TECNOLOGÍAS DE NANOFABRICACIÓN
En la actualidad, la tendencia en la miniaturización continúa más allá del rango del micrómetro hacia la escala del nanómetro (nm). La nanotecnología se refiere a la fabricación y la aplicación de entidades cuyos tamaños de características están en el rango de alrededor de 1 nm a 100 nm (1 nm 103 , mm 106 , mm 109 m). Las entidades incluyen estructuras, películas, recubrimientos, puntos, líneas, alambres, tubos y sistemas. El prefijo “nano” se usa para estos artículos; así, se tienen palabras nuevas como nanoestructura, nanotubo, nanoescala y nanociencia, que incluso no se encuentran en los diccionarios más recientes en el momento de escribir este texto. Nanociencia es el campo del estudio científico relacionado con objetos en el rango desde 1 hasta 100 nm. Nanoescala se refiere a las dimensiones dentro de este rango y un poco debajo de él, el cual se traslapa en el extremo inferior con los tamaños de los átomos y las moléculas. Por ejemplo, el átomo más pequeño es el helio, con un diámetro cercano a 0.1 nm. El uranio tiene un diámetro de alrededor de 0.22 nm y es el más grande de los átomos que se presentan en forma natural. Las moléculas tienden a ser más grandes porque consisten en muchos átomos. Las moléculas que constan de alrededor de 30 átomos tienen un tamaño aproximado de 1 nm, dependiendo de los elementos involucrados. Por lo tanto, la nanociencia implica el comportamiento de moléculas individuales y los principios que explican este comportamiento, y la nanotecnología involucra la aplicación de estos principios para crear productos útiles.
Los campos de la nanociencia y la nanotecnología son interdisciplinarios. Recaen en las contribuciones sinergísticas de la química, la física, diferentes disciplinas de ingeniería y ciencia de la computación. Los campos de la biología y la ciencia médica también están involucrados. La biología funciona en el rango de la nanoescala. Las proteínas, que son las sustancias básicas en los organismos vivos, son moléculas grandes con un tamaño que va desde 4 nm hasta 50 nm. Las proteínas están hechas de aminoácidos (ácidos orgánicos que contienen el grupo amino NH2 ), cuyo tamaño molecular es de alrededor de 0.5 nm. Cada molécula de proteína consiste en combinaciones de diferentes moléculas1 de aminoácido conectadas entre sí para formar una cadena larga (puede llamarse nanoalambre). Esta macromolécula larga se dobla y se enrolla para compactarse en una masa con una sección cruzada en el rango de los 4 a los 50 nm. Entre las entidades biológicas con tamaños a nanoescala se incluyen las moléculas de clorofila en las plantas (alrededor de 1 nm), la hemoglobina en la sangre (7 nm) y los virus del resfriado (60 nm). Las células biológicas tienen órdenes de magnitud más grandes. Por ejemplo, un glóbulo rojo tiene una forma de disco con diámetros de alrededor de 8000 nm (8 mm) y espesores de alrededor de 1500 nm (1.5 mm).
El interés de este capítulo está en los objetos y materiales a nanoescala no biológicos. Las entidades a nanoescala ya se han usado ampliamente de varias maneras; por ejemplo, considere las siguientes aplicaciones.
- Las coloridas ventanas con vitrales para las iglesias construidas durante la Edad Media se basaban en partículas de oro de escala nanométrica incrustadas en el cristal. Dependiendo de su tamaño, las partículas pueden tener una variedad de colores.
- La fotografía moderna tiene raíces que datan de más de 150 años y depende de la formación de nanopartículas de plata para crear la imagen de la fotografía.
- Las partículas de carbono a nanoescala se usan como relleno de refuerzo en las llantas para automóvil.
- Los convertidores catalíticos requeridos en los sistemas de emisión de los automóviles modernos emplean recubrimientos de platino y paladio a nanoescala sobre una estructura cerámica en forma de panal. Los recubrimientos metálicos actúan como catalizadores para convertir la emisión de gases nocivos en gases no dañinos.
INTRODUCCIÓN A LA NANOTECNOLOGÍA
Lo que hace a la nanotecnología difícil de comprender para el público en general es el hecho de que trata con cosas tan pequeñas. La nanotecnología tiene que ver con objetos que no son mucho más grandes que los átomos y las moléculas que los forman. En la sección 38.1.1 se analizan estos “efectos del tamaño” y cómo se ven afectadas las propiedades de los materiales cuando las dimensiones de una entidad se miden en nanómetros. La incapacidad de “ver” objetos a nanoescala ha inhibido los desarrollos en nanotecnología hasta años recientes. El advenimiento de los microscopios de sonda exploratoria en la década de 1980 ha permitido que se visualice y midan objetos a nivel molecular. Estos tipos de microscopios se describen en la sección 38.1.2. Dos entidades a nanoescala de interés científico y comercial significativo son los fullerenos y nanotubos de carbono, que se estudian en la sección 38.1.3.
