Grafeno y grafano: materiales del futuro

Grafeno y grafano: materiales del futuro

Y posiblemente de un futuro no muy lejano, pues cada día que pasa se reduce más el intervalo de tiempo entre un nuevo descubrimiento y la implementación de sus aplicaciones prácticas.

El grafeno es un buen ejemplo de esta aseveración. Aunque la Unión Internacional de Cristalografía (IUPAC) lo bautizó formalmente en 1994, no fue hasta 2004 que se logró separar por primera vez una capa individual de grafeno del grafito volumétrico. Ocurrió casi simultáneamente en la Universidad de Manchester (Inglaterra), y en el Instituto de Tecnología Microelectrónica de Chernogolovka (Rusia).



¿Qué es el grafeno?

Los átomos de carbono forman dos tipos de sólidos estables con propiedades físicas muy diferentes; el diamante y el grafito. La diferencia es causada por la forma en que los átomos se ordenan a nivel microscópico. En el diamante -uno de los materiales más duros que existen- los átomos de carbono forman una malla tridimensional, entrelazada y compacta. En el grafito, mucho más blando, los átomos se ordenan en estructuras hexagonales similares a las de un panal de abejas. Esas celdas están fuertemente enlazadas por los costados, formando capas bidimensionales (ver figura). Sin embargo, los enlaces entre capas adyacentes son muy débiles, de manera que cada capa se desliza fácilmente respecto a las demás. De ahí proviene la 'blandura' del grafito, que deja fácilmente una huella en el papel y nos permite escribir con él. Es tan blando que se usa incluso como lubricante sólido.

Cada una de esas capas de carbono, esté o no integrada al grafito, es una capa de grafeno.

El descubrimiento de 2004 consistió en lograr obtener el grafeno separado de la estructura del grafito. Se obtuvo así un nuevo material, constituido por una sola capa bidimensional de carbono, con propiedades físicas muy diferentes a las del grafito volumétrico. El espesor de una capa de grafeno es tal que un solo gramo bastaría para cubrir totalmente un campo de fútbol.

El hallazgo del grafeno fue, sin lugar a dudas, algo sorprendente. Hasta ese momento, tanto la teoría como el experimento indicaban que no era posible la existencia de estructuras cristalinas bidimensionales desligadas del cristal volumétrico. Los cálculos indicaban que tal estructura sería inestable, y que tendría que colapsar para formar una estructura tridimensional normal.

A partir del descubrimiento comenzó una intensa investigación acerca de las propiedades del grafeno. Su alta transparencia óptica y gran conductividad eléctrica lo hacen un buen candidato para la confección de electrodos transparentes, aplicables a dispositivos tales como pantallas de cristal líquido, celdas fotoeléctricas orgánicas y diodos orgánicos emisores de luz. Su flexibilidad y alta resistencia mecánica también resultan ventajosas en comparación con las de otros materiales que se utilizan en la microelectrónica. Otra posible aplicación podría ser la confección de ultracondensadores, con una capacidad de almacenar carga eléctrica y energía mucho mayores que las de los existentes hasta el momento.

En diciembre de 2008 la IBM hizo público que habían logrado fabricar transistores de grafeno operando a frecuencias del orden de gigahertz. Anteriormente, en ese mismo año, se había reportado la construcción de un transistor ultrapequeño (1 átomo de espesor, 10 átomos de ancho).[1] Los transistores son la base de los circuitos integrados y de toda la electrónica moderna.

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Grafito, formado por capas de grafeno que
interaccionan débilmente entre si

El grafano

En enero de este año la revista Science reportó el descubrimiento del grafano, también en la Universidad de Manchester. El grafano posee una estructura monocapa similar a la del grafeno, con la diferencia de que los átomos de carbono, además de estar enlazados entre sí, lo están también a átomos de hidrógeno ubicados a ambos lados de la capa.[2] A diferencia del grafeno, el grafano no conduce la corriente eléctrica. Los enlaces con el hidrogeno 'amarran' los electrones responsables de la buena conductividad eléctrica del grafeno, convirtiéndolo en un aislante. No obstante, el grafano mantiene las buenas propiedades mecánicas de su antecesor: super resistencia mecánica, alta densidad y flexibilidad. Al calentar a una temperatura suficientemente alta el hidrogeno se elimina, y el grafano se convierte de nuevo en grafeno.

