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Nanoalambre

Nanocable de seleniuro de estaño cristalino de 2×2 átomos cultivado dentro de un nanotubo de carbono de pared simple (diámetro del tubo ≈1 nm). [1]

Un nanocable es una nanoestructura en forma de alambre con un diámetro del orden de un nanómetro (10 −9  m). En términos más generales, los nanocables pueden definirse como estructuras que tienen un espesor o diámetro limitado a decenas de nanómetros o menos y una longitud sin restricciones. En estas escalas, los efectos mecánicos cuánticos son importantes, lo que dio origen al término " cables cuánticos ".

Existen muchos tipos diferentes de nanocables, incluidos los superconductores (por ejemplo, YBCO [2] ), metálicos (por ejemplo, Ni , Pt , Au , Ag ), semiconductores (por ejemplo, nanocables de silicio (SiNW) , InP , GaN ) y aislantes (por ejemplo, SiO 2 , TiO 2 ).

Los nanocables moleculares están compuestos de unidades moleculares repetidas, ya sean orgánicas (por ejemplo, ADN ) o inorgánicas (por ejemplo, Mo 6 S 9− x I x ).

Características

Imagen de HRTEM filtrada por ruido de un nanocable extremo de HgTe incrustado en el poro central de un nanocristal de núcleo de silicio de superficie de SWCNT. La imagen también está acompañada por una simulación de la estructura cristalina [3]

Los nanocables típicos presentan relaciones de aspecto (relación longitud-anchura) de 1000 o más. Por ello, suelen denominarse materiales unidimensionales (1-D). Los nanocables tienen muchas propiedades interesantes que no se observan en materiales en masa o tridimensionales. Esto se debe a que los electrones de los nanocables están confinados cuánticamente de forma lateral y, por lo tanto, ocupan niveles de energía que son diferentes del continuo tradicional de niveles o bandas de energía que se encuentran en los materiales en masa.

Una consecuencia de este confinamiento cuántico en los nanocables es que presentan valores discretos de conductancia eléctrica . Estos valores discretos surgen de una restricción mecánica cuántica sobre el número de canales de transporte electrónico a escala nanométrica, y a menudo son aproximadamente iguales a múltiplos enteros del cuanto de conductancia :

Esta conductancia es el doble del recíproco de la unidad de resistencia llamada constante de von Klitzing , R K  = 25 812 .807 45 ... Ω , [4] definido como R K = h / e 2 y llamado así por Klaus von Klitzing , el descubridor del efecto Hall cuántico entero .

Entre los ejemplos de nanocables se incluyen los nanocables moleculares inorgánicos (Mo 6 S 9− x I x , Li 2 Mo 6 Se 6 ), que pueden tener un diámetro de 0,9 nm y medir cientos de micrómetros de longitud. Otros ejemplos importantes se basan en semiconductores como InP, Si, GaN, etc., dieléctricos (p. ej. SiO 2 ,TiO 2 ) o metales (p. ej. Ni, Pt).

Existen muchas aplicaciones en las que los nanocables pueden resultar importantes en dispositivos electrónicos, optoelectrónicos y nanoelectromecánicos, como aditivos en compuestos avanzados, para interconexiones metálicas en dispositivos cuánticos a nanoescala, como emisores de campo y como conductores para nanosensores biomoleculares.

Síntesis

Una imagen SEM de heteroestructuras de nanocables epitaxiales cultivadas a partir de nanopartículas de oro catalíticas

Existen dos enfoques básicos para sintetizar nanocables: de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba . Un enfoque de arriba hacia abajo reduce una gran pieza de material a piezas pequeñas, por diversos medios, como la litografía , [5] [6] el fresado o la oxidación térmica . Un enfoque de abajo hacia arriba sintetiza el nanocable combinando los átomos constituyentes . La mayoría de las técnicas de síntesis utilizan un enfoque de abajo hacia arriba. La síntesis inicial a través de cualquiera de los métodos a menudo puede ser seguida por un paso de tratamiento térmico del nanocable , que a menudo implica una forma de oxidación autolimitante, para ajustar el tamaño y la relación de aspecto de las estructuras. [7] Después de la síntesis de abajo hacia arriba, los nanocables se pueden integrar utilizando técnicas de selección y colocación. [8]

