El silicio poroso (abreviado como "PS" o "pSi") es una forma del elemento químico silicio que ha introducido nanoporos en su microestructura , dando una gran relación superficie / volumen del orden de 500 m 2 / cm 3 .
Historia
El silicio poroso fue descubierto por accidente en 1956 por Arthur Uhlir Jr. e Ingeborg Uhlir en Bell Labs en los EE. UU. En ese momento, los Ulhir estaban en el proceso de desarrollar una técnica para pulir y dar forma a las superficies de silicio y germanio . Sin embargo, se encontró que bajo varias condiciones se formaba un producto crudo en forma de película espesa de color negro, rojo o marrón sobre la superficie del material. En ese momento, los hallazgos no se llevaron más allá y solo se mencionaron en las notas técnicas de Bell Lab. [1]
A pesar del descubrimiento del silicio poroso en la década de 1950, la comunidad científica no se interesó por el silicio poroso hasta finales de la década de 1980. En ese momento, Leigh Canham , mientras trabajaba en la Agencia de Investigación de Defensa en Inglaterra, razonó que el silicio poroso puede mostrar efectos de confinamiento cuántico. [2] La intuición fue seguida por resultados experimentales exitosos publicados en 1990. En el experimento publicado, se reveló que las obleas de silicio pueden emitir luz si se someten a disolución electroquímica y química .
El resultado publicado estimuló el interés de la comunidad científica en sus propiedades eléctricas y ópticas no lineales . El creciente interés se evidenció en el número de trabajos publicados sobre las propiedades y aplicaciones potenciales del silicio poroso. En un artículo publicado en 2000, se encontró que el número de trabajos publicados creció exponencialmente entre 1991 y 1995. [3]
En 2001, un equipo de científicos de la Universidad Técnica de Munich descubrió inadvertidamente que el silicio poroso hidrogenado reacciona explosivamente con el oxígeno a temperaturas criogénicas , liberando varias veces más energía que una cantidad equivalente de TNT , a una velocidad mucho mayor. (A continuación se puede encontrar un resumen del estudio). La explosión se produce porque el oxígeno, que se encuentra en estado líquido a las temperaturas necesarias, es capaz de oxidarse a través de la estructura molecular porosa del silicio con extrema rapidez, provocando una reacción muy rápida y eficiente. detonación . Aunque el silicio poroso hidrogenado probablemente no sería eficaz como arma, debido a que funciona solo a bajas temperaturas, se están explorando otros usos por sus propiedades explosivas, como proporcionar empuje a los satélites .
Fabricación de silicio poroso
La anodización y el grabado de manchas son los dos métodos más comunes utilizados para la fabricación de silicio poroso; sin embargo, existen casi veinte métodos más para fabricar este material. [ cita requerida ] Posteriormente, podría ser necesario el secado y la modificación de la superficie. Si se usa anodización en una solución acuosa para formar silicio microporoso, el material se trata comúnmente en etanol inmediatamente después de la fabricación, para evitar daños a la estructura que resultan de las tensiones del efecto capilar de la solución acuosa. [4]
Anodización
Un método para introducir poros en el silicio es mediante el uso de una celda de anodización. Una posible celda de anodización emplea un cátodo de platino y un ánodo de oblea de silicio sumergido en un electrolito de fluoruro de hidrógeno (HF). Recientemente, se utilizan cátodos de diamante inertes para evitar impurezas metálicas en el electrolito y los ánodos de diamante inertes forman un contacto de placa posterior eléctrico mejorado con las obleas de silicio. La corrosión del ánodo se produce al hacer pasar corriente eléctrica a través de la celda. Se observa que el funcionamiento de CC constante se implementa generalmente para asegurar una concentración de punta estable de HF que da como resultado una capa de porosidad más homogénea , aunque la corriente pulsada es más apropiada para la formación de obleas de silicio gruesas mayores de 50 µm. [5]
Halimaoui señaló que el desprendimiento de hidrógeno se produce durante la formación de silicio poroso.
Cuando se utilizan soluciones de HF puramente acuosas para la formación de PS, las burbujas de hidrógeno se adhieren a la superficie e inducen una falta de homogeneidad lateral y profunda.
El desprendimiento de hidrógeno se trata normalmente con etanol absoluto en una concentración superior al 15%. Se encontró que la introducción de etanol elimina el hidrógeno y asegura la infiltración completa de la solución de HF dentro de los poros. Posteriormente, se mejora la distribución uniforme de la porosidad y el espesor.
Grabado de manchas
Es posible obtener silicio poroso mediante el grabado de manchas con ácido fluorhídrico , ácido nítrico y agua . Una publicación de 1957 reveló que las películas de tinción se pueden cultivar en soluciones diluidas de ácido nítrico en ácido fluorhídrico concentrado. [6] La formación de silicio poroso por grabado de manchas es particularmente atractiva debido a su simplicidad y la presencia de reactivos corrosivos fácilmente disponibles; a saber, ácido nítrico (HNO 3 ) y fluoruro de hidrógeno (HF). Además, el grabado de manchas es útil si se necesita producir películas de Si porosas muy delgadas. [7] Una publicación en 1960 de RJ Archer reveló que es posible crear películas de tinción tan delgadas como 25 Å mediante el grabado con tinción con una solución de HF-HNO 3 .