La importancia del tamaño
Uno de los efectos físicos que ocurre con los objetos muy pequeños es que sus propiedades superficiales se vuelven mucho más importantes en relación con las propiedades de su volumen. Considere la razón de superficie sobre volumen de una cantidad dada de material conforme cambian sus dimensiones. Se comenzará con un bloque cúbico de material que tiene un metro en cada uno de sus lados. Su área superficial total es de 6 m2 y su volumen es de 1 m3 , lo que resulta en una relación de superficie sobre volumen de 6 a 1. Si su mismo volumen de material fuera ahora comprimido en una placa cuadrada de 1 mm de espesor (0.00004 in, o alrededor de 100 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano), sus dimensiones serían de 1000 m por lado y su superficie total (superior, inferior y bordes) sería 2 000 000.004 m2 (1000 x 1000 m2 en cada uno de sus dos lados, más 0.001 m2 en cada uno de los cuatro bordes). De esto se obtendría una relación de superficie sobre volumen un poco mayor que 2 000 000 a 1.
Enseguida, suponga que la placa plana se divide en dos direcciones para crear cubos que son de 1 mm x 1 mm x 1 mm. El número total de cubos sería de 1018, y el área superficial de cada cubo sería de 6 mm2 o 6(1012) m2 . Al multiplicar el área superficial de cada cubo por el número de cubos, se obtiene un área superficial total de 6 000 000 m2 o una relación de superficie sobre volumen de 6 000 000 a 1 para la cantidad original de material.
Un cubo que tiene 1 mm de lado ciertamente es pequeño, pero en nanómetros, tiene 1000 nm en cada borde, Suponga que las moléculas de este material tienen forma cúbica, y del análisis anterior, cada molécula mide 1 nm por lado (es verdad que la forma molecular cúbica es exagerada, pero el tamaño de 1 nm es posible). Esto significa que el cubo de 1 mm contiene 109 moléculas, de las cuales 6(106 ) están en la superficie del cubo. Lo anterior implica que 109 6(106 ) 994(106 ) moléculas son internas (están debajo de la superficie). La relación de moléculas internas sobre superficiales es de 994 a 6 o 165.667 a 1. En comparación, la misma relación para un cubo de 1 m de lado es de alrededor de 1027 a 1. Conforme el tamaño del cubo decrece, la relación de moléculas internas sobre superficiales se hace cada vez más pequeña, hasta que finalmente se tiene un cubo que tiene 1 nm de lado (el tamaño de la molécula) y no hay moléculas internas. Lo que demuestra este ejercicio numérico es que conforme disminuye el tamaño de un objeto, acercándose a las dimensiones de nanómetros, las moléculas superficiales se vuelven cada vez más importantes en relación con las moléculas internas simplemente por su proporción numérica creciente. Así, las propiedades superficiales de los materiales de los que están hechos los objetos con tamaños en nanómetros se vuelven más influyentes en la determinación del comportamiento de los objetos, mientras que la influencia relativa de las propiedades del volumen del material se reduce.
Recuerde, de la sección 2.2, que existen dos tipos de unión atómica: 1) uniones primarias que generalmente se asocian con la combinación de átomos en moléculas y 2) uniones secundarias donde las moléculas se atraen para formar materiales con volumen. Una de las implicaciones de las razones de superficie sobre grandes volúmenes que se dan en los objetos a nanoescala es que las uniones secundarias que existen entre las moléculas asumen una mayor importancia, porque la forma y las propiedades de un objeto, que no es mucho más grande que las moléculas que lo forman, tienden a depender de estas fuerzas de unión secundaria. De acuerdo con esto, las propiedades del material y los comportamientos de las estructuras a nanoescala son diferentes de los de las estructuras con dimensiones en la macroescala e incluso en la microescala. Algunas veces, estas diferencias pueden explotarse para crear materiales y productos con propiedades electrónicas, magnéticas y/u ópticas mejoradas. Dos ejemplos de materiales recientemente creados en esta categoría son 1) los nanotubos de carbono (que se analizan en la sección 38.1.3), que poseen alta resistencia y propiedades electrónicas únicas, y 2) materiales magnetorresistentes para su uso en memorias magnéticas de alta densidad. La nanotecnología permitirá el desarrollo de clases de materiales completamente nuevas.
Otra diferencia que surge entre los objetos a nanoescala y sus contrapartes macroscópicas es que el comportamiento del material tiende a verse influido por la mecánica cuántica en vez de por las propiedades del volumen. La mecánica cuántica es una rama de la física que tiene que ver con la noción de todas las formas de energía (por ejemplo, electricidad, luz) que ocurren en unidades discretas o paquetes cuando se observan a una escala suficientemente pequeña. Las unidades discretas o paquetes se llaman cuantos, los cuales no pueden subdividirse. Por ejemplo, la electricidad se conduce en unidades de electrones. No es posible una carga eléctrica de menos de un electrón. En la energía luminosa, los cuantos son fotones. En la energía magnética, se llaman magnones. Para todos los tipos de energía existen unidades comparables. Todos los fenómenos físicos muestran un comportamiento de cuantos en el nivel submicroscópico. En un nivel macroscópico, la energía parece ser continua porque se libera en cantidades muy grandes de cuantos.
