En nanotecnología , las nanobarras son una morfología de objetos a escala nanométrica. Cada una de sus dimensiones varía de 1 a 100 nm . Pueden sintetizarse a partir de metales o materiales semiconductores. [1] Las relaciones de aspecto estándar (longitud dividida por ancho) son de 3 a 5. Las nanobarras se producen mediante síntesis química directa . Una combinación de ligandos actúa como agentes de control de forma y se une a diferentes facetas de la nanobarra con diferentes fuerzas. Esto permite que diferentes caras de la nanobarra crezcan a diferentes velocidades, produciendo un objeto alargado.
Una posible aplicación de las nanobarras es en las tecnologías de visualización, ya que la reflectividad de las barras se puede cambiar modificando su orientación con un campo eléctrico aplicado. Otra aplicación es para sistemas microelectromecánicos (MEMS). Las nanobarras, junto con otras nanopartículas de metales nobles, también funcionan como agentes terapéuticos. Las nanobarras absorben en el infrarrojo cercano y generan calor cuando se excitan con luz infrarroja. Esta propiedad ha llevado al uso de nanobarras como terapia contra el cáncer. Las nanobarras se pueden conjugar con motivos dirigidos a tumores e ingerir. Cuando un paciente se expone a la luz infrarroja (que pasa a través del tejido corporal), las nanobarras absorbidas selectivamente por las células tumorales se calientan localmente, destruyendo solo el tejido canceroso mientras que las células sanas quedan intactas.
También se han investigado nanobarras basadas en materiales semiconductores para su aplicación como dispositivos de captación de energía y emisión de luz. En 2006, Ramanathan et al. demostraron 1 fotoluminiscencia ajustable mediada por campo eléctrico a partir de nanobarras de ZnO, con potencial para su aplicación como nuevas fuentes de radiación cercana al ultravioleta.
La nanobarra de óxido de zinc (ZnO), también conocida como nanoalambre , tiene una energía de banda prohibida directa de 3,37 eV , que es similar a la del GaN , y tiene una energía de enlace de excitación de 60 meV. La banda prohibida óptica de la nanobarra de ZnO se puede ajustar cambiando la morfología , la composición, el tamaño, etc. En los últimos años, [ ¿cuándo? ] las nanobarras de ZnO se han utilizado intensamente para fabricar dispositivos electrónicos a escala nanométrica, incluidos transistores de efecto de campo , fotodetectores ultravioleta , diodos Schottky y diodos emisores de luz (LED) ultrabrillantes . Se han desarrollado varios métodos para fabricar las nanobarras de ZnO de wurtzita monocristalinas . Entre esos métodos, el crecimiento a partir de la fase de vapor es el enfoque más desarrollado. En un proceso de crecimiento típico, el vapor de ZnO se condensa sobre un sustrato sólido. El vapor de ZnO se puede generar mediante tres métodos: evaporación térmica, reducción química y método vapor-líquido-sólido (VLS). En el método de evaporación térmica, el polvo de ZnO comercial se mezcla con SnO 2 y se evapora calentando la mezcla a temperatura elevada. En el método de reducción química, el vapor de zinc, generado por la reducción de ZnO, se transfiere a la zona de crecimiento, seguido de la reoxidación a ZnO. El proceso VLS, propuesto originalmente en 1964, es el proceso más comúnmente utilizado para sintetizar nanobarras de ZnO monocristalinas. En un proceso típico, las gotas catalíticas se depositan sobre el sustrato y las mezclas de gases, incluido el vapor de Zn y una mezcla de CO/CO 2 , reaccionan en la interfaz catalizador-sustrato, seguido de la nucleación y el crecimiento. Los catalizadores metálicos típicos incluyen oro , cobre , níquel y estaño . Los nanocables de ZnO se cultivan epitaxialmente sobre el sustrato y se ensamblan en matrices de monocapa. La deposición química en fase de vapor metalorgánica ( MOCVD ) también se ha desarrollado recientemente. En este proceso no interviene ningún catalizador y la temperatura de crecimiento es de 400 ~ 500 °C, es decir, condiciones considerablemente más suaves en comparación con el método tradicional de crecimiento con vapor. [3] Además, las nanobarras de óxido metálico (ZnO, CuO, Fe 2 O 3 , V 2 O 5 , otros) se pueden fabricar simplemente calentando el metal inicial en el aire en un proceso de oxidación térmica . [4]Por ejemplo, para fabricar una "alfombra" densa de nanobarras de CuO, se descubrió que era suficiente calentar una lámina de Cu en el aire a 420 °C. Además de estos esquemas de fabricación, las nanobarras y tubos de ZnO se pueden fabricar mediante la combinación de litografía ultravioleta profunda, grabado en seco y deposición de capas atómicas (ALD). [5]
