Nanotubo de nitruro de galio

Zigzag y sillón de nanotubos de GaN

Los nanotubos de nitruro de galio (GaNNT) son nanotubos de nitruro de galio . Pueden cultivarse mediante deposición química de vapor (diámetros de 30 a 250 nm). ^{[1] [2] [3]}

Historia

Los nanotubos monocristalinos de nitruro de galio fueron sintetizados por primera vez por Peidong Yang y su equipo de investigación en el Departamento de Química de la Universidad de Berkeley el 10 de abril de 2003. ^[3] La síntesis se logró mediante la creación inicial de nanocables a partir de cristales puros de óxido de zinc en una oblea de zafiro a través de un proceso que Yang y sus colegas crearon previamente llamado fundición epitaxial. Estos nanocables de óxido de zinc se utilizaron luego como plantillas sobre las que se cultivaron cristales de nitruro de galio mediante deposición química de vapor . ^[3] Una vez que se formaron los cristales de nitruro de galio, se aplicó calor a laoblea de zafiro para permitir la vaporización de los núcleos de nanocables de óxido de zinc. Esto dejó nanotubos huecos de nitruro de galio, ya que el nitruro de galio es un material mucho más estable térmicamente en comparación con el óxido de zinc. Los nanotubos de nitruro de galio resultantes eran uniformes en longitudes de 2-5 µm y 30-200 nm de diámetro. ^[3]

Estructura y propiedades de los nanotubos de nitruro de galio

Forma y tamaño general

Los GaNNT son una forma de material unidimensional análogo a los nanotubos de carbono mucho más conocidos . El análisis experimental y teórico de GaNNT ha demostrado que estos nanotubos pueden construirse con un diámetro de 30-250 nm y un espesor de pared de 5-100 nm. ^{[3] [2]} Los GaNNT también se diferencian por cómo se "enrollan" los tubos. Los rodillos se clasifican según la forma en que se dobla la estructura molecular y utilizan un formato (n, m) para determinar cómo se dobló el tubo. Las dos formaciones más comunes son el zig-zag, que tiene una curva (n, 0), y un sillón, que tiene una curva (n, n). Tanto el tamaño de los nanotubos como el rodamiento del nanotubo juegan un papel en las propiedades de cualquier GaNNT dado.

Las propiedades estructurales de un GaNNT comienzan con la constante de celosía , c, de la celda unitaria de un GaNNT. La constante de la red depende de la longitud del enlace de los átomos. Para una forma de zig-zag, c = 3 - (longitud de enlace), mientras que para la forma de sillón, c = √ 3 - (longitud de enlace). Una evaluación teórica ha determinado que las longitudes óptimas de enlace son 1,92 angstroms y 1,88 angstroms para nanotubos en zig-zag y sillón, respectivamente. Esta geometría de tubo permanece estable a través de un rango de temperatura muy amplio, desde apenas por encima de 0K hasta 800K. ^[3]

Estructura de la banda

La banda prohibida de los GaNNT depende tanto del rodamiento como del tamaño de un nanotubo en particular. Se encontró que un GaNNT en zig-zag tendría una banda prohibida directa, mientras que un sillón GaNNT tendría una banda prohibida indirecta. Además, la banda prohibida aumenta al aumentar el radio. Sin embargo, mientras que para un GaNNT en zigzag, la banda prohibida aumentaría significativamente, una GaNNT de sillón tendría su banda prohibida aumentada solo ligeramente. Una vacante de nitrógeno en la estructura, que si bien es energéticamente desfavorable es más probable que una vacante de galio, da como resultado una banda que depende de los estados de espín de los electrones. La banda para girar los electrones crea una banda vacía por encima del nivel de Fermi.y aumenta la banda prohibida, mientras que la banda para los electrones de giro crea una banda llena por debajo del nivel de Fermi y disminuye la banda prohibida. Esta división de banda dependiente del espín convierte a los GaNNT en un candidato potencial para los sistemas informáticos espintrónicos . ^[2]

Mecánico

Las propiedades mecánicas de los GaNNT están influenciadas por el movimiento de los nanotubos, aunque no está claro si el tamaño de los nanotubos también influye. El módulo de Young se calculó en 793 GPa para un nanotubo de sillón (5,5), mientras que el de un nanotubo en zig-zag (9,0) se calculó en 721 GPa. Para el sillón (5,5) y (9,0) nanotubos, otros valores calculados incluyen que la resistencia máxima a la tracción fue 4.25 y 3.43 eV / Angstrom, la deformación crítica fue 14.6% y 13.3%, y la relación de Poisson fue 0.263 y 0.221 respectivamente. Se supone que las propiedades de cualquier nanotubo (n, m) intermedio tendrían una propiedad en algún lugar de esos rangos. ^[4]