La producción de nanocables utiliza varias técnicas de laboratorio comunes, entre ellas, la suspensión, la deposición electroquímica, la deposición de vapor y el crecimiento de nanocables de baja velocidad (VLS) . La tecnología de seguimiento de iones permite el crecimiento de nanocables homogéneos y segmentados de hasta 8 nm de diámetro. Como la velocidad de oxidación de los nanocables está controlada por el diámetro, a menudo se aplican pasos de oxidación térmica para ajustar su morfología.

Suspensión

Un nanocable suspendido es un cable producido en una cámara de alto vacío sujeta por los extremos longitudinales. Los nanocables suspendidos se pueden producir mediante:

Crecimiento de VLS

Una técnica común para crear un nanohilo es el método vapor-líquido-sólido (VLS), que fue informado por primera vez por Wagner y Ellis en 1964 para filamentos de silicio con diámetros que van desde cientos de nm a cientos de μm. [9] Este proceso puede producir nanohilos cristalinos de alta calidad de muchos materiales semiconductores, por ejemplo, los nanohilos de silicio monocristalino (SiNW) cultivados con VLS con superficies lisas podrían tener excelentes propiedades, como una elasticidad ultra grande. [10] Este método utiliza un material fuente de partículas ablacionadas con láser o un gas de alimentación como el silano .

La síntesis de VLS requiere un catalizador. Para los nanocables, los mejores catalizadores son los nanoclusters de metal líquido (como el oro ) , que pueden autoensamblarse a partir de una película fina mediante deshumectación o comprarse en forma coloidal y depositarse sobre un sustrato.

La fuente entra en estos nanocúmulos y comienza a saturarlos. Al alcanzar la supersaturación, la fuente se solidifica y crece hacia afuera del nanocúmulo. Simplemente apagando la fuente se puede ajustar la longitud final del nanocable. Al cambiar las fuentes mientras aún se encuentra en la fase de crecimiento se pueden crear nanocables compuestos con superredes de materiales alternados. Por ejemplo, un método denominado ENGRAVE (crecimiento y apariencia de nanocables codificados mediante VLS y grabado) [11] desarrollado por el Laboratorio Cahoon en UNC-Chapel Hill permite el control morfológico a escala nanométrica mediante una modulación rápida de dopantes in situ .

Una reacción en fase de vapor de un solo paso a temperatura elevada sintetiza nanocables inorgánicos como Mo 6 S 9− x I x . Desde otro punto de vista, dichos nanocables son polímeros en racimo .

De manera similar a la síntesis VLS, la síntesis VSS (vapor-sólido-sólido) de nanocables (NW) se realiza mediante la descomposición termolítica de un precursor de silicio (normalmente fenilsilano). A diferencia de la VLS, la semilla catalítica permanece en estado sólido cuando se somete al recocido a alta temperatura del sustrato. Este tipo de síntesis se utiliza ampliamente para sintetizar nanocables de siliciuro/germanuro metálico mediante aleación VSS entre un sustrato de cobre y un precursor de silicio/germanio.

Síntesis en fase de solución

La síntesis en fase de solución se refiere a técnicas que permiten hacer crecer nanocables en solución. Pueden producir nanocables de muchos tipos de materiales. La síntesis en fase de solución tiene la ventaja de que puede producir cantidades muy grandes, en comparación con otros métodos. En una técnica, la síntesis de poliol , el etilenglicol es a la vez disolvente y agente reductor. Esta técnica es particularmente versátil para producir nanocables de oro, [12] plomo, platino y plata.