El movimiento de electrones en la microelectrónica es de interés particular por las significativas reducciones en el tamaño que continúan lográndose en la fabricación de circuitos integrados. Los tamaños característicos de los dispositivos en los circuitos integrados producidos en 2004 son del orden de 90 nm. Se proyecta que su tamaño se reduzca a alrededor de 20 nm aproximadamente para el año 2015. Con un tamaño de características de alrededor de 10 nm, los efectos de la mecánica cuántica se vuelve significativa, cambiando la forma en la que funciona un dispositivo. Conforme continúa reduciéndose el tamaño de las características hacia unos cuantos nanómetros, la proporción de los átomos superficiales en el dispositivo se incrementa en relación con los que se encuentran por debajo de la superficie, lo que significa que las características eléctricas ya no están determinadas de manera exclusiva por las propiedades del volumen del material. A medida que el tamaño continúa decreciendo y la densidad de componentes en un chip se siga incrementando, la industria electrónica se estará aproximando a los límites de la factibilidad tecnológica de los procesos de fabricación actuales.
Microscopios de sonda exploratoria
Los microscopios ópticos convencionales usan luz visible enfocada a través de lentes ópticos para proporcionar imágenes agrandadas de objetos muy pequeños. Sin embargo, la longitud de onda de la luz visible es de 400 a 700 nm, lo cual es mayor que las dimensiones de los objetos en nanómetros. Así, estos objetos no pueden verse con microscopios ópticos convencionales. Los microscopios ópticos más poderosos proporcionan amplificaciones de alrededor de 1 000 veces, lo que permite resoluciones de alrededor de 0.0002 mm (200 nm).
Para hacer observaciones en el nivel de la nanoescala, se realizó una mejora a los microscopios electrónicos, que es la familia de instrumentos de sonda exploratoria que data de la década de 1980. Éstos poseen capacidades de amplificación aproximadamente 10 veces más grandes que las de un microscopio electrónico. En los instrumentos de sonda exploratoria, la sonda consiste en una aguja con una punta muy delgada. El tamaño de la punta se aproxima al tamaño de un solo átomo. En la operación, la sonda se mueve a lo largo de la superficie del espécimen a una distancia de sólo un nanómetro o menos, y se mide cualquiera de las varias propiedades de la superficie, dependiendo del microscopio de sonda exploratoria. El microscopio de túnel exploratorio (STM, por sus siglas en inglés) fue el primer instrumento de sonda exploratoria en inventarse. Mide la cantidad de corriente que fluye entre la superficie y la punta de la sonda hecha de tungsteno. Se llama un instrumento de túnel porque su operación se basa en un fenómeno de mecánica cuántica conocido como formación de túnel, en el que los electrones individuales en un material sólido pueden saltar más allá de la superficie del sólido hacia el espacio. La probabilidad de que los electrones estén en este espacio más allá de la superficie decrece exponencialmente en proporción a la distancia de la superficie. Esta sensibilidad a la distancia se explota en el STM al posicionar la punta de la sonda muy cerca de la superficie y aplicar un pequeño voltaje entre las dos. Esto ocasiona que los electrones de los átomos superficiales sean atraídos hacia la pequeña carga positiva de la punta, y éstos salten a través del vacío hacia la sonda. Conforme la sonda se mueve a lo largo de la superficie, ocurren variaciones en la corriente resultante debido a las posiciones de los átomos individuales sobre la superficie, y estas variaciones proporcionan datos para construir una imagen topográfica de la superficie.
Otros tipos de microscopios de sonda exploratoria incluyen el microscopio de fuerza atómica y el microscopio de fuerza magnética. El microscopio de fuerza atómica (AFM, por sus siglas en inglés) utiliza una sonda unida a un voladizo delicado que se dobla debido a la fuerza ejercida por la superficie en la sonda mientras atraviesa la superficie del espécimen. La deflexión vertical de la sonda se mide en forma óptica, con base en el patrón de interferencia de un rayo ligero o la reflexión de un rayo láser en el voladizo. En la figura 38.1 se muestra una imagen generada por un AFM. El microscopio de fuerza magnética (MFM, por sus siglas en inglés) usa una sonda magnética cuya punta es sensible a las fuerzas magnéticas de los átomos en la superficie del espécimen. Su principio de operación es similar a la de la cabeza lectora en un reproductor de audiocasetes o una unidad de disco duro.