Los diodos emisores de luz de matriz de nanobarras InGaN / GaN se pueden fabricar con técnicas de grabado en seco o grabado de haz de iones enfocado. [6] Estos LED emiten luz azul o verde polarizada . [7] Las estructuras de nanobarras tridimensionales tienen una superficie de emisión más grande, lo que da como resultado una mejor eficiencia y emisión de luz en comparación con los LED planos. [8] Samsung está investigando pantallas LED de nanobarras de puntos cuánticos (QNED) impresas con tinta, con LED de nanobarras InGaN reemplazando la capa OLED orgánica en pantallas QD-OLED . [9]
El método de crecimiento mediado por semillas es el método más común y logrado para sintetizar nanobarras de oro de alta calidad. [10] Un protocolo de crecimiento típico implica la adición de nanoesferas de oro cubiertas por bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) o citrato, que sirven como semillas, a la solución de crecimiento de HAuCl 4 a granel . La solución de crecimiento se obtiene mediante la reducción de HAuCl 4 con ácido ascórbico en presencia de tensioactivo de bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) e iones de plata. Se pueden obtener nanobarras más largas (hasta una relación de aspecto de 25) en ausencia de nitrato de plata mediante el uso de un procedimiento de adición de tres pasos. En este protocolo, las semillas se agregan secuencialmente a la solución de crecimiento para controlar la tasa de deposición heterogénea y, por lo tanto, la tasa de crecimiento de los cristales.
La deficiencia de este método es la formación de nanoesferas de oro, que requiere separaciones y limpiezas no triviales. En una modificación de este método, el citrato de sodio se reemplaza con un estabilizador CTAB más fuerte en los procedimientos de nucleación y crecimiento. Aumentar el pH es otra forma de lograr nanobarras con una alta relación de aspecto (> 25:1) con un alto rendimiento (> 90%) a costa de una mayor polidispersión. [11] Otra mejora es introducir iones de plata a la solución de crecimiento, lo que da como resultado nanobarras con relaciones de aspecto inferiores a cinco con un rendimiento superior al 90%. [12] La plata, de un potencial de reducción menor que el oro, se puede reducir en la superficie de las barras para formar una monocapa mediante deposición de subpotencial. Aquí, la deposición de plata compite con la de oro, retardando así la tasa de crecimiento de facetas cristalinas específicas, lo que permite el crecimiento unidireccional y la formación de barras. Otra deficiencia de este método es la alta toxicidad del CTAB. Se han utilizado polímeros, como polietilenglicol (PEG), recubrimiento de clorhidrato de polialilamina (PAH); fibras dietéticas, como quitosano ; o biomoléculas, como fosfolípidos, para desplazar el CTAB de la superficie de la nanobarra sin afectar la estabilidad. [13] [14] [15] [16]
El intercambio catiónico es una técnica convencional pero prometedora para la síntesis de nanobarras nuevas. Las transformaciones de intercambio catiónico en nanobarras son cinéticamente favorables y a menudo conservan la forma. En comparación con los sistemas de cristales a granel, el intercambio catiónico de nanobarras es un millón de veces más rápido debido a la gran área de superficie. Las nanobarras existentes sirven como plantillas para fabricar una variedad de nanobarras que no son accesibles en la síntesis química húmeda tradicional. Además, se puede agregar complejidad mediante una transformación parcial, creando heteroestructuras de nanobarras. [17]
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