El método de crecimiento fluido-líquido-sólido supercrítico [13] [14] se puede utilizar para sintetizar nanocables semiconductores, por ejemplo, Si y Ge. Al utilizar nanocristales metálicos como semillas, [15] los precursores organometálicos de Si y Ge se introducen en un reactor lleno de un disolvente orgánico supercrítico, como tolueno . La termólisis produce la degradación del precursor, lo que permite la liberación de Si o Ge y la disolución en los nanocristales metálicos. A medida que se añade más soluto semiconductor desde la fase supercrítica (debido a un gradiente de concentración), precipita un cristalito sólido y un nanocable crece uniaxialmente a partir de la semilla del nanocristal.

Autoensamblaje inducido por puente líquido

Se han formado nanocables de proteínas en la seda de araña haciendo rodar una gota de solución de seda de araña sobre una estructura de pilar superhidrofóbica. [16] [17]

Crecimiento no catalítico

Observación in situ del crecimiento de nanocables de CuO

La gran mayoría de los mecanismos de formación de nanocables se explican mediante el uso de nanopartículas catalíticas, que impulsan el crecimiento de los nanocables y que se añaden de forma intencionada o se generan durante el crecimiento. Sin embargo, los nanocables también se pueden cultivar sin la ayuda de catalizadores, lo que ofrece la ventaja de los nanocables puros y minimiza el número de pasos tecnológicos. Los mecanismos para el crecimiento sin catalizador de los nanocables (o filamentos) se conocían desde la década de 1950. [18]

Los métodos más simples para obtener nanocables de óxido metálico utilizan el calentamiento ordinario de los metales, por ejemplo, el alambre de metal calentado con batería, por calentamiento Joule en aire [19] se puede hacer fácilmente en casa. La formación espontánea de nanocables por métodos no catalíticos se explicó por la dislocación presente en direcciones específicas [20] [21] o la anisotropía de crecimiento de varias caras de cristal . Más recientemente, después del avance de la microscopía, se demostró el crecimiento de nanocables impulsado por dislocaciones de tornillo [22] [23] o límites gemelos [24] . La imagen de la derecha muestra un crecimiento de una sola capa atómica en la punta de un nanocable de CuO, observado por microscopía TEM in situ durante la síntesis no catalítica de nanocables.

Los nanocables a escala atómica también pueden formarse completamente autoorganizados sin necesidad de defectos. Por ejemplo, los nanocables de siliciuro de tierras raras (RESi 2 ) de unos pocos nm de ancho y altura y varios de 100 nm de longitud se forman sobre sustratos de silicio ( 001 ) que están cubiertos con una submonocapa de un metal de tierras raras y posteriormente recocidos. [25] Las dimensiones laterales de los nanocables confinan los electrones de tal manera que el sistema se asemeja a un metal (cuasi)unidimensional. [26] Los nanocables metálicos RESi 2 también se forman sobre silicio ( hhk ). Este sistema permite ajustar la dimensionalidad entre bidimensional y unidimensional mediante la cobertura y el ángulo de inclinación del sustrato. [27]

Síntesis de nanocables metálicos a partir de ADN

Un campo emergente es el uso de cadenas de ADN como andamiajes para la síntesis de nanocables metálicos. Este método se investiga tanto para la síntesis de nanocables metálicos en componentes electrónicos como para aplicaciones de biodetección, en las que permiten la transducción de una cadena de ADN en un nanocable metálico que se puede detectar eléctricamente. Normalmente, las cadenas de ssDNA se estiran, tras lo cual se decoran con nanopartículas metálicas que se han funcionalizado con cadenas cortas de ssDNA complementarias. [28] [29] [30] [31]

Litografía con máscara de sombras definidas por grietas

Recientemente se ha informado de un método sencillo para producir nanocables con geometrías definidas utilizando litografía óptica convencional. [32] En este enfoque, se utiliza la litografía óptica para generar nanoespacios utilizando la formación controlada de grietas. [33] Estos nanoespacios se utilizan luego como máscara de sombra para generar nanocables individuales con longitudes y anchos precisos. Esta técnica permite producir nanocables individuales por debajo de los 20 nm de ancho de forma escalable a partir de varios materiales metálicos y de óxido metálico.