En principio, controlando la ubicación de los átomos de hidrogeno en la malla del grafeno sería posible construir materiales aislantes con regiones intermedias conductoras –principio de operación de infinidad de dispositivos microelectrónicos-. Pero quizás lo más importante sea que el descubrimiento del grafano abre las puertas a muchas otras modificaciones. Con el grafeno conductor en un extremo, y el aislante grafano en el otro, no es difícil vislumbrar una gran familia de nuevos materiales que aparecerán al sustituir el hidrógeno por átomos de otro tipo. Por ejemplo, en principio parece posible sustituir el hidrógeno, o parte de él, con flúor, cuyas posibilidades de enlace con el carbono son similares a las del hidrógeno. Así se obtendría un nuevo material con propiedades diferentes al grafeno y al grafano.

André Geim y Kostya Novoselov, quienes dirigen el grupo de investigaciones de la Universidad de Manchester, han expresado: "La industria moderna de semiconductores utiliza todos los elementos de la tabla periódica, aislantes, semiconductores y metales. Pero ¿que tal si un solo material pudiera ser modificado para cubrir el espectro completo necesario en todas las aplicaciones electrónicas?" Dada la gran cantidad de investigadores trabajando actualmente en este sentido, es muy posible que tales materiales aparezcan mucho antes de lo que se pudiera imaginar.

Grafano

Nombre: Edymar Gonzalez A

EES

http://www.fisica.uh.cu/bibvirtual/vida%20y%20tierra/grafeno/index.htm

Discovery of Liquid Crystal Structure

Discovery of Liquid Crystal Structure Bifurcated in Form of Ant Colony -Serving as a new motif of liquid crystalline organic semiconductors with three-dimensional charge transport path (Topic)

Release Date
01 Dec, 2009


RIKEN and Japan Synchrotron Radiation Research Center have succeeded in developing a liquid crystalline organic semiconductor with a three-dimensional charge transport path at room temperature.

RIKEN
Japan Synchrotron Radiation Research Center

Key Research Achievements
• Discovery of bicontinuous cubic phase comprising discotic molecules at room temperature

• Formation of three-dimensional charge transport path in liquid crystalline triphenylene derivatives

• Realization of sub-millisecond lifetime of photon carriers, two orders of magnitude longer than those of previous photon carriers

RIKEN (Ryoji Noyori, President) and Japan Synchrotron Radiation Research Center (JASRI; Tetsuhisa Shirakawa, President) have succeeded in developing a liquid crystalline*1 organic semiconductor with a three-dimensional charge transport path at room temperature.

Liquid crystalline organic semiconductors composed of aromatic molecules (discotic molecules*2) have attracted attention as a constituent element of organic electronics.*3 Discotic molecules are generally laminated to form a unidirectional column and therefore exhibit a high electrical conductivity along the column direction. If such a column formed by discotic molecules can be laminated as a three-dimensional network, it becomes possible to realize a liquid crystalline organic semiconductor that exhibits excellent charge transport characteristics in all directions.

A research group involved in the project of "Creation and Application of Electronic Nanospace by Molecular Programming" (project leader: Takuzo Aida, professor at The University of Tokyo) as part of the Exploratory Research for Advanced Technology and Solution Oriented Research for Science and Technology (ERATO-SORST) by the Japan Science and Technology Agency (JST; Koichi Kitazawa, President), in collaboration with a research team led by Masaki Takata a chief scientist at RIKEN, analyzed in detail the laminated structure of liquid crystalline triphenylene*4 derivatives bearing ionic sites using the synchrotron radiation X-rays at SPring-8. They clarified that the molecules form a bicontinuous cubic phase*5 over a wide temperature range. It was also demonstrated that this liquid crystal is composed of triphenylene columns, which three-dimensionally develop in the form of an ant colony, and exhibits a high electrical conductivity equivalent to that of a unidirectional columnar phase*6 formed by similar molecules. These observations unveiled for the first time the existence of bicontinuous cubic liquid crystalline materials with a three-dimensional charge transport path, providing a new motif of liquid crystalline organic semiconductors.

