los procesos
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químicos convenientes. En segundo ligar se realiza el tratamiento del tetracloruro de
titanio en la capa posterior, la que conduce, para que se quede correctamente adherido la
película de titanio. Estas láminas se someten al primer tratamiento térmico en el cual se
alcanzan los 600ºC. En cuarto lugar una máquina, crea las placas de dióxido de titanio
sobre las láminas limpiadas anteriormente, las cuales son las conductoras. Tras la
creación de éstas se efectúa otro tratamiento térmico menos brusco que el anterior que
alcanza los 500ºC. En sexto lugar se produce la dispersión de la película de dióxido de
titanio. En el cual se reduce su tamaño y hace que se vuelve opaco. Posteriormente se
produce el tercer tratamiento térmico el cual es igual que el anterior. El octavo paso
consiste en el segundo tratamiento con el tetracloruro de titanio, el cual limpia la lámina
con los productos químicos apropiados. Por último se vuelve a realizar el primer
tratamiento térmico y; ya están acabadas las láminas de dióxido de titanio. Si se va a
usar alguno como electrodo de trabajo, se debe calentar hasta los 450ºC, antes de
sensibilizarlo con colorante. A continuación se va a explicar los procesos de la creación
de los contraelectrodos. En primer lugar se crea un agujero y; consecuentemente, se
limpia una película transparente conductora. En el tercer paso se baña la superficie
conductora con ácido cloroplatínico para crear un film semiconductor. A continuación
se somete a un tratamiento térmico para calcinar. En último lugar se sintetiza y se
ensambla. Para sensibilizarlo con colorante tiene que estar en una atmósfera aislada y
sin luz. La muestra extraída se limpia en la misma solución con colorante y se seca con
aire forzado. Para ensamblar los diferentes electrodos de utiliza electrolito como de
pegamento.
La ventaja de estas células es su elevada eficiencia, respecto a otros materiales;
y reducido coste de fabricación. Los inconvenientes es que aún se esta lejos de tener una
buena eficiencia. Las aplicaciones son muy variadas, como ponerse en ropa, poner
dispositivos para recargar cualquier aparato electrónico, etc.
Otro tipo de células solares son las de puntos cuánticos, las cuales un están
formadas por un semiconductor cuyos electrones excitados están confinados en las tres
dimensiones espaciales. Como resultado de ello, tienen propiedades que se encuentran
por encima de sus competidores. Las propiedades de las células solares de puntos
cuánticos son que producen el efecto túnel en la banda de conducción y se puede
controlar. Necesitan componentes con coeficientes molares elevados y con momentos
dipolares elevados y permitan la generación de excitación múltiple. Sus aplicaciones
19
son las mismas que las de los componentes fotovoltaicos. Éstos se pueden formar con
polímeros.
Otro tipo de células solares son las de Perovskite las cuales tienen la solución
procesada por amoniaco trihalogenado por plumbatos. Sus características son que tienen
coste reducido y fácil procesado. Tienen fuertes excitaciones y tienen una buena
eficiencia como los transistores y los leds. También se emplea alúmina como aislante
térmico.
FOTOSÍNTESIS ARTIFICIAL
El propósito de esta tecnología es lograr un dispositivo eficiente que permita
transformas la radiación solar en combustible. El principio básico se basa en el uso de
materiales semiconductores los cuales al recibir luz se favorecen reacciones como la
oxidación del agua y la reducción del hidrógeno.
Los requisitos que deben de cumplir los materiales para que sean
semiconductores son los siguientes. Tener una banda de conducción adecuada para la
máxima absorción óptica (1.9eV). Los bordes de la banda tiene que soportar los
potencias de H2O/O2 y H+/H2. Tienen que tener un transporte de la carga eficiente
dentro del material semiconductor. Tener baja resistencia al paso de la carga entre el
semiconductor y la solución en el cual se encuentre sumergido. Por último, conforme
más reducido sea el coste, mayores beneficios.
La célula fotoelectroquímica o célula de Gräzel es un dispositivo que permite la
generación de manera simultánea o independiente tanto de energía eléctrica como de
una sustancia química de interés, mediante una reacción electroquímica inducida por
efecto fotoeléctrico. Esta célula está basada en semiconductores nanoestructurados
sensibilizados con colorante. El semiconductor de la célula es una unión semiconductor-
líquido que contiene una zona de carga espacial en la superficie, con un intenso campo
eléctrico el cual permite separar los pares electrón hueco fotogenerados y convertirlos
en una fotocorriente. Así pues, un electrodo semiconductor se puede emplear para
aprovechar la energía de la radiación. Los electrones fotogenerados se extraen por la
conexión entre los dos electrodos. El circuito se cierra mediante superficies disueltas e
la fase líquida que se reducen y oxidan con electrones o huecos fotogenerados, los
cuales estados de ocupación en una superficie del electrolito constituyen un par redox.