Física

Conductividad

Una imagen SEM de un alambre de níquel de 15 micrómetros

Varias razones físicas predicen que la conductividad de un nanohilo será mucho menor que la del material a granel correspondiente. En primer lugar, existe la dispersión de los límites del hilo, cuyo efecto será muy significativo siempre que el ancho del hilo sea inferior al recorrido libre medio de los electrones libres del material a granel. En el cobre, por ejemplo, el recorrido libre medio es de 40 nm. Los nanohilos de cobre de menos de 40 nm de ancho acortarán el recorrido libre medio con respecto al ancho del hilo. Los nanohilos de plata tienen una conductividad eléctrica y térmica muy diferente a la de la plata a granel. [34]

Los nanocables también presentan otras propiedades eléctricas peculiares debido a su tamaño. A diferencia de los nanotubos de carbono de pared simple, cuyo movimiento de electrones puede caer bajo el régimen de transporte balístico (lo que significa que los electrones pueden viajar libremente de un electrodo a otro), la conductividad de los nanocables está fuertemente influenciada por los efectos de borde. Los efectos de borde provienen de átomos que se encuentran en la superficie del nanocable y no están completamente unidos a átomos vecinos como los átomos dentro de la masa del nanocable. Los átomos no unidos son a menudo una fuente de defectos dentro del nanocable y pueden hacer que el nanocable conduzca la electricidad peor que el material en masa. A medida que un nanocable se encoge en tamaño, los átomos de la superficie se vuelven más numerosos en comparación con los átomos dentro del nanocable y los efectos de borde se vuelven más importantes. [ cita requerida ]

La conductancia en un nanocable se describe como la suma del transporte por canales separados , cada uno con una función de onda electrónica diferente normal al cable. Cuanto más delgado es el cable, menor es el número de canales disponibles para el transporte de electrones. Como resultado, los cables que tienen solo uno o unos pocos átomos de ancho exhiben cuantificación de la conductancia: es decir, la conductancia solo puede asumir valores discretos que son múltiplos del cuántico de conductancia G 0 = 2 e 2 / h (donde e es la carga elemental y h es la constante de Planck ) (ver también efecto Hall cuántico ). Esta cuantificación se ha observado midiendo la conductancia de un nanocable suspendido entre dos electrodos mientras se tira de él progresivamente más largo: a medida que su diámetro se reduce, su conductividad disminuye de manera escalonada y las mesetas corresponden aproximadamente a múltiplos de G 0 . [35] [36]

La cuantificación de la conductividad es más pronunciada en semiconductores como Si o GaAs que en metales, debido a su menor densidad electrónica y menor masa efectiva. Se puede observar en aletas de silicio de 25 nm de ancho y da como resultado un aumento del voltaje umbral . En términos prácticos, esto significa que un MOSFET con tales aletas de silicio a escala nanométrica, cuando se utiliza en aplicaciones digitales, necesitará un voltaje de compuerta (de control) más alto para encender el transistor. [37]

Soldadura

Para incorporar la tecnología de nanocables a las aplicaciones industriales, en 2008 los investigadores desarrollaron un método para soldar nanocables entre sí: se coloca un nanocable metálico de sacrificio junto a los extremos de las piezas que se van a unir (utilizando los manipuladores de un microscopio electrónico de barrido ); luego se aplica una corriente eléctrica, que fusiona los extremos del cable. La técnica fusiona cables tan pequeños como 10 nm. [38]

