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Observan cómo se forma un 'supercristal' semiconductor a partir de nanocristales

El material, creado hace dos años, sigue un mecanismo observado hasta ahora sólo en los metales


Científicos de Países Bajos crearon hace dos años un 'supercristal' semiconductor en el que los electrones se mueven casi a la velocidad de los fotones, y que es ideal para la electrónica ultrarrápida. Ahora han descubierto cómo se forma: mediante un mecanismo que hasta ahora solo se había observado en los metales, en el que los nanocristales forman estructuras hexagonales y se encajan entre sí como bloques de Lego.




Formación del 'supercristal': los nanocristales parecen formar una estructura hexagonal en la superficie del agua (el refrigerante), cuando se evapora el fluido oleaginoso. Fuente: Universidad de Utrecht.
Formación del 'supercristal': los nanocristales parecen formar una estructura hexagonal en la superficie del agua (el refrigerante), cuando se evapora el fluido oleaginoso. Fuente: Universidad de Utrecht.
Hace dos años, un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Utrecht (Países Bajos) publicó un artículo en Science explicando cómo habían creado un material con características electrónicas únicas y muy interesantes. En este supercristal, los electrones se mueven casi a la velocidad de los fotones, y la corriente eléctrica se puede encender y apagar, porque es un semiconductor. Esto lo hace ideal para la electrónica ultrarrápida.

Pero en aquel momento, los investigadores no sabían explicar cómo conseguía este supercristal su singular estructura. Ahora han desentrañado el misterio, y parece tener que ver con un mecanismo de formación de cristales completamente diferente a lo conocido en este tipo de materiales, lo cual abre importantes posibilidades para la investigación de nuevos materiales con características electrónicas únicas. Los resultados de su investigación se han publicado en Nature Materials.

El supercristal se desarrolla cuando diminutos nanocristales de seleniuro de plomo (II) forman una superficie perfectamente ordenada de una capa de grosor. En esta supermatriz, la estructura de los átomos -A, B, A, B- sigue precisamente la de los propios nanocristales. "Pero cómo una supermatriz tan pulcramente ordenada podría nacer de todos esos nanocristales era algo incomprensible para nosotros", dice Daniel Vanmaekelbergh, de la Universidad de Utrecht, en la nota de prensa de ésta. "Ahora que tenemos una idea de cómo se forma la matriz, podemos realizar una investigación mucho más centrada en cómo podemos construir las estructuras que nos gustaría tener."

El misterio

Para hacer la superestructura, los nanocristales se disuelven en un líquido oleaginoso que flota sobre una capa de refrigerante. Cuando se evapora el aceite, los nanocristales parecen formar una estructura hexagonal ordenada en la superficie del agua. Pero de acuerdo con Vanmaekelbergh, algo misterioso ocurre: los nanocristales giran simultáneamente y de manera sistemática en una estructura seudo-hexagonal. "Es como si fueran nadadores sincronizados", explica.

Es entonces cuando hacen contacto, y los nanocristales se encajan como bloques de Lego para formar una superficie perfecta de una sola capa. Hasta ahora, este mecanismo sólo se ha observado en los metales, que son un material completamente diferente.

El equipo de investigación. Fuente: Universidad de Utrecht.
El equipo de investigación. Fuente: Universidad de Utrecht.
Semiconductores

No fue fácil para los investigadores determinar este sorprendente mecanismo, dado que los nanocristales son demasiado pequeños para ser observadas con un microscopio óptico. Los doctorandos Jaco Geuchies y Carlo van Overbeek desarrollaron un experimento que siguió la formación de la superestructura utilizando radiación de rayos X. Con cada cambio en la estructura, la radiación de rayos X se refractaba de una manera diferente. Los investigadores podían entonces deducir el movimiento de los nanocristales de los cambios en la refracción.

Los nanocristales utilizados son semiconductores que idealmente sirven para encender y apagar corrientes eléctricas. Formr superestructuras perfectas específicas a partir de este tipo de nanocristales puede aumentar drásticamente la velocidad de la corriente electrónica a través del material.

El grafeno es quizás el material actual que ofrece una velocidad actual más espectacular, pero no es adecuado para su uso en interruptores electrónicos. Así que los investigadores fueron en busca de un material con una estructura similar a la del grafeno, pero con átomos o nanocristales que tienen mejores características para los interruptores electrónicos: el seleniuro de plomo (II).

Referencia bibliográfica:

Jaco J. Geuchies, Carlo van Overbeek, Wiel H. Evers, Bart Goris, Annick de Backer, Anjan P. Gantapara, Freddy T. Rabouw, Jan Hilhorst, Joep L. Peters, Oleg Konovalov, Andrei V. Petukhov, Marjolein Dijkstra, Laurens D. A. Siebbeles, Sandra van Aert, Sara Bals, Daniel Vanmaekelbergh: In situ study of the formation mechanism of two-dimensional superlattices from PbSe nanocrystals. Nature Materials (2016). DOI: 10.1038/NMAT4746

Viernes, 30 de Septiembre 2016
Universidad de Utrecht/T21
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