Buckybolas y nanotubos de carbono
Dos estructuras interesantes en la nanotecnología son las buckybolas y los nanotubos. El nombre buckybolas se refiere a la molécula C60, una molécula que contiene exactamente 60 átomos de carbono y que tiene una forma parecida a una pelota de futbol soccer, como en la figura 38.2. Los 60 átomos están dispuestos simétricamente en 12 caras pentagonales y 20 caras hexagonales para formar una bola. Estas pelotas moleculares pueden unirse mediante fuerzas de van der Waals (sección 2.2) para formar cristales cuya estructura reticular es cúbica centrada en la cara [figura 2.8b), sección 2.3.1]. La separación entre cualquier molécula y su vecino más cercano en la estructura reticular del C60 es de 1 nm. El nombre original de las moléculas individuales fue buckministerfullereno, en honor al arquitecto/ inventor R. Buckminister Fuller, quien diseñó el domo geodésico que se parece a la estructura del C60. En la actualidad, el C60 se llama simplemente fullerenos, que se refiere a cualquier molécula de carbono hueca y cerrada que consiste en 12 caras pentagonales y diferentes números de caras hexagonales.
Los nanotubos de carbono son otra estructura molecular que consiste en átomos de carbono adheridos en la forma de un tubo largo. Los átomos pueden disponerse en una serie de configuraciones alternativas, tres de las cuales se muestran en la figura 38.3. Todos los nanotubos que se muestran en la figura tienen sólo una pared (SWNT, por sus siglas en inglés), pero también pueden fabricarse estructuras con paredes múltiples (MWNT, por sus siglas en inglés), los cuales son tubos dentro de un tubo. Un SWNT tiene un diámetro típico de unos cuantos nanómetros y una longitud de alrededor de 100 nm, y está cerrado en ambos extremos.
Las propiedades eléctricas de los nanotubos son poco usuales. Dependiendo de su estructura y diámetro, los nanotubos pueden tener propiedades metálicas (conductores) o semiconductores. La conductividad de los nanotubos metálicos es superior al cobre en algunos aspectos. La explicación para esto es que los nanotubos contienen muy pocos de los defectos que existen en los metales, los cuales tienden a dispersar los electrones, con lo que se incrementa la resistencia eléctrica. Como los nanotubos tienen una resistencia tan baja, las corrientes altas no incrementan su temperatura en la forma que lo hacen los metales bajo las mismas cargas eléctricas. La conductividad térmica de los nanotubos metálicos también es muy alta. Estas propiedades eléctricas y térmicas resultan muy interesantes para los fabricantes de computadoras y circuitos integrados porque podrían permitir velocidades de reloj mayores en los procesadores sin los problemas de acumulación progresiva de calor encontrados en la actualidad conforme se incrementa la densidad de los componentes en un chip de silicio. Pueden lograrse velocidades de reloj hasta 104 veces más rápidas que los procesadores actuales [14], junto con densidades mucho más altas.
Otra importante propiedad de los nanotubos de carbono es la emisión de campo, en el cual se emiten electrones desde los extremos de los tubos a velocidades muy altas cuando se aplica un campo eléctrico paralelo al eje de un nanotubo. Las posibles aplicaciones comerciales de la propiedad de emisión de campo en los nanotubos incluyen pantallas de panel plano para televisiones y monitores de computadora.
Las propiedades mecánicas constituyen otra razón del interés en los nanotubos. El módulo de elasticidad (rigidez) de los nanotubos de carbono es casi 10 veces el módulo del acero. Aún más, cuando se doblan muestran una gran resiliencia para regresar a su forma original sin ningún daño. La resistencia a la tensión también es muy alta para los nanotubos de carbono de una sola pared, con valores típicos alrededor de 20 veces más grandes que los del acero. Estas propiedades mecánicas proporcionan oportunidades para usar los nanotubos como materiales de refuerzo en compuestos de matriz de polímeros (sección 9.4). Irónicamente, los nanotubos con varias paredes no son tan fuertes.
PROCESOS DE NANOFABRICACIÓN
Los procesos de fabricación para los materiales y estructuras a escala nanométrica pueden dividirse en dos categorías básicas:
1. Enfoques descendentes, los cuales adaptan las técnicas de microfabricación analizadas en el capítulo anterior para los objetos con tamaños a nanoescala.2. Enfoques ascendentes, en los que se manipulan y combinan átomos y moléculas en estructuras más grandes.
La organización de esta sección se basa en estos dos enfoques. Como los métodos de procesamiento asociados con los enfoques descendentes ya se analizaron en dos capítulos anteriores (capítulo 35 en circuitos integrados y capítulo 37 en microfabricación), el estudio de la sección 38.2.1 enfatizará cómo deben modificarse estos procesos para la nanoescala. En la sección 38.2.2 se analizan los enfoques ascendentes, que quizá son más interesantes aquí debido a su unicidad y relevancia especial para la nanotecnología.