Para nanocables con diámetros inferiores a 10 nm, las técnicas de soldadura existentes, que requieren un control preciso del mecanismo de calentamiento y que pueden introducir la posibilidad de daño, no serán prácticas. Recientemente, los científicos descubrieron que los nanocables de oro ultrafinos monocristalinos con diámetros ≈ 3–10 nm se pueden "soldar en frío" en cuestión de segundos solo por contacto mecánico y bajo presiones aplicadas notablemente bajas (a diferencia del proceso de soldadura en frío a escala macro y micro ). [39] La microscopía electrónica de transmisión de alta resolución y las mediciones in situ revelan que las soldaduras son casi perfectas, con la misma orientación de los cristales, resistencia y conductividad eléctrica que el resto del nanocable. La alta calidad de las soldaduras se atribuye a las dimensiones de la muestra a escala nanométrica, los mecanismos de unión orientada y la rápida difusión superficial asistida mecánicamente . También se demostraron soldaduras de nanocables entre oro y plata, y nanocables de plata (con diámetros ≈ 5–15 nm) a temperatura cercana a la ambiente, lo que indica que esta técnica puede ser de aplicación general para nanocables metálicos ultrafinos. Combinada con otras tecnologías de nano y microfabricación, [40] [41] se prevé que la soldadura en frío tenga aplicaciones potenciales en el futuro ensamblaje de abajo hacia arriba de nanoestructuras unidimensionales metálicas.

Propiedades mecánicas

Simulación de fractura de nanocables

El estudio de la mecánica de nanocables ha experimentado un auge desde la aparición del microscopio de fuerza atómica (AFM) y las tecnologías asociadas que han permitido el estudio directo de la respuesta del nanocable a una carga aplicada. [42] En concreto, un nanocable se puede sujetar por un extremo y el extremo libre desplazarse mediante una punta de AFM. En esta geometría en voladizo, la altura del AFM se conoce con precisión y la fuerza aplicada se conoce con precisión. Esto permite la construcción de una curva de fuerza frente a desplazamiento, que se puede convertir en una curva de tensión frente a deformación si se conocen las dimensiones del nanocable. A partir de la curva de tensión-deformación, se puede derivar la constante elástica conocida como módulo de Young , así como la tenacidad y el grado de endurecimiento por deformación .

Módulo de Young

La curva de tensión-deformación proporciona todas las propiedades mecánicas relevantes, incluyendo: módulo de tracción, límite elástico, resistencia máxima a la tracción y resistencia a la fractura.

El componente elástico de la curva de tensión-deformación descrita por el módulo de Young se ha informado para nanocables, sin embargo, el módulo depende muy fuertemente de la microestructura. Por lo tanto, falta una descripción completa de la dependencia del módulo con el diámetro. Analíticamente, se ha aplicado la mecánica de medios continuos para estimar la dependencia del módulo con el diámetro: en tensión, donde es el módulo volumétrico, es el espesor de una capa de cubierta en la que el módulo depende de la superficie y varía con respecto al volumen, es el módulo superficial y es el diámetro. [42] Esta ecuación implica que el módulo aumenta a medida que disminuye el diámetro. Sin embargo, varios métodos computacionales como la dinámica molecular han predicho que el módulo debería disminuir a medida que disminuye el diámetro.

Experimentalmente, se ha demostrado que los nanocables de oro tienen un módulo de Young que es efectivamente independiente del diámetro. [43] De manera similar, se aplicó la nanoindentación para estudiar el módulo de los nanocables de plata, y nuevamente se encontró que el módulo era 88 GPa, muy similar al módulo de plata a granel (85 GPa) [44] Estos trabajos demostraron que la dependencia del módulo determinada analíticamente parece suprimirse en muestras de nanocables donde la estructura cristalina se parece mucho a la del sistema a granel.

Por el contrario, se han estudiado los nanocables sólidos de Si y se ha demostrado que tienen un módulo decreciente con el diámetro [45]. Los autores de ese trabajo informan un módulo de Si que es la mitad del valor en masa y sugieren que la densidad de defectos puntuales y/o la pérdida de estequiometría química pueden explicar esta diferencia.

