Los nanotubos de nitruro de galio (GaNNT) son nanotubos de nitruro de galio que se pueden cultivar mediante deposición química en fase de vapor (diámetros de 30 a 250 nm). [1] [2] [3]
El 10 de abril de 2003, Peidong Yang y su equipo de investigación del Departamento de Química de la Universidad de Berkeley fueron los primeros en sintetizar nanotubos de nitruro de galio monocristalino . [3] La síntesis se logró creando inicialmente nanocables a partir de cristales puros de óxido de cinc sobre una oblea de zafiro mediante un proceso que Yang y sus colegas crearon previamente llamado fundición epitaxial. Estos nanocables de óxido de cinc se utilizaron luego como plantillas sobre las que se cultivaron cristales de nitruro de galio mediante deposición química de vapor . [3] Una vez formados los cristales de nitruro de galio, se aplicó calor a la oblea de zafiro para permitir la vaporización de los núcleos de nanocables de óxido de cinc. Esto dejó nanotubos huecos de nitruro de galio, ya que el nitruro de galio es un material mucho más estable térmicamente en comparación con el óxido de cinc. Los nanotubos de nitruro de galio resultantes fueron uniformes en longitudes de 2-5 μm y 30-200 nm de diámetro. [3]
Los GaNNT son una forma de material unidimensional análogo a los nanotubos de carbono , mucho más conocidos . El análisis experimental y teórico de los GaNNT ha demostrado que estos nanotubos se pueden construir con un diámetro de 30-250 nm y un espesor de pared de 5-100 nm. [3] [2] Los GaNNT también difieren en cómo se "enrollan" los tubos. Los rollos se clasifican por cómo se dobla la estructura molecular y utilizan un formato (n, m) para determinar cómo se dobló el tubo para darle forma. Las dos formaciones más comunes son la de zigzag, que tiene una curvatura (n, 0), y la de sillón, que tiene una curvatura (n, n). Tanto el tamaño de los nanotubos como el enrollado del nanotubo juegan un papel en las propiedades de cualquier GaNNT dado.
Las propiedades estructurales de un nanotubo GaNNT comienzan con la constante de red , c, de la celda unitaria de un nanotubo GaNNT. La constante de red depende de la longitud de enlace de los átomos. Para una forma en zigzag, c = 3 - (longitud de enlace), mientras que para la forma de sillón, c = √ 3 - (longitud de enlace). Una evaluación teórica ha determinado que las longitudes de enlace óptimas son 1,92 angstroms y 1,88 angstroms para nanotubos en zigzag y sillón respectivamente. Esta geometría de tubo permanece estable a través de un rango de temperatura muy amplio, desde justo por encima de 0 K hasta 800 K. [3]
El intervalo de banda de los GaNNT depende tanto del enrollamiento como del tamaño de un nanotubo en particular. Se descubrió que un GaNNT en zigzag tendría un intervalo de banda directo, mientras que un GaNNT en sillón tendría un intervalo de banda indirecto. Además, el intervalo de banda aumenta con el aumento del radio. Sin embargo, mientras que para un GaNNT en zigzag el intervalo de banda aumentaría significativamente, un GaNNT en sillón tendría su intervalo de banda aumentando solo ligeramente. Una vacante de nitrógeno en la estructura, que si bien es energéticamente desfavorable es más probable que una vacante de galio, da como resultado una banda que depende de los estados de espín de los electrones. La banda para electrones de espín hacia abajo crea una banda vacía por encima del nivel de Fermi y aumenta el intervalo de banda, mientras que la banda para electrones de espín hacia arriba crea una banda llena por debajo del nivel de Fermi y disminuye el intervalo de banda. Esta división de banda dependiente del espín hace que los GaNNT sean un candidato potencial para los sistemas de computación espintrónica . [2]
Las propiedades mecánicas de los GaNNT se ven influenciadas por el movimiento de los nanotubos, aunque no está claro si el tamaño de los nanotubos también influye. Se calculó que el módulo de Young era de 793 GPa para un nanotubo de sillón (5,5), mientras que para un nanotubo en zigzag (9,0) se calculó que era de 721 GPa. Para los nanotubos de sillón (5,5) y (9,0), otros valores calculados incluyen la resistencia máxima a la tracción de 4,25 y 3,43 eV/Angstrom, la deformación crítica fue de 14,6% y 13,3%, y el coeficiente de Poisson fue de 0,263 y 0,221 respectivamente. Se supone que las propiedades para cualquier nanotubo (n, m) intermedio tendrían una propiedad en algún lugar de esos rangos. [4]
Las propiedades mecánicas también se ven influenciadas por la temperatura del material y la velocidad de deformación a la que se somete el nanotubo. En cuanto a la temperatura, la resistencia a la tracción de un GaNNT disminuye a mayor temperatura. A temperaturas más altas, más moléculas poseen suficiente energía para superar la barrera de energía de activación , lo que da como resultado una deformación a menores deformaciones. La velocidad de deformación del material hace que haya una resistencia a la tracción reducida cuando la velocidad de deformación es menor. Esto se debe a que el material no está bajo una tensión constante en todo momento, lo que da como resultado que algunas ubicaciones del material tengan tensiones más altas que otras. La velocidad de deformación más lenta permite que el GaNNT tenga más tiempo para inducir deformaciones locales adecuadas y, por lo tanto, la deformación plástica se produce antes. Esto significa que una velocidad de deformación más lenta da como resultado una resistencia a la tracción menor. [4]
Los nanotubos de nitruro de galio (GaN) se forman principalmente de una de dos maneras: utilizando un método dirigido por plantilla o crecimiento vapor-sólido (VS).