Síntesis ascendente
El silicio poroso se puede sintetizar químicamente a partir del tetracloruro de silicio, utilizando subproductos de sales de formación automática como plantillas para la formación de poros. Las plantillas de sal se eliminan posteriormente con agua. [8]
Secado de silicio poroso
El silicio poroso es propenso sistemáticamente a la presencia de grietas cuando se evapora el agua. Las grietas son particularmente evidentes en capas de silicio gruesas o muy porosas. [9] El origen de las grietas se ha atribuido al gran esfuerzo capilar debido al diminuto tamaño de los poros. En particular, se sabe que aparecerán grietas para muestras de silicio poroso con un espesor mayor que un cierto valor crítico. Bellet concluyó que era imposible evitar el agrietamiento en capas gruesas de silicio poroso en condiciones normales de evaporación. Por lo tanto, se han desarrollado varias técnicas apropiadas para minimizar el riesgo de que se formen grietas durante el secado.
- Secado supercrítico
El secado supercrítico tiene fama de ser la técnica de secado más eficaz, pero es bastante caro y difícil de implementar. Fue implementado por primera vez por Canham en 1994 e implica el sobrecalentamiento del poro líquido por encima del punto crítico para evitar la tensión interfacial. [10]
- Secar en frío
El procedimiento de liofilización se documentó por primera vez alrededor de 1996. [11] Después de la formación de silicio poroso, la muestra se congela a una temperatura de aproximadamente 200 K y se sublima al vacío. [12]
- Secado de pentano
La técnica utiliza pentano como líquido de secado en lugar de agua. Al hacerlo, la tensión capilar se reduce porque el pentano tiene una tensión superficial más baja que el agua. [13]
- Evaporación lenta
La técnica de evaporación lenta se puede implementar después del enjuague con agua o etanol. Se encontró que la evaporación lenta disminuyó la densidad de la trampa.
Modificación superficial de silicio poroso
La superficie del silicio poroso puede modificarse para exhibir diferentes propiedades. A menudo, el silicio poroso recién grabado puede ser inestable debido a la velocidad de su oxidación por la atmósfera o inadecuado para fines de unión celular. Por lo tanto, se puede modificar la superficie para mejorar la estabilidad y la unión de la celda.
Modificación de la superficie que mejora la estabilidad.
Después de la formación de silicio poroso, su superficie se cubre con hidrógeno unido covalentemente . Aunque la superficie revestida de hidrógeno es suficientemente estable cuando se expone a una atmósfera inerte durante un corto período de tiempo, la exposición prolongada hace que la superficie sea propensa a la oxidación por el oxígeno atmosférico. La oxidación promueve la inestabilidad en la superficie y es indeseable para muchas aplicaciones. Por tanto, se desarrollaron varios métodos para promover la estabilidad superficial del silicio poroso.
Un enfoque que se puede adoptar es a través de la oxidación térmica . El proceso implica calentar el silicio a una temperatura superior a 1000 C para promover la oxidación completa del silicio. Según se informa, el método produjo muestras con buena estabilidad al envejecimiento y pasivación de la superficie electrónica . [14]
El silicio poroso presenta un alto grado de biocompatibilidad . La gran superficie permite que las moléculas orgánicas se adhieran bien. Se degrada a ácido ortosilícico (H 4 SiO 4 ) , [15] que no causa ningún daño al cuerpo. Esto ha abierto aplicaciones potenciales en medicina, como un marco de crecimiento óseo .
Modificación de la superficie que mejora la adhesión celular.
La modificación de la superficie también puede afectar las propiedades que promueven la adhesión celular . Una investigación particular en 2005 estudió la adhesión de células de mamíferos en las superficies modificadas de silicio poroso. La investigación utilizó células PC12 de rata y células epiteliales del cristalino humano (HLE) cultivadas durante cuatro horas en la superficie de silicio poroso modificado. Después, las células se tiñeron con colorante vital FDA y se observaron bajo microscopía de fluorescencia . La investigación concluyó que "la amino silanización y el recubrimiento de la superficie del pSi con colágeno mejoran la unión y propagación celular". [dieciséis]
Clasificación de silicio poroso
Porosidad
La porosidad se define como la fracción de vacío dentro de la capa pSi y se puede determinar fácilmente midiendo el peso. [5] Durante la formación de la capa de silicio poroso a través de la anodización, la porosidad de una oblea se puede aumentar aumentando la densidad de corriente, disminuyendo la concentración de HF y la capa de silicio más gruesa. La porosidad del silicio poroso puede oscilar entre el 4% para las capas macroporosas y el 95% para las capas mesoporosas. Un estudio de Canham en 1995 encontró que "una capa de 1 µm de espesor de silicio de alta porosidad se disolvió completamente en un día de exposición in vitro a un fluido corporal simulado ". [17] También se encontró que una oblea de silicio con porosidad media a baja mostraba más estabilidad. Por lo tanto, la porosidad del silicio poroso varía dependiendo de sus áreas de aplicación potenciales.
Tamaño de poro
El valor de porosidad del silicio es un parámetro macroscópico y no proporciona ninguna información sobre la microestructura de la capa. Se propone que las propiedades de una muestra se predigan con mayor precisión si se puede obtener el tamaño de los poros y su distribución dentro de la muestra. Por lo tanto, el silicio poroso se ha dividido en tres categorías según el tamaño de sus poros; macroporosa , mesoporosa y microporosa .
Tipo | Microporoso | Mesoporoso | Macroporoso |
---|---|---|---|
Ancho de poro (nanómetro) | menos de 2 | Entre 2 y 50 | Mayor que 50 |
Característica clave del silicio poroso
Propiedades altamente controlables
Los estudios de silicio poroso llevados a cabo en 1995 mostraron que el comportamiento del silicio poroso se puede alterar entre "bio-inerte", "bioactivo" y "reabsorbible" variando la porosidad de la muestra de silicio. [17] El estudio in vitro utilizó fluido corporal simulado que contenía una concentración de iones similar a la de la sangre humana y probó las actividades de la muestra de silicio poroso cuando se exponía a los fluidos durante un período de tiempo prolongado. Se encontró que las capas mesoporosas de alta porosidad fueron eliminadas por completo por los fluidos corporales simulados en un día. En contraste, las capas microporosas de porosidad baja a media mostraron configuraciones más estables e indujeron el crecimiento de hidroxiapatita.
Bioactivo
El primer signo de silicio poroso como material bioactivo se encontró en 1995. En el estudio realizado, se encontró que el crecimiento de hidroxiapatita se estaba produciendo en áreas de silicio poroso. Luego se sugirió que "el Si microporoso hidratado podría ser una forma bioactiva del semiconductor y sugirió que el propio Si debería considerarse seriamente para su desarrollo como material para aplicaciones in vivo generalizadas ". [17] Otro artículo publicó el hallazgo de que el silicio poroso puede usarse como sustrato para el crecimiento de hidroxiapatita, ya sea mediante un simple proceso de remojo o mediante un proceso de interacción láser-líquido-sólido. [18]
Desde entonces, se han realizado estudios in vitro para evaluar la interacción de las células con el silicio poroso. Un estudio de 1995 de la interacción de las células del hipocampo de rata B50 con el silicio poroso encontró que las células B50 tienen una clara preferencia por la adhesión al silicio poroso sobre la superficie no tratada. El estudio indicó que el silicio poroso puede ser adecuado para fines de cultivo celular y puede usarse para controlar el patrón de crecimiento celular. [19]
Producto de desecho no tóxico
Otro atributo positivo del silicio poroso es la degradación del silicio poroso en ácido silícico monomérico (SiOH4). El ácido silícico tiene fama de ser la forma más natural de elemento en el medio ambiente y es fácilmente eliminado por los riñones .
El plasma sanguíneo humano contiene ácido silícico monomérico en niveles inferiores a 1 mg Si / l, lo que corresponde a la ingesta dietética media de 20 a 50 mg / día. Se propuso que el pequeño espesor de los recubrimientos de silicio presenta un riesgo mínimo de que se alcance una concentración tóxica. La propuesta fue apoyada por un experimento en el que participaron voluntarios y bebidas de ácido silícico. Se encontró que la concentración del ácido se elevó sólo brevemente por encima del nivel normal de 1 mg Si / ly se expulsó eficazmente por excreción de orina. [20]
Superhidrofobicidad
El simple ajuste de la morfología de los poros y la geometría del silicio poroso también ofrece una forma conveniente de controlar su comportamiento de humectación. Ultra- y estable superhidrófobas estados en silicio poroso pueden ser fabricados y utilizados en sobre un chip de laboratorio- , microfluídicos dispositivos para la mejora de bioanálisis basada en superficie. [21]
Propiedades ópticas
pSi demuestra propiedades ópticas basadas en la porosidad y el medio dentro de los poros. El índice de refracción efectivo de pSi está determinado por la porosidad y el índice de refracción del medio dentro de los poros. Si el índice de refracción del medio dentro de los poros es alto, el índice de refracción efectivo de pSi también será alto. Este fenómeno hace que el espectro se desplace hacia una longitud de onda más larga . [22]
Ver también
- Silicio nanocristalino
- Silicio
- Porosidad
- Alambre cuántico
- Aguafuerte (microfabricación)
Referencias
- ^ Canham, Leigh T. (10 de abril de 1993). "Un futuro brillante para el silicio: los chips y los circuitos podrían funcionar mucho más rápido si usaran la luz para comunicarse entre sí. Las frágiles capas de silicio poroso podrían ser lo que les permita hacerlo" . Nuevo científico . Consultado el 25 de febrero de 2013 .
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