La ingeniería de brecha de banda es el proceso de controlar o alterar la brecha de banda de un material. Esto se hace típicamente en semiconductores controlando la composición de aleaciones, construyendo materiales en capas con composiciones alternas o induciendo tensión epitaxial o topológicamente. Una brecha de banda es el rango en un sólido donde no puede existir ningún estado electrónico. La brecha de banda de los aislantes es mucho mayor que en los semiconductores. Los conductores o metales tienen una brecha de banda mucho más pequeña o inexistente que los semiconductores, ya que las bandas de valencia y conducción se superponen. Controlar la brecha de banda permite la creación de propiedades eléctricas deseables.
La epitaxia de haz molecular es una técnica utilizada para construir películas epitaxiales delgadas de materiales que van desde óxidos hasta semiconductores y metales. Diferentes haces de átomos y moléculas en un entorno de ultra alto vacío se disparan sobre un cristal casi atómicamente limpio, creando un efecto de capas. Este es un tipo de deposición de película delgada . Los semiconductores son el material más utilizado debido a su uso en electrónica. Tecnologías como dispositivos de pozo cuántico, superredes y láseres son posibles con MBE. Las películas epitaxiales son útiles debido a su capacidad de producirse con propiedades eléctricas diferentes a las del sustrato, ya sea mayor pureza o menos defectos o con una concentración diferente de impurezas eléctricamente activas según se desee. [1] Variar la composición del material altera la brecha de banda debido a la unión de diferentes átomos con diferentes brechas de nivel de energía.
Los materiales semiconductores pueden alterarse mediante la inducción de deformación a partir de tamaños y formas ajustables debido a los efectos de confinamiento cuántico . Es posible lograr un rango de banda prohibida ajustable más amplio debido al alto límite elástico de las nanoestructuras semiconductoras (Guerra, [2] y Guerra y Vezenov [3] ). La deformación es la relación entre la extensión y la longitud original, y se puede utilizar en la nanoescala. [4] [5]
Thulin y Guerra (2008) [6] cuantificaron teóricamente un método de inducción de tensión que utilizaron para diseñar las propiedades materiales de la titania anatasa. Estudiaron su estructura de banda electrónica en un rango de tensión biaxial utilizando tanto la teoría funcional de la densidad dentro de la aproximación de gradiente generalizado (GGA) como cálculos de teoría de cuasipartículas dentro de la aproximación GW. Encontraron que el material modificado por tensión es adecuado para su uso como un fotoánodo de alta eficiencia en una celda fotoelectroquímica. Realizaron un seguimiento de los cambios en la brecha de banda y las masas efectivas de los portadores de carga frente a la presión total asociada con la red deformada. Tanto la GGA como la aproximación GW predicen una relación lineal entre el cambio en la brecha de banda y la presión total, pero encontraron que la GGA subestima la pendiente en más del 57% con respecto al resultado de la aproximación GW de 0,0685 eV/GPa.
Los nanocables de ZnO se utilizan en nanogeneradores, transistores de efecto de campo de nanocables , diodos piezoeléctricos y sensores químicos. Se han realizado varios estudios sobre el efecto de la tensión en diferentes propiedades físicas. Los nanocables de ZnO dopados con Sb experimentan una variación en la resistencia cuando se exponen a la tensión. La tensión de flexión puede inducir un aumento en la conductancia eléctrica. La tensión también puede inducir un cambio en las propiedades de transporte y una variación de la brecha de banda. Al correlacionar estos dos efectos bajo experimentación, se puede generar la variación de las propiedades de transporte como una función de la brecha de banda. Las mediciones eléctricas se obtienen utilizando un sistema de sondeo de microscopio de efecto túnel de barrido- microscopio electrónico de transmisión . [4]
Cuando las cintas de grafeno generadas litográficamente se confinan lateralmente en carga, se crea una brecha de energía cerca del punto de neutralidad de carga. Cuanto más estrechas sean las cintas, mayores serán las aberturas de brecha de energía en función de la conductancia dependiente de la temperatura . Una cinta estrecha se considera un sistema cuasi unidimensional en el que se espera una apertura de brecha de banda de energía. Se extraen mecánicamente láminas individuales de grafeno de cristales de grafito a granel sobre un sustrato de silicio y se ponen en contacto con electrodos de metal Cr/Au. Se hila silsesquioxano de hidrógeno sobre las muestras para formar una máscara de grabado y luego se utiliza plasma de oxígeno para grabar el grafeno desprotegido. [7]