Fuerza de fluencia

El componente plástico de la curva de tensión-deformación (o más precisamente el inicio de la plasticidad) se describe por la resistencia a la fluencia . La resistencia de un material aumenta al disminuir el número de defectos en el sólido, lo que ocurre naturalmente en nanomateriales donde el volumen del sólido se reduce. A medida que un nanoalambre se encoge a una sola línea de átomos, la resistencia debería aumentar teóricamente hasta la resistencia a la tracción molecular. [42] Los nanoalambres de oro se han descrito como de "resistencia ultraalta" debido al aumento extremo en la resistencia a la fluencia, que se acerca al valor teórico de E /10. [43] Se ha determinado que este enorme aumento en la fluencia se debe a la falta de dislocaciones en el sólido. Sin movimiento de dislocación, está en funcionamiento un mecanismo de "inanición de dislocación". En consecuencia, el material puede experimentar enormes tensiones antes de que sea posible el movimiento de dislocación, y luego comienza a endurecerse por deformación. Por estas razones, los nanoalambres (históricamente descritos como "bigotes") se han utilizado ampliamente en compuestos para aumentar la resistencia general de un material. [42] Además, los nanocables continúan siendo estudiados activamente, con investigaciones que apuntan a traducir las propiedades mecánicas mejoradas a nuevos dispositivos en los campos de MEMS o NEMS .

Posibles aplicaciones

Dispositivos electrónicos

Resultado de simulación atomística para la formación de un canal de inversión (densidad electrónica) y la obtención del voltaje umbral (IV) en un MOSFET de nanohilos. Nótese que el voltaje umbral para este dispositivo se encuentra alrededor de 0,45 V

Se han propuesto nanocables para su uso como MOSFET ( transistores de efecto de campo MOS ). Los transistores MOS se utilizan ampliamente como elementos de construcción fundamentales en los circuitos electrónicos actuales. [46] [47] Como predice la ley de Moore , la dimensión de los transistores MOS se está reduciendo cada vez más hasta la nanoescala. Uno de los desafíos clave de la construcción de futuros transistores MOS a nanoescala es garantizar un buen control de la compuerta sobre el canal. En general, tener una compuerta más ancha en relación con la longitud total del transistor permite un mayor control de la compuerta. Por lo tanto, la alta relación de aspecto de los nanocables permite potencialmente un buen control de la compuerta.

Debido a su estructura unidimensional con propiedades ópticas inusuales, los nanocables son de interés para los dispositivos fotovoltaicos. [48] En comparación con sus contrapartes a granel, las células solares de nanocables son menos sensibles a las impurezas debido a la recombinación a granel y, por lo tanto, se pueden usar obleas de silicio con menor pureza para lograr una eficiencia aceptable, lo que conduce a la reducción del consumo de material. [49]

Después de construir las uniones pn con nanocables, el siguiente paso lógico fue construir puertas lógicas . Al conectar varias uniones pn entre sí, los investigadores han podido crear la base de todos los circuitos lógicos: las puertas AND , OR y NOT se han construido a partir de cruces de nanocables semiconductores.

En agosto de 2012, los investigadores informaron que habían construido la primera compuerta NAND a partir de nanocables de silicio sin dopar. Esto evita el problema de cómo lograr un dopaje preciso de los nanocircuitos complementarios, que aún no se ha resuelto. Pudieron controlar la barrera Schottky para lograr contactos de baja resistencia colocando una capa de siliciuro en la interfaz metal-silicio. [50]

Es posible que los cruces de nanocables semiconductores sean importantes para el futuro de la informática digital. Aunque existen otros usos para los nanocables más allá de estos, los únicos que realmente aprovechan la física en el régimen nanométrico son los electrónicos. [51]

Además, también se están estudiando nanocables para su uso como guías de ondas balísticas de fotones como interconexiones en matrices lógicas de fotones de puntos cuánticos y pozos de efectos cuánticos. Los fotones viajan dentro del tubo, los electrones viajan por la capa exterior.