Las propiedades mecánicas también están influenciadas por la temperatura del material y la velocidad de deformación a la que se somete el nanotubo. Para la temperatura, la resistencia a la tracción de un GaNNT disminuye a mayor temperatura. A temperaturas más altas, más moléculas poseen suficiente energía para superar la barrera de energía de activación, lo que da como resultado una deformación con deformaciones más bajas. La velocidad de deformación del material hace que se reduzca la resistencia a la tracción cuando la velocidad de deformación es menor. Esto se debe a que el material no está sometido a una tensión constante en todo momento, lo que hace que algunas ubicaciones del material tengan mayores tensiones que otras ubicaciones. La velocidad de deformación más lenta permite que GaNNT tenga más tiempo para inducir deformaciones locales adecuadas y, por lo tanto, la deformación plástica se produce antes. Esto significa que una tasa de deformación más lenta da como resultado una menor resistencia a la tracción.^[4]

Síntesis

Nanotubos hexagonales de nitruro de galio (h-GaN)

Los nanotubos de nitruro de galio (GaN) se forman principalmente de una de dos formas: utilizando un método dirigido por molde o crecimiento sólido de vapor (VS).

Método dirigido por plantilla

El método de la plantilla utiliza un nanoalambre hexagonal de óxido de zinc (ZnO) como plantillas. Mediante la deposición de vapor químico, se depositan capas delgadas de GaN sobre las plantillas, creando un molde a partir del crecimiento epitaxial . Las plantillas de nanocables de ZnO se eliminan luego mediante reducción térmica y evaporación. Un análisis mediante microscopía electrónica de transmisión.(TEM) muestra que el residuo de ZnO, junto con una película delgada de GaN poroso, todavía se encuentra en la parte superior de los nanotubos después de que se eliminan las plantillas. Esto es el resultado de que el zinc y el oxígeno salen de la plantilla a través de la capa porosa de GaN en las etapas iniciales de formación del nanotubo. Este método produjo nanotubos de h-GaN que tenían principalmente un extremo abierto y otro cerrado, aunque también se encontraron tubos con ambos extremos abiertos. Utilizando espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS), se observó que los nanotubos tienen una relación de intensidad 1: 1 en galio y nitrógeno. Los nanotubos tenían paredes de entre 5 y 50 nm de espesor y diámetros internos con longitudes de entre 30 y 200 nm. ^[5]

Crecimiento sólido de vapor

Los nanotubos de GaN se pueden fabricar sin una plantilla. Otra forma de fabricar nanotubos de h-GaN es mediante un proceso de dos etapas que convierte los nanotubos de óxido de galio (III) (Ga ₂ O ₃ ) en nanotubos de h-GaN. Este método produce menos variación en el tamaño y la forma de los nanotubos producidos. Los nanotubos producidos tienen una longitud de aproximadamente 10 nm y un diámetro exterior uniforme de aproximadamente 80 nm y un espesor de pared de aproximadamente 20 nm. Este método produce productos del 4 al 5,0%, que se basa en la cantidad de Ga ₂ O ₃ presente. ^[5]

Nanotubos de nitruro de galio cúbicos (c-GaN)

Usando polvos de Ga ₂ O ₃ y amoniaco (NH ₃ ), los nanotubos de c-GaN también se pueden sintetizar sin el uso de una plantilla en un proceso de vapor sólido. En su lugar, se utiliza un proceso de alta temperatura sin catalizador, que requiere ciertas condiciones. Una de estas condiciones fue el calor intenso. El crecimiento de nanotubos para los nanotubos de c-GaN se realizó a alrededor de 1600 grados Celsius (200 grados más que las condiciones requeridas para cultivar nanotubos de h-GaN) y se incrementó continuamente durante todo el proceso. Otra condición requería que los caudales de NH ₃ y N ₂ se incrementaran durante la reacción química de dos pasos requerida para fabricar los nanotubos. ^[6]

El primer paso requirió carbono de un crisol de grafito, que reaccionó con Ga ₂ O ₃ para producir vapor de Ga ₂ O. Luego, el vapor reacciona con NH ₃ para producir nanopartículas sólidas de GaN que se recogen en el flujo de NH ₃ y N ₂ . Las nanopartículas se transportan luego a un horno de inducción de temperatura más baja donde se acumularán en grupos sobre una fibra de carbono y se autoensamblarán nanotubos rectangulares a través del crecimiento sólido de vapor. La mayoría de los nanotubos formados tienen una sección transversal cuadrada o rectangular con longitudes entre 50 y 150 nm. Se encontró que los tubos tenían un espesor de pared entre 20 y 50 nm y longitudes más largas de varios micrómetros. ^[6]