20
Los electrones son transferidos a través de la superficie del electrodo y reaccionan con
las especies redox. En conclusión, las células fotoelectroquímicas pueden convertir la
luz solar en electricidad, mediante energía química (H2). Fujishima y Honda,
consiguieron producir pequeñas cantidades de hidrógeno iluminando una célula
electrolítica con luz solar. El elemento primordial de esta célula es un fotoánodo
semiconductor de dióxido de titanio donde el agua reacciona con los huecos
fotogenerados y se oxida a oxígeno, mientras que se reduce a hidrógeno con los
electrones que llegan al contraelectrodo. De esta forma se puede descomponer el agua
usando la potencia solar sin voltaje auxiliar. El principal inconveniente es que, por su
amplia banda prohibida, el dióxido de titanio sólo absorbe la parte ultravioleta de la
emisión solar y por lo tanto se consigue muy poca eficiencia de conversión. Las
aplicaciones suelen ser crear elementos normales con dicho dispositivo para aprovechar
su funcionamiento.
La hematita (Fe2O3) es un material con futuro como fotoánodo de células
electroquímicas para la disolución del agua. Las ventajas que tiene es que es un
material abundante, tiene amplia longitud de onda de luz visible que puede absorber y
gran estabilidad en disoluciones alcalinas y neutras. Como problemas tiene que sus
bandas prohibidas semiconductoras son amplias, lo cual ocasiona poca absorción. Su
medio de transporte tiene limitada vida útil y poca movilidad de las cargas. Su
comportamiento fotoeléctrico se da entre pH de 7 y de 13.2. Su funcionamiento es el
mismo que las células fotoelectroquímicas, junto con el descubrimiento de Honda y
Fujishima. Se esta diseñando nuevos materiales de hematita variadas como
nanopartículas, nanocables, nanotubos, y nanoárboles. También se pueden hacer
estructuras heterogéneas de disiliciuro de titanio, óxidos de iridio y compuestos de
cobalto, juntados todos con hematita.
El dióxido de titanio es un material es cual ha sido ampliamente estudiado
como elemento fotocatalítico. Sus inconvenientes
es que su banda prohibida es amplia y repercute en
la eficiencia de los dispositivos de disociación del
agua. Su disposición de funcionamiento es que el
dióxido de titanio esté conectado a un electrodo y
el platino a otro. Los fotones de luz los recibe un
material con puntos cuánticos, en el cual se excita un electrón el cual lo transmite al
21
titanio. El titanio hace posible que se haga una reacción de reducción redox. La otra
reacción ocurre en el contraelectrodo, en el cual hay platino, y, tras recibir el electrodo
del titanio, este la produce formando hidrógeno. Las densidades de corriente
conseguidas son de 4mA por cm2.
APLICACIONES CON MATERIAL ORGÁNICO, INORGÁNICO E HÍBRIDO.
Los semiconductores orgánicos son PPv, PPy, Benceno, PEDOT y PSS. Los
transistores orgánicos se llaman OFET y están formados por TSA. Los led orgánicos se
llaman OLED y están constituidos por PDOT-PSS. Los semiconductores orgánicos se
pueden dopar con ácido perclórico, ácido clorhídrico con fragmentos de TSA.
Los OFET son transistores orgánicos de efecto de campo los cuales utilizan un
semiconductor orgánico en su canal. Éstos se pueden preparar en el vacío mediante la
evaporación de pequeñas partículas, por disolución de de polímeros en pequeñas
moléculas y por transferencia mecánica. Sus aplicaciones pueden ser tanto como para
iluminar, mediante el principio de electroluminiscencia y; servir como un transistor, con
propiedades diferentes a los otros, tales como flexibilidad, entre otras. Las ventajas son
que su precio es reducido debido a que su campo se está ampliando a gran velocidad.
Otra ventaja es que puede ser diseñado con cualquier geometría y también, en algunos
casos se pueden comportar como dieléctricos. La principal ventaja de estos transistores
es su reducida probabilidad de error y su rápida velocidad en comparación con los
transistores de silicio. Los inconvenientes son que estos transistores tienen una vida más
reducida, no se pueden medir con tanta precisión sus propiedades. También reaccionan
con más atmósferas y se pueden quemar más fácilmente. Se podría decir que son mucho
más sensibles que los de silicio, aunque sus propiedades sean superiores.