Enfoques de procesamiento descendente
Los enfoques descendentes para fabricar objetos a nanoescala implican el procesamiento de materiales en volumen (por ejemplo, obleas de silicio) y películas delgadas usando técnicas litográficas como las usadas en la fabricación de circuitos integrados y microsistemas. Los enfoques descendentes también incluyen otras técnicas de maquinado de precisión (sección 37.2.3) que se han adaptado para hacer nanoestructuras.
Conforme los tamaños característicos de los componentes en un circuito integrado (CI) se vuelven más y más pequeños, las técnicas de fabricación basadas en litografía óptica se ven limitadas por las longitudes de onda de la luz visible. En la actualidad se usa luz ultravioleta para fabricar los CI porque sus longitudes de onda más cortas permiten fabricar elementos más pequeños, lo que a su vez permite densidades de componentes más altas en el CI. La tecnología que en la actualidad se perfecciona para la fabricación de CI se llama litografía ultravioleta extrema (EUV, sección 35.3.2). Utiliza luz UV con una longitud de onda de hasta 13 nm, lo cual de hecho cae dentro del rango de la nanotecnología. Sin embargo, cuando se usa la litografía EUV con estas longitudes de onda UV muy cortas pueden surgir ciertos problemas técnicos. Los problemas incluyen: 1) deben crearse nuevos materiales fotorresistentes que sean sensibles a estas longitudes de onda, 2) los sistemas de enfoque deben basarse en todas las ópticas reflexivas y 3) deben usarse fuentes de plasma basadas en irradiación de láser del elemento xenón [11].
Existen otras técnicas de litografía que pueden usarse en la fabricación de estructuras a nanoescala. Entre éstas se incluye la litografía con haz de electrones, la litografía con rayos X y la litografía con micro y nanoimpresión. La litografía con haz de electrones y con rayos X se analiza en el contexto del procesamiento de circuitos integrados en la sección 35.3.2. La litografía con haz de electrones funciona al dirigir un haz de electrones muy enfocado a lo largo del patrón deseado en la superficie del material, exponiendo de esta manera las áreas superficiales usando un proceso secuencial sin la necesidad de una mascarilla. Aunque la litografía con haz de electrones es capaz de resoluciones del orden de los 10 nm, su operación secuencial la hace relativamente lenta en comparación con las técnicas de enmascarado y por ende no es conveniente para la producción en masa.
La litografía con rayos X puede producir patrones con resoluciones de alrededor de 20 nm, y utiliza técnicas de enmascarado, con lo que es posible la alta producción. Sin embargo, los rayos X son difíciles de enfocar y requieren impresión por contacto o a proximidad (sección 35.3.1). Además, el equipo para aplicaciones de producción es costoso y los rayos X son peligrosos para las personas. La litografía con microimpresión usa un molde plano con el patrón deseado sobre una cara (es decir, un estampado) que deforma físicamente la superficie de la resistencia para crear características microscópicas correspondientes a las regiones sobre la superficie del sustrato que se protegerán mientras que otras regiones se exponen. Puede usarse el mismo tipo de estampado plano en el modo de una impresión positiva, llamado impresión de microcontacto, en el cual se transfiere un patrón de moléculas a una superficie de sustrato, muy parecido a como se transfiere tinta a una superficie de papel. La litografía con nanoimpresión y la impresión por nanocontacto son los mismos procesos básicos excepto porque las características del patrón tienen proporciones a nanoescala. En la figura 38.4 se ilustra la secuencia del proceso para la litografía con microimpresión. El patrón de molde se produce típicamente mediante litografía con haz de electrones. El patrón consiste de áreas altas y bajas; las áreas altas corresponden a regiones en la superficie de la resistencia que serán removidas para exponer el sustrato. El material resistente es un polímero termoplástico, el cual se suaviza mediante calor antes de presionar. Después, el molde se presiona sobre la capa de resistencia suavizada, hundiéndola hasta coincidir con las regiones elevadas del patrón de molde. Así, para la alteración de la capa de resistencia se usa deformación mecánica en vez de radiación electromagnética, como en los métodos de litografía más tradicionales.
Enfoques de procesamiento ascendente
En los enfoques ascendentes, los materiales iniciales son átomos, moléculas e iones. Los procesos unen entre sí a la mayoría de estos bloques de construcción, en algunos casos uno por uno, para fabricar la entidad a nanoescala deseada. Esta sección se divide en tres técnicas que han recibido una atención considerable en la literatura de nanotecnología: 1) nanofabricación mediante técnicas de sonda exploratoria, 2) producción de nanotubos de carbono y 3) autoensamble.