Cuando dos nanocables que actúan como guías de ondas de fotones se cruzan, la unión actúa como un punto cuántico .

Los nanocables conductores ofrecen la posibilidad de conectar entidades a escala molecular en una computadora molecular. Se están investigando dispersiones de nanocables conductores en diferentes polímeros para su uso como electrodos transparentes para pantallas planas flexibles.

Debido a sus elevados módulos de Young , se está investigando su uso para mejorar mecánicamente los compuestos. Como los nanocables aparecen en haces, se pueden utilizar como aditivos tribológicos para mejorar las características de fricción y la fiabilidad de los transductores y actuadores electrónicos.

Debido a su alta relación de aspecto, los nanocables también son adecuados para la manipulación dielectroforética , [52] [53] [54] que ofrece un enfoque de abajo hacia arriba y de bajo costo para integrar nanocables de óxido metálico dieléctrico suspendidos en dispositivos electrónicos como sensores de UV, vapor de agua y etanol. [55]

Debido a su gran relación superficie-volumen, las reacciones fisicoquímicas se facilitan en la superficie de los nanocables. [56]

Dispositivos de nanocables individuales para detección de gases y sustancias químicas

La alta relación de aspecto de los nanocables hace que estas nanoestructuras sean adecuadas para la detección electroquímica con el potencial de una máxima sensibilidad. Uno de los desafíos para el uso de nanocables en productos comerciales está relacionado con el aislamiento, la manipulación y la integración de los nanocables en un circuito eléctrico cuando se utiliza el enfoque convencional y manual de selección y colocación, lo que conduce a un rendimiento muy limitado. Los desarrollos recientes en los métodos de síntesis de nanocables ahora permiten la producción paralela de dispositivos de nanocables individuales con aplicaciones útiles en electroquímica, fotónica y detección de gases y biodetección. [32]

Láseres de nanocables

Láseres de nanocables para transmisión ultrarrápida de información en pulsos de luz

Los láseres de nanocables son láseres a escala nanométrica con potencial como interconectores ópticos y comunicación de datos ópticos en chip. Los láseres de nanocables se construyen a partir de heteroestructuras semiconductoras III-V, el alto índice de refracción permite una baja pérdida óptica en el núcleo del nanocable. Los láseres de nanocables son láseres de sublongitud de onda de solo unos pocos cientos de nanómetros. [57] [58] Los láseres de nanocables son cavidades de resonador Fabry-Perot definidas por las facetas finales del cable con alta reflectividad, los desarrollos recientes han demostrado tasas de repetición superiores a 200 GHz que ofrecen posibilidades para comunicaciones ópticas a nivel de chip. [59] [60]

Detección de proteínas y sustancias químicas mediante nanocables semiconductores

De manera análoga a los dispositivos FET en los que la modulación de la conductancia (flujo de electrones/huecos) en el semiconductor, entre los terminales de entrada (fuente) y salida (drenaje), está controlada por la variación del potencial electrostático (puerta-electrodo) de los portadores de carga en el canal de conducción del dispositivo, la metodología de un Bio/Chem-FET se basa en la detección del cambio local en la densidad de carga, o el llamado "efecto de campo", que caracteriza el evento de reconocimiento entre una molécula objetivo y el receptor de superficie.

Este cambio en el potencial de superficie influye en el dispositivo Chem-FET exactamente como lo hace un voltaje de "puerta", lo que lleva a un cambio detectable y medible en la conducción del dispositivo. Cuando estos dispositivos se fabrican utilizando nanocables semiconductores como elemento transistor, la unión de una especie química o biológica a la superficie del sensor puede llevar al agotamiento o acumulación de portadores de carga en la "masa" del nanocable de diámetro nanométrico (es decir, pequeña sección transversal disponible para canales de conducción). Además, el cable, que sirve como canal conductor ajustable, está en estrecho contacto con el entorno de detección del objetivo, lo que lleva a un tiempo de respuesta corto, junto con un aumento de órdenes de magnitud en la sensibilidad del dispositivo como resultado de la enorme relación S/V de los nanocables.

