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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

18

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.

25

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.