Nanofabricación mediante técnicas de sonda exploratoria En la sección 38.1.2 se describen las técnicas de microscopio de sonda exploratoria en el contexto de la medición y la “observación” de características y objetos a escala de nanómetros. Estos instrumentos usan una sonda de aguja muy aguda para explorar una superficie desde una distancia de alrededor de un nanómetro por encima de dicha superficie. En el caso del microscopio de túnel exploratorio (STM, por sus siglas en inglés), se aplica un voltaje a la sonda, lo que ocasiona que los electrones de la superficie salten hacia la punta de la sonda. Los electrones que saltan pueden medirse como una corriente eléctrica. Si la punta se mueve a través de la superficie a una elevación constante por encima de ésta, entonces la corriente será más alta en las ubicaciones inmediatamente por encima de los átomos superficiales y más baja en los puntos entre los átomos superficiales. De manera alternativa, si se permite que la elevación de la punta por encima de la superficie flote manteniendo una corriente constante, entonces puede medirse la deflexión vertical de la punta conforme atraviesa la superficie. Estas variaciones en la corriente o la deflexión pueden usarse para crear imágenes o planos topográficos de la superficie en una escala atómica o molecular.
El microscopio de túnel exploratorio también puede usarse para manipular átomos o moléculas individuales que se adhieren a una superficie de sustrato mediante las fuerzas de adsorción (uniones químicas débiles). En la figura 38.5a) se ilustra la variación en la corriente o la deflexión de la punta de una sonda de STM conforme se mueve a través de una superficie sobre la cual se localiza un átomo adsorbido. Conforme la punta se mueve sobre la superficie inmediatamente por encima del átomo adsorbido, existe un incremento en la señal. Aunque la fuerza de unión que atrae el átomo a la superficie es débil, es significativamente más grande que la fuerza de atracción creada por la punta, simplemente porque la distancia es más grande. Sin embargo, si la punta de la sonda se mueve lo suficientemente cerca del átomo adsorbido de manera que su fuerza de atracción sea más grande que la fuerza de adsorción, el átomo será arrastrado a lo largo de la superficie, como se sugiere en la figura 38.5b). De este modo, los átomos o moléculas individuales pueden manipularse para crear diferentes estructuras a nanoescala. Un ejemplo de STM notable logrado en los laboratorios de investigación de IBM fue la fabricación del logotipo de la compañía de átomos de xenón adsorbidos sobre una superficie de níquel en un área de 5 nm por 16 nm. Esta escala es considerablemente más pequeña que el letrero de la figura 38.1.
La manipulación de átomos individuales mediante STM y otras técnicas de sonda exploratoria pueden clasificarse como manipulación lateral y vertical. En la manipulación lateral, los átomos o moléculas se transfieren a lo largo de la superficie mediante fuerzas de atracción o repulsión ejercidas por la punta del STM. En la manipulación vertical, los átomos o moléculas se separan de la superficie y se depositan en una ubicación diferente para formar una estructura. Aunque este tipo de manipulación STM de átomos y moléculas tiene interés científico, existen limitaciones tecnológicas que inhiben su aplicación comercial, al menos en la alta producción de productos nanotecnológicos. Una de las limitaciones es que debe llevarse a cabo en un ambiente al alto vacío para evitar que los átomos o moléculas perdidos interfieran con el proceso. Otra limitación es que la superficie del sustrato debe enfriarse a temperaturas cercanas al cero absoluto (273 °C o 460 °F) para reducir la difusión térmica que gradualmente distorsionará la estructura atómica en formación. Estas limitaciones hacen que el proceso sea muy lento y costoso.
Otra técnica de sonda exploratoria, que resulta promisoria para las aplicaciones prácticas, se llama nanolitografía de pluma. En la nanolitografía de pluma (DPN, por sus siglas en inglés), se usa la punta de un microscopio de fuerza atómica para transferir moléculas hacia una superficie de sustrato por medio de un menisco solvente, como se muestra en la figura 38.6. El proceso es, de alguna manera, análogo a utilizar una pluma fuente antigua para transferir tinta a una superficie de papel mediante fuerzas capilares. En la DPN, la punta del AFM actúa como la punta de la pluma, y el sustrato se convierte en la superficie sobre la cual se depositan las moléculas disueltas (es decir, la tinta). Las moléculas depositadas deben tener una afinidad química para el material de sustrato, de la misma forma que la tinta se adhiere al papel. La DPN puede usarse para “escribir” patrones de moléculas sobre una superficie, donde los patrones tienen dimensiones por debajo de las micras. Se han reportado anchos de línea de entre 10 y 15 nm [20]. Además, la DPN puede usarse para depositar diferentes tipos de moléculas en ubicaciones diferentes sobre la superficie del sustrato.
Producción de nanotubos de carbono Las propiedades destacables y las aplicaciones potenciales de los nanotubos de carbono se analizan en la sección 38.1.3. Los nanotubos de carbono pueden producirse mediante varias técnicas. En los siguientes párrafos se analizan tres de ellas: 1) evaporación láser, 2) técnicas de arco de carbono y 3) deposición química de vapor.