Las siglas OLED significan
diodo orgánico de emisión de lux el
cual es un diodo que se basa en una
capa electroluminiscente formada por
una película de componentes orgánicos
que reaccionan, a una determinada
estimulación eléctrica, generando y
emitiendo luz por sí mismos. Podrá ser
usado en todo tipo de aplicaciones sobre
todo en pantallas, permitiendo crearlas
en tejidos o en medios curvos. Las
ventajas son: fabricación económica y más eficiente que el LCD, relación de contraste
22
muy alta (alta definición), gran ángulo de visión, baja energía de consumo y el tiempo
de respuesta es mínimo. La gran ventaja reside en que los OLED emiten luz
directamente, por este motivo, respecto a los LCD, posibilitan un rango más grande de
colores y contraste. Los inconvenientes son: el consumo de energía depende del color de
la alta definición, coste del capital para generarlo, pobre lectura en luz ambiente
brillante, no es resistente al agua y la vida útil es muy reducida.
Las OSC son células solares orgánicas en las que la capa activa de éstas se
compone de moléculas orgánicas. Éstas emplean semiconductores orgánicos. Presenta
las mismas propiedades de flexibilidad entre otras, de la misma forma que los
componentes anteriores. Todas sus aplicaciones tienen el fin de transformar energía
solar en electricidad para conectar cualquier aparato que pueda cumplir los requisitos
que de la célula. Las ventajas son que es un proceso de fabricación fácil, bajo coste e
bandas de absorción buenas. Los inconvenientes son que las bandas son inestables en
contacto con el oxígeno y con el agua y la difusión por excitación es reducida, del orden
de nanómetros.
Otros dispositivos serían las pantallas de cristal líquido, en el cual, según la
disposición del cristal fundido se deja pasar o no a la luz. La disposición del cristal
cambia por el voltaje que recibe. Una variante de ésta son las pantallas de LCD o
pantallas de funcionamiento de cristal líquido. En éstas hay tres colores primario, con
los cuales según su brillo e intensidad se pueden crear todos los colores. Otro tipo de
pantalla son las PDLC o cristal líquido de polímeros dispersos, en los cual se ordenan
perpendicularmente para dejar el paso de la luz, únicamente cuando reciben un voltaje.
El trióxido de wolframio es un elemento
muy similar al dióxido de titanio viologenado o
sensibilizado con colorante. Ambos son materiales
electrocrómicos y su única diferencia es que el
trióxido de wolframio es más empleado que el
dióxido de titanio.
Otro dispositivo electrocrómica es el de partículas suspendidas, en el cual, si no
pasa corriente por el las partículas del material no se encuentran ordenadas y no dejan
pasar la luz de forma directa. Si pasa corriente, las partículas se ordenan y dejan pasar a
la luz, de esta manera se consigue cambiar la opacidad de algunos materiales. Una
aplicación actual es en los cristales retrovisores, en el cual cuando recibe mucha luz,
éste se oscurece y no la refleja.
SENSORES.
Las partes de un sensor son la encima, el anticuerpo, el receptor, el DNA y el
microorganismo el cual tiene la función de reconocimiento biológico. Todas las partes
se encuentras conectadas al sensor y éste al traductor de señal. Las encimas se conectan
al sensor, el cual suele ser oro, y; la enzina que se conecta es la glucosa oxidasa. Ésta es
una enzina oxidorreductasa que cataliza la oxidación de la glucosa para formar peróxido
23
de hidrógeno y glucolactona. La glucosa oxidasa cataliza la oxidación de β-D-glucosa
en D-glucono-1,5-lactona, que es hidrolizada a ácido glucónico.
Los sensores de osmio basados en glucosa son iguales que los anteriores con la
diferencia de que se producen reacciones redox por el osmio, el cual efectúa dos
funciones, es la parte activa y la parte encargada de reconocer al compuesto a tratar.
Las reacciones que ocurren en el cátodo es que el osmio va cambiando a tener
valencia dos o tres. A su vez, la encima se reduce y se
oxida a continuación. Estas reacciones provocan que se
tome de la solución media molécula de agua junto con
dos protones y se forme agua. En el ánodo, el osmio
comienza teniendo valencia tres y después dos.
Después se oxida la enzima y, consecuentemente, se
reduce. Por último, el ánodo toma glucosa de la solución y la devuelve como
gluconolactona más dos protones.
Otro tipo de elementos de los sensores son los basados en la bilirrubina oxidasa
la cual es fruto de la reacción de la bilirrubina más media molécula de oxígeno y; a su
vez, producto del compuesto anterior, se denomina
biliverdina, más agua. La estructura es la misma que
anteriormente, pese a que ésta permite crear una célula
enzimática de combustible. La glucosa se encuentra en
el ánodo y la bilirrubina en el cátodo. Como fuel para
dicha reacción puede emplear hidrógeno, metanol,
glucosa, entre otros. Su principal aplicación es en
seres vivos los cuales tienen glucosa, y de esta manera
crear corriente de forma continua sin mantenimiento.
La estructura de los sensores es un sistema de
electrodos y una capa hidrofóbica. Otro tipo de estructura
puede ser depósito de residuos, canal de reacción y entrada de
la muestra. En el canal de reacción se encuentran los
determinados elementos de reacción. Las muestras reaccionan
porque son capturadas por líneas específicas en un proceso
acelerado de hibridación.