El método de plantilla utiliza un nanohilo hexagonal de óxido de zinc (ZnO) como plantilla. Mediante deposición química de vapor , se depositan capas delgadas de GaN sobre las plantillas, creando un molde a partir del crecimiento epitaxial . Las plantillas de nanohilos de ZnO se eliminan luego por reducción térmica y evaporación. Un análisis mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM) muestra que aún se encuentran residuos de ZnO, junto con una película delgada de GaN poroso, en la parte superior de los nanotubos después de que se eliminan las plantillas. Esto es el resultado de que el zinc y el oxígeno se desprenden de la plantilla a través de la capa porosa de GaN en las etapas iniciales de formación del nanotubo. Este método produjo nanotubos de h-GaN que principalmente tenían un extremo abierto y uno cerrado, aunque también se encontraron tubos con ambos extremos abiertos. Mediante espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDS), se observó que los nanotubos tienen una relación de intensidad de 1:1 en galio y nitrógeno. Los nanotubos tenían paredes de entre 5 y 50 nm de espesor y diámetros internos con longitudes de entre 30 y 200 nm. [5]
Los nanotubos de GaN se pueden fabricar sin una plantilla. Otra forma de fabricar nanotubos de h-GaN es mediante un proceso de dos etapas que convierte los nanotubos de óxido de galio (III) (Ga 2 O 3 ) en nanotubos de h-GaN. Este método produce menos variación en el tamaño y la forma de los nanotubos producidos. Los nanotubos producidos tienen una longitud de aproximadamente 10 nm y un diámetro exterior uniforme de alrededor de 80 nm y un espesor de pared de alrededor de 20 nm. Este método produce entre un 4 y un 5,0 % de productos, lo que se basa en la cantidad de Ga 2 O 3 presente. [5]
Utilizando polvos de Ga2O3 y amoniaco ( NH3 ) , los nanotubos de c-GaN también pueden sintetizarse sin el uso de una plantilla en un proceso vapor-sólido. En su lugar, se utiliza un proceso de alta temperatura sin catalizador, que requiere ciertas condiciones. Una de estas condiciones fue el calor elevado. El crecimiento de los nanotubos de c-GaN se realizó a alrededor de 1600 grados Celsius (200 grados más alto que las condiciones requeridas para el crecimiento de los nanotubos de h-GaN), y se incrementó continuamente durante todo el proceso. Otra condición requirió que los caudales de NH3 y N2 se incrementaran durante la reacción química de dos pasos necesaria para fabricar los nanotubos. [6]
El primer paso requirió carbono de un crisol de grafito, que reaccionó con Ga2O3 para producir vapor de Ga2O. Luego, el vapor reacciona con NH3 para producir nanopartículas sólidas de GaN que se recogen en el flujo de NH3 y N2 . Luego, las nanopartículas se transportan a un horno de inducción de temperatura más baja donde se acumularán en grupos sobre una fibra de carbono y se autoensamblará en nanotubos rectangulares a través del crecimiento vapor-sólido. La mayoría de los nanotubos formados tienen una sección transversal cuadrada o rectangular con longitudes entre 50 y 150 nm. Se encontró que los tubos tenían un espesor de pared entre 20 y 50 nm y longitudes más largas de varios micrómetros. [6]
Antes de que se aplicara este método, los nanocristalitos de c-GaN eran las únicas nanoestructuras capaces de sintetizarse en la estructura cúbica de GaN. [6]
M. Jansen et al. han desarrollado un proceso de fabricación de bajo costo, rápido y a gran escala para la generación de nanotubos de nitruro de galio. Esto se logró mediante una combinación de litografía y grabado de arriba hacia abajo con plasma acoplado inductivamente para producir una máscara de grabado dura de una matriz de nanoanillos de silicio . [7] La matriz de nanoanillos se colocó luego sobre la superficie de nitruro de galio a granel y se grabó para producir estructuras de nanotubos de proporciones iguales. [7]
Chu-Ho Lee y su grupo de investigación de la Universidad Nacional de Seúl ( Corea) lograron sintetizar nanotubos de nitruro de galio dopados con indio que se fabricaron sobre sustratos de silicio . El grupo utilizó estos nanotubos como diodos emisores de luz, que emitían principalmente luz en el espectro visible verde. [8] Dado que la síntesis de estos nanotubos depende de parámetros geométricos controlables, los nanotubos de nitruro de galio podrían permitir formas de producir microchips con velocidades de procesamiento más rápidas mediante el uso de comunicación óptica entre chips y dentro de ellos. [8]
Changyi Li y su equipo de investigación de la Universidad de Nuevo México demostraron recientemente que al cambiar la geometría de las aberturas de los nanotubos de nitruro de galio, la forma de la luz emitida cambia cuando actúan como diodos emisores de luz . [9] El grupo utilizó la litografía por haz de electrones para crear regiones huecas con forma anular bien definidas dentro de los nanotubos de nitruro de galio, lo que finalmente condujo a una luz emitida con forma anular. [9]