En el método de evaporación láser, la materia prima inicial es una pieza de trabajo de grafito que contiene pequeñas cantidades de cobalto y níquel. Estas trazas de metal desempeñan el papel de catalizador, actuando como sitios de nucleación para la formación posterior de los nanotubos. El grafito se coloca en un tubo de cuarzo que se llena de gas argón y se calienta a 1200 °C (2200 °F). Se enfoca un rayo láser pulsado sobre la pieza de trabajo, lo que ocasiona que los átomos de carbono se evaporen de la masa de grafito. El argón desplaza los átomos de carbono fuera de la región de alta temperatura del tubo y dentro de un área donde se localiza un aparato de cobre con agua helada. Los átomos de carbono se condensan sobre el cobre frío; mientras lo hacen, forman nanotubos con diámetros de 10-20 nm y longitudes de alrededor de 100 mm.
La técnica de arco de carbono usa dos electrodos de carbono que tienen diámetros entre 5 y 20 mm y están separados por 1 mm. Los electrodos se localizan en un contenedor parcialmente evacuado (alrededor de 2/3 de una presión atmosférica) a través del cual fluye helio. Para iniciar el proceso, se aplica un voltaje de alrededor de 25 V a través de los dos electrodos, lo que ocasiona que se expulsen átomos de carbono del electrodo positivo y se transporten al electrodo negativo donde forman nanotubos. La estructura de los nanotubos depende de si se usa un catalizador. Si no es así, entonces se producen nanotubos con paredes múltiples. Si se colocan ciertas trazas de cobalto, hierro o níquel en el interior del electrodo positivo, entonces el proceso crea nanotubos con una sola pared, los cuales tienen de 1 a 5 nm de diámetro y alrededor de 1 mm de largo.
La deposición química de vapor (CVD) se describe en la sección 29.4. En el método de deposición química de vapor para producir nanotubos, el material de trabajo inicial es un gas hidrocarburo como el metano (CH4 ) El gas se calienta a 1100 °C (2000 °F), con lo que se produce su descomposición y la liberación de átomos de carbono. Después los átomos se condensan sobre un sustrato frío para formar nanotubos con extremos abiertos en lugar de la característica de extremos cerrados de las otras técnicas de fabricación. El sustrato puede contener hierro u otros metales que actúan como catalizadores para el proceso. El catalizador metálico actúa como un sitio de nucleación para la creación del nanotubo, y también controla la orientación de la estructura. El proceso de CVD tiene la ventaja de que puede operarse en forma continua, lo que lo hace económicamente atractivo para la producción en masa.
Autoensamble Es un proceso fundamental en la naturaleza. La formación natural de una estructura cristalina durante el enfriamiento lento de minerales fundidos es un ejemplo de autoensamble sin vida. El crecimiento de los organismos vivientes es un ejemplo de autoensamble biológico. En ambos casos, ciertas entidades a nivel atómico y molecular se combinan entre sí para formar entidades más grandes; para ello actúan de un modo constructivo hacia la creación de alguna cosa deliberada. Si la cosa es un organismo viviente, las entidades intermedias son células biológicas, y el organismo crece a través de un proceso aditivo que presenta una replicación masiva de formaciones de células individuales, de tal manera que el resultado final es frecuentemente muy intrincado y complejo (por ejemplo, un ser humano).
Uno de los enfoques ascendentes en la nanotecnología involucra la emulación del proceso de autoensamble de la naturaleza para producir materiales y sistemas que tienen características o bloques de construcción a escala nanométrica, pero el producto final puede estar en una escala mayor que la nanoescala. Puede estar en la micro o macroescala, al menos para algunas de sus dimensiones. Entre las características deseables de los procesos atómicos o moleculares de autoensamble en nanotecnología están: 1) pueden realizarse rápidamente, 2) ocurren de manera automática y no requieren ningún control central, 3) presentan replicación masiva y 4) pueden realizarse bajo condiciones ambientales benignas (con presiones iguales o similares a la atmosférica y a temperatura ambiente). Es probable que el autoensamble sea el más importante de los procesos de nanofabricación debido a su bajo costo, su capacidad de producir estructuras en un rango amplio de tamaños (de la nanoescala a la macroescala) y su aplicabilidad general a una amplia variedad de productos [15].
Un principio subyacente al autoensamble es el principio de energía mínima. Las entidades físicas, como los átomos y las moléculas, buscan un estado tal que la energía total del sistema del cual forman parte se minimice. Este principio tiene las siguientes implicaciones para el autoensamble:
1. Debe haber algún mecanismo para el movimiento de las entidades (por ejemplo, átomos, moléculas, iones) en el sistema, lo que ocasiona que las entidades se acerquen entre sí. Entre los mecanismos posibles para este movimiento están la difusión, la convección en un fluido y los campos eléctricos.2. Debe haber alguna forma de reconocimiento molecular entre las entidades. El reconocimiento molecular se refiere a la tendencia de una molécula (o átomo o ion) a ser atraída hacia otra molécula (o átomo o ion) para después unirse a ésta, por ejemplo, la manera en que el sodio y el cloro se atraen entre sí para formar la sal de mesa.3. El reconocimiento molecular entre las entidades ocasiona que éstas se unan de tal forma que su ordenamiento físico logre un estado de energía mínima. El proceso de anexión involucra la unión química, usualmente los tipos secundarios más débiles (por ejemplo, las uniones de van der Waals).