Si bien se han utilizado varios materiales semiconductores inorgánicos como Si, Ge y óxidos metálicos (por ejemplo, In2O3 , SnO2 , ZnO , etc.) para la preparación de nanocables, el Si suele ser el material de elección para fabricar sensores químicos/biosensores basados ​​en FET de nanocables. [61]

Algunos ejemplos del uso de dispositivos de detección de nanocables de silicio (SiNW) incluyen la detección ultrasensible y en tiempo real de proteínas biomarcadoras del cáncer, la detección de partículas virales individuales y la detección de materiales explosivos nitroaromáticos como el 2,4,6-tri-nitrotolueno (TNT) en sensibilidades superiores a las de los caninos. [62] Los nanocables de silicio también podrían usarse en su forma retorcida, como dispositivos electromecánicos, para medir fuerzas intermoleculares con gran precisión. [63]

Limitaciones de la detección connanohilo de silicioDispositivos FET

En general, las cargas en las moléculas y macromoléculas disueltas son analizadas por contraiones disueltos, ya que en la mayoría de los casos las moléculas unidas a los dispositivos están separadas de la superficie del sensor por aproximadamente 2-12 nm (el tamaño de las proteínas receptoras o los enlaces de ADN unidos a la superficie del sensor). Como resultado de la selección, el potencial electrostático que surge de las cargas en la molécula de analito decae exponencialmente hacia cero con la distancia. Por lo tanto, para una detección óptima, la longitud de Debye debe seleccionarse cuidadosamente para las mediciones FET de nanoalambres. Un enfoque para superar esta limitación emplea la fragmentación de las unidades de captura de anticuerpos y el control sobre la densidad del receptor de superficie, lo que permite una unión más íntima al nanoalambre de la proteína objetivo. Este enfoque resultó útil para mejorar drásticamente la sensibilidad de la detección de biomarcadores cardíacos (por ejemplo, troponina ) directamente del suero para el diagnóstico de infarto agudo de miocardio. [64]

Transferencia asistida por nanocables de muestras TEM sensibles

Para una introducción mínima de estrés y flexión en muestras de microscopía electrónica de transmisión (TEM) ( láminas , películas delgadas y otras muestras sensibles a los mecanismos y al haz), cuando se transfieren dentro de un haz de iones enfocado (FIB), se pueden unir nanocables metálicos flexibles a un micromanipulador típicamente rígido .

Las principales ventajas de este método incluyen una reducción significativa del tiempo de preparación de la muestra (soldadura y corte rápidos de nanocables con corriente de haz baja) y la minimización de la flexión inducida por estrés, la contaminación de Pt y el daño del haz de iones. [65] Esta técnica es particularmente adecuada para la preparación de muestras de microscopía electrónica in situ .

Nanocables similares al maíz

El nanohilo de tipo maíz es un nanohilo unidimensional con nanopartículas interconectadas en la superficie, lo que proporciona un gran porcentaje de facetas reactivas. Los nanohilos de tipo maíz de TiO2 se prepararon por primera vez mediante un concepto de modificación de superficie utilizando un mecanismo de estrés por tensión superficial a través de dos operaciones hidrotermales consecutivas, y mostraron un aumento del 12 % en la eficiencia de la célula solar sensibilizada con colorante en la capa de dispersión de luz. [66] También se han informado anteriormente nanohilos de tipo maíz de CdSe cultivados por deposición en baño químico y fotocatalizadores de tipo maíz de γ-Fe2O3 @ SiO2 @ TiO2 inducidos por interacciones de dipolo magnético. [ 67] [68]

Véase también

Referencias

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