El reconocimiento de la muestra se realiza por antígenos y anticuerpos. La
estructura del anticuerpo está dividida entre el fragmento
vinculante del antígeno (FAB) y por el fragmento
cristalizable (FC). El anticuerpo es la Y y el antígeno es
lo que se le une en la parte superior. Cuando se juntan el
anticuerpo y el antígeno se pueden juntar por proteínas
por redox. Otro proceso en el cual no está presenta la
proteína del redox, se producen las etiquetas redox.
24
Cuando se producen las reacciones redox se libera energía en forma de voltaje. Otro
método de trabajo de los sensores es el método ELISA (ensayo por inmuno absorción
ligado a enzimas). Es una técnica de inmuno ensayo en la que un antígeno inmovilizado
se detecta mediante un anticuerpo enlazado a una enzima capaz de generar un producto
detectable. Se emplea un anticuerpo que reconoce un antígeno y que a su vez es
reconocido por otro anticuerpo que lleva enlazado la enzima mencionada.
Bajo su funcionamiento se puede hacer chips con muchos anticuerpos los
cuales detectan variedad de elementos con una sola muestra.
BATERIAS Y SUPERCONDENSADORES
Las baterías plomo-azufre están compuestas por dos electrodos de plomo en un
baño de ácido sulfúrico. Las reacciones que ocurren cuando la batería se carga son las
siguientes. En el ánodo, el sulfato de plomo más dos moléculas de agua dan como
resultado dióxido de plomo (II), dos protones y ácido sulfúrico. En el cátodo el sulfato
de plomo (II) da un ión sulfato. Cuando la batería se descarga, las reacciones ocurridas
en cada electrodo son las
mismas pero de sentido opuesto.
Otro tipo de baterías son las de
litio-cobalto, la cual tiene mayor
capacidad de almacenar energía
debido a que los potenciales de
la reacción mayores.
Las baterías de litio-silicio son baterías iones de litio con un ánodo de
nanocables de silicio, agrupados en nanocables. El silicio es capaz de almacenar gran
cantidad de litio y, por lo tanto, puede ofrecer un gran potencial para aumentar la
densidad de energía, reduciendo el peso de la batería. El área de superficie aumenta diez
veces la densidad de carga del ánodo, lo que permite la carga rápida y la entrega de
corriente. En comparación con otras baterías, ésta ofrece un largo proceso de vida útil.
Otro tipo diferentes baterías son las de litio-cobre con tetraóxido de hierro, en las cuales
hay una sola placa son muchos nanocables que permiten el almacenamiento de gran
cantidad de energía. Una batería de titanato de litio es un tipo de batería de litio-ión
modificada, la cual es más rápida que otras baterías parecidas. Como desventaja tiene
que tienen una tensión y capacidad menor. Éstas emplean nanocristales de titanato de
litio en la superficie de su ánodo. Cabe decir, que alcanzan su rendimiento máximo tras
realizar una gran cantidad de ciclos.
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Los supercondensadores son dispositivos electroquímicos capaces de sustentar
una densidad de energía inusualmente alta en comparación con los condensadores
normales, presentando una capacitancia miles de veces superior que la de los
condensadores electrolíticos de alta capacidad.
Cuando se cargan los átomos se ordenan en el
polo positivo las positivas y en el negativo las
negativas. Cuando se descarga éstas se mezclan
liberando al electrón para producir corriente.
La siguiente tabla compara los diferentes procesos de obtención de corriente
eléctrica.
PIEZOELÉCTRICOS
La piezoelectricidad es un fenómeno que ocurre en determinados cristales que,
al ser sometido a tensiones mecánicas, en su masa adquieren una polarización eléctrica
y aparece una diferencia de potencial por las cargas eléctricas en su superficie. Este
fenómeno también ocurre de manera inversa, se deforman bajo la acción de fuerzas
internas al ser sometidos a un campo eléctrico. Este efecto es reversible. Esta propiedad
la tienen cristales naturales o sintéticos que carecen de centro de simetría. Una
compresión o un cizallamiento provoca la disociación de los centro de gravedad de las
cargas eléctricas, tanto positivas como negativas. Como consecuencia, en la masa
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aparecen dipolos elementales y, por influencia, en las superficies enfrentadas surgen
cargas de signo opuesto. Los materiales más comunes son titanato de bario, circonio
cargado con titanatos, sodio-potasio-niobatio, polivinilidano fluorido y nanotubos de
difenanilina péptida.
Las aplicaciones son: generación y detección de los ultrasonidos, manejar
boquilla ultrasónica, generación de voltajes elevados, producir frecuencia electrónica,
microbalanzas e impresoras.