Se han encontrado varios casos de autoensamble molecular. A continuación se citarán dos ejemplos: 1) la formación de cristales y 2) la polimerización. La formación de cristales en metales, cerámicos y ciertos polímeros y elementos es una forma de autoensamble. Los boules crecientes de silicio en el proceso de Czochralski (sección 35.2.2) para la fabricación de circuitos integrados es una buena ilustración. Al usar cristal de semilla inicial, se forma silicio fundido muy puro dentro de un sólido cilíndrico grande cuya estructura reticular repetitiva coincide con la de la semilla a través de su volumen. El espaciado reticular en la estructura cristalina es de proporciones nanométricas, pero la replicación presenta órdenes de rango más grande.
Podría decirse que los polímeros son productos de autoensambles a escala nanométrica. El proceso de polimerización (sección 8.1.1) involucra la unión de monómeros individuales (moléculas individuales, como el etileno C2 H4 ) para formar moléculas muy grandes (macromoléculas, como el polietileno), con frecuencia en la forma de una cadena larga con miles de unidades repetidas. Los copolímeros (sección 8.1.2) representan un proceso de autoensamble más complejo, en el cual se unen dos tipos diferentes de monómeros iniciales en una estructura repetitiva regular. Un ejemplo es el copolímero sintetizado del etileno y el propileno (C3 H6 ). En estos ejemplos de polímeros, las unidades repetidas son de tamaño nanométrico, y se forman mediante un proceso de autoensamble masivo de materiales en masa que tienen un valor comercial importante.
La tecnología para producir boules de silicio y polímeros es anterior al interés científico actual en la nanotecnología. Las técnicas de fabricación de autoensamble son las de mayor relevancia en este capítulo y se han creado bajo la bandera de la nanotecnología. La mayoría de estos procesos de autoensamble aún están en la etapa de investigación y pueden dividirse en las siguientes categorías: 1) fabricación de objetos a nanoescala, incluidos moléculas, macromoléculas, conglomerados de moléculas, nanotubos y cristales; y 2) formación de arreglos bidimensionales como monocapas autoensambladas (películas superficiales que tienen una molécula de espesor) y redes de moléculas tridimensionales.
Los materiales de sustrato para monocapas y multicapas autoensambladas incluyen una variedad de metales y otros materiales inorgánicos. La lista incluye oro, plata, cobre, silicio y dióxido de silicio. Los metales nobles tienen la ventaja de no formar una película superficial de óxido que pudiera interferir con las reacciones que generan la capa deseada. Los materiales de capa incluyen tioles (una familia de compuestos orgánicos derivados del sulfuro de hidrógeno), sulfuros y disulfuros. Los materiales de capa deben ser capaces de ser adsorbidos sobre el material superficial. En la figura 38.7 se muestra la secuencia típica del proceso para la formación de una monocapa de tiol sobre oro. Las moléculas de capa se mueven libremente por encima de la superficie del sustrato y se adsorben sobre la superficie. Ocurre el contacto entre las moléculas adsorbidas en la superficie, y éstas forman una isla estable. Las islas se hacen más grandes y gradualmente se unen a través de la adición de más moléculas en forma lateral sobre la superficie, hasta que el sustrato está completamente cubierto. La unión a la superficie de oro la da el átomo de azufre en el tiol, capa de sulfuro o disulfuro. En algunas aplicaciones, las monocapas autoensambladas pueden formarse en los patrones o regiones deseadas sobre la superficie del sustrato usando técnicas como la impresión de microcontacto y la nanolitografía de pluma.
LA NATIONAL NANOTECHNOLOGY INITIATIVE
En el año 2000, el Congreso de Estados Unidos promulgó una iniciativa nacional sobre nanotecnología con fondos por 400 millones de dólares y que iniciaría en 2001. Los niveles de los fondos se ha incrementado en lo que ahora se llama la National Nanotechnology Initiative (NNI). Se han asignado un total de 3700 millones de dólares a lo largo de un periodo de cuatro años iniciando en 2005, por lo que éste es el programa de investigación y desarrollo con fondos federales más grande desde el programa espacial Apollo. El acta NNI ordenó la coordinación de las actividades de investigación y desarrollo en las diferentes agencias federales que están involucradas en esta tecnología, incluidos los departamentos de Defense y Energy, la National Science Foundation, los National Institutes of Health, National Institute of Standards and Technology y la National Aeronautics and Space Administration. Además, el acta definía nueve áreas para el desarrollo de la nanotecnología (conocidas como los grandes retos de la NNI) que afectarán las vidas de casi todos los ciudadanos estadounidenses. En la tabla 38.2 se describen brevemente las nueve áreas del desarrollo de nanotecnología para proporcionar un buen panorama de las oportunidades futuras que se vislumbran para esta tecnología.
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