The results of this research were published online in Journal of the American Chemical Society on 10 August 2009, prior to publication in the printed version, with the image of the discovered liquid crystal structure appearing on the cover on 16 December 2009.

Publication:

""Bicontinuous Cubic" Liquid Crystalline Materials from Discotic Molecules: A Special Effect of Paraffinic Side Chains with Ionic Liquid Pendants"
Md. Akhtarul Alam, Jin Motoyanagi, Yohei Yamamoto, Takanori Fukushima, Jungeun Kim, Kenichi Kato, Masaki Takata, Akinori Saeki, Shu Seki, Seiichi Tagawa and Takuzo Aida.
Journal of the American Chemical Society, published online 10 August, 2009

Fig. 1 Schematics of columnar phase (left) and bicontinuous cubic phase (right)
Pink sections represent columns composed of discotic molecules and blue sections represent layers composed of side chains and ion pairs.

Fig. 2 Molecular structure of triphenylene derivatives 1-3

Triphenylene derivatives 1-3 are composed of triphenylene (pink), imidazolium ions (blue), alkyl side chains (hydrocarbon chains, black), and ion pairs (BF₄, PF₆, (CF₃SO₂)₂N)

Fig. 3 X-ray diffraction pattern of triphenylene derivative 1₁₀ at room temperature

The abscissa shows diffraction angle measured when X-rays are irradiated onto the triphenylene derivative. The phase of the derivative is determined from diffraction angle and intensity.
Diffraction intensity

Fig. 4 Phase transition behavior of triphenylene derivatives 1-3

The phase of triphenylene derivatives 1-3 depends on temperature and has a three-dimensional charge transport path when a bicontinuous cubic phase is expressed. Triphenylene derivative 1₁₄ has the most stable bicontinuous cubic phase.
Glass phase, Bicontinuous cubic phase, Hexagonal columnar phase, Isotropic liquid phase

Nombre: Edymar Gonzalez A

EES

http://www.spring8.or.jp/en/news_publications/press_release/2009/091201

Cuasi cristales

La estructura prohibida

Los cristales de estructura no estrictamente periódica constituyen un desafío para la cristalografía clásica.

En cristalografía, rama de la física de los sólidos, tradicionalmente se distinguen dos tipos de estructura: amorfa y cristalina. La estructura amorfa, de la que el vidrio es un ejemplo habitual, se presenta como un amontonamiento caótico de subestructuras idénticas. La estructura cristalina se presenta en forma de repetición de subestructuras estrictamente periódicas, en las que domina el paralelismo; el cuarzo es el ejemplo más habitual.
Por otra parte, en los cristales se distingue un orden a larga distancia, con una organización rigurosamente periódica de las subestructuras, en tanto que en las estructuras amorfas, las subestructuras siguen líneas quebradas al azar y el orden sólo se discierne a corta distancia.
En la difracción también se refleja esta diferencia; la imagen que produce un haz de partículas —fotones, electrones, neutrones— que incide en un cristal amorfo conlleva un punto de impacto central, que corresponde a las partículas no desviadas, rodeado de anillos que corresponden a las distancias medias que son las más frecuentes entre los átomos. Pero, cuando el haz incide en un cristal, la perfecta periodicidad de las estructuras atómicas implica difracciones regulares de las partículas, que tienen lugar en direcciones privilegiadas y características de la estructura del cristal. La imagen se asemeja a una rejilla, en la que se distinguen unos puntos espaciados de forma regular que se llaman reflexiones de Bragg.


El orden cinco

La disposición cristalina obedece a leyes complejas que se definen por el siguiente principio general: las formas, que se denominan «mallas», se yuxtaponen perfectamente unas sobre otras, sin dejar intersticios. Las mallas son comparables a