Antes de que se aplicara este método, los nanocristalitos de c-GaN eran las únicas nanoestructuras capaces de sintetizarse en la estructura cúbica de GaN. ^[6]

Progreso reciente

Fabricación a gran escala

M. Jansen y col. ha desarrollado un proceso de fabricación a gran escala, rápido y de bajo costo para la generación de nanotubos de nitruro de galio. Esto se logró mediante el uso de una combinación de litografía y grabado de arriba hacia abajo con plasma acoplado inductivamente para producir una máscara de grabado duro de una matriz de nano anillos de silicio . ^[7] La matriz de nano anillos se colocó sobre la superficie de nitruro de galio a granel y se grabó para producir estructuras de nanotubos de proporciones iguales. ^[7]

Integración de microchip

Chu-Ho Lee y su grupo de investigación en la Universidad Nacional de Seúl en Corea pudieron sintetizar nanotubos de nitruro de galio dopados con indio que fueron fabricados sobre sustratos de silicio . El grupo utilizó estos nanotubos como diodos emisores de luz, que emitían principalmente luz en el espectro visible verde. ^[8] Dado que la síntesis de estos nanotubos se basa en parámetros geométricos controlables, los nanotubos de nitruro de galio podrían permitir formas de producir microchips con velocidades de procesamiento más rápidas mediante el uso de comunicación óptica entre chips e intrachip. ^[8]

Forma de tubo y forma de luz emitida

Changyi Li y su equipo de investigación de la Universidad de Nuevo México demostraron recientemente que al cambiar la geometría de las aberturas en los nanotubos de nitruro de galio, la forma de la luz emitida cambia cuando actúa como diodos emisores de luz . ^[9] El grupo utilizó la litografía por haz de electrones para crear regiones huecas de forma anular bien definidas dentro de los nanotubos de nitruro de galio, lo que finalmente condujo a una luz emitida de forma anular. ^[9]

Referencias

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con nanotubos de nitruro de galio .

1. El nitruro de galio es un nuevo tipo de nanotubo . lbl.gov (12 de mayo de 2003). Consultado el 29 de marzo de 2017.
2. Moradian, Rostam; et al. (Septiembre de 2008). "Estructura y propiedades electrónicas de nanotubos de nitruro de galio nativos y desertados". Physics Letters A . 372 (46): 6935–6939. doi : 10.1016 / j.physleta.2008.09.044 .
3. Goldberger, J; Ella; Zhang, Y; Lee, S; Yan, H; Choi, HJ; Yang, P (2003). "Nanotubos de nitruro de galio monocristalino". Naturaleza . 422 (6932): 599–602. doi : 10.1038 / nature01551 . PMID 12686996 . 
4. Jeng, Yeau-Ren; et al. (Abril de 2004). "Investigación de dinámica molecular de las propiedades mecánicas de nanotubos de nitruro de galio bajo tensión y fatiga". Nanotecnología . 15 (12): 1737-1744. doi : 10.1088 / 0957-4484 / 15/12/006 .
5. Sun, Yangang (2009). "Nanotubos semiconductores importantes prospectivos: síntesis, propiedades y aplicaciones" . Revista de Química de Materiales . 19 (41): 7592–7605. doi : 10.1039 / b900521h . Consultado el 29 de noviembre de 2017 .
6. Hu, Junging (2004). "Crecimiento de nanotubos de GaN cúbicos monocristalinos con secciones transversales rectangulares". Materiales avanzados . 16 (16): 1465-1468. doi : 10.1002 / adma.200400016 .
7. Coulon, P. (2017). "Propiedades ópticas y modos de cavidad resonante en microcavidades axiales de nanotubos de InGaN / GaN" . Optics Express . 25 (23): 28246–28257. doi : 10.1364 / OE.25.028246 . Consultado el 29 de noviembre de 2017 .
8. Hong, Young (9 de diciembre de 2015). "Microarrays de diodos emisores de luz sintonizados por color de emisión de heteroestructuras de nanotubos multicapa InxGa1 – xN / GaN no polares" . Informes científicos . 5 : 18020. doi : 10.1038 / srep18020 . PMC 4673456 . PMID 26648564 .  
9. Li, Changyi (13 de julio de 2015). "Emisión en forma de anillo de láseres de nanotubos de nitruro de galio" (PDF) . ACS Photonics . 8 (2): 1025–1029. doi : 10.1021 / acsphotonics.5b00039 .