30.06.2020 - Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Una nueva teoría para los semiconductores hechos de nanocristales

La primera explicación teórica de cómo la corriente eléctrica se mueve a través de una fina película de nanocristales

Los investigadores de la ETH han proporcionado la primera explicación teórica de cómo se conduce la corriente eléctrica en los semiconductores hechos de nanocristales. En el futuro, esto podría conducir al desarrollo de nuevos sensores, láseres o LEDs para las pantallas de televisión.

Hace unos años, nos presentaron pantallas de televisión con tecnología QLED que produce colores brillantes. La "Q" aquí significa "punto cuántico". Los puntos cuánticos son cristales de un material semiconductor de sólo unos pocos nanómetros de tamaño que consisten en un par de miles de átomos. Esos nanocristales son tan diminutos que los electrones en ellos sólo pueden tomar ciertos niveles bien definidos de energía mecánica cuántica. Como consecuencia, cuando los puntos cuánticos son iluminados por la luz de fondo de un televisor, la luz de un color particular es emitida por saltos cuánticos entre esos niveles.

En la próxima generación de televisores QLED, la esperanza es usar la electricidad para hacer que los puntos cuánticos brillen por sí mismos en lugar de necesitar una retroiluminación. Hasta ahora, sin embargo, faltaba la comprensión teórica de cómo la corriente eléctrica se mueve a través de una fina película de nanocristales. Un equipo de investigadores del Departamento de Tecnología de la Información e Ingeniería Eléctrica del ETH Zurich dirigido por Vanessa Wood ha cerrado esa brecha, como informan en la revista científica Nature Communications.

Colchón de resortes contra la mesa

La teoría de cómo se mueve la corriente eléctrica en semiconductores que no son de tamaño nano se conoce desde hace más de noventa años y existen herramientas de software para modelar su comportamiento. La industria puede controlar las propiedades electrónicas de los semiconductores añadiendo deliberadamente átomos de impureza (dopaje), lo que cambia el número de portadores gratuitos (electrones). En cambio, los semiconductores que consisten en muchos pequeños puntos cuánticos de nanocristales no pueden ser tratados con esos métodos.

En los nanocristales, la adición de átomos de impureza no conduce necesariamente a portadores gratuitos. Además, los portadores gratuitos no se comportan de la misma manera. "Los portadores de carga en un semiconductor normal se mueven como bolas de bolos que ruedan sobre una mesa lisa, mientras que en un material de nanocristales actúan como bolas de bolos sobre un colchón blando, hundiéndose y deformándolo", Wood ilustra el problema.

Exigir la modelización

Para el modelado teórico esto significa que los átomos en la red cristalina del semiconductor de nanocristales no pueden ser vistos simplemente como puntos estacionarios, que es lo que se hace normalmente con los semiconductores normales. "Más bien, tuvimos que describir matemáticamente cada uno de los varios cientos de miles de átomos en los muchos nanocristales del material, y cómo cada átomo interactúa con los portadores de carga", explica Nuri Yazdani, que trabajó en el grupo de investigación de Wood como estudiante de doctorado y es el primer autor del estudio recientemente publicado.

Utilizando el Centro Suizo de Supercomputación CSCS en Lugano, Yazdani ejecutó un código complejo en el que se tuvieron en cuenta todos los detalles del problema: el movimiento de los electrones y los átomos, así como las interacciones entre ellos. "En particular, queríamos entender cómo los portadores de carga se mueven entre los nanocristales individuales y por qué quedan 'atrapados' y no pueden continuar", dice Yazdani.

Los resultados de esas simulaciones por computadora fueron extremadamente reveladores. Resultó que el factor determinante de cómo un material compuesto de muchos nanocristales conduce la corriente eléctrica son las diminutas deformaciones de los cristales, de sólo unas milésimas de nanómetro, que conducen a un enorme cambio en la energía electrostática. Cuando la carga deforma el material que lo rodea, esto se conoce como polaron, y las simulaciones de Yazdani muestran que la corriente fluye a través de los polares saltando de un nanocristal a otro.

Un modelo explica todo

El modelo explica cómo las propiedades electrónicas de los semiconductores basados en nanocristales se modifican al variar el tamaño de los nanocristales y cómo se empaquetan en la película. Para probar las predicciones de sus simulaciones, el equipo produjo delgadas películas de nanocristales en el laboratorio y midió la respuesta eléctrica para diferentes voltajes y temperaturas aplicadas. En esos experimentos, crearon electrones libres en un extremo del material usando un corto pulso de láser y luego observaron cuando llegaron al otro extremo. El resultado: para cada uno de los varios cientos de pruebas diferentes, la simulación por ordenador predijo perfectamente las propiedades eléctricas.

"Después de ocho años de intenso trabajo, hemos creado un modelo que finalmente puede explicar cuantitativamente no sólo nuestros experimentos, sino también los de muchos otros grupos de investigación en los últimos años", dice Wood. "Tal modelo permitirá a los investigadores e ingenieros del futuro calcular las propiedades de un semiconductor de nanocristales incluso antes de que se produzca". Esto debería hacer posible la optimización de tales materiales para aplicaciones particulares. "Hasta ahora, esto tuvo que hacerse por ensayo y error", añade Wood.

Utilizando los resultados de los investigadores de la ETH, en el futuro se podrían desarrollar semiconductores útiles a partir de materiales de nanocristales para diversas aplicaciones en sensores, láseres o LED, también para pantallas de televisión. Dado que la composición, el tamaño y la disposición de los nanocristales pueden controlarse durante su producción, estos materiales prometen una variedad mucho más amplia de propiedades eléctricas que los semiconductores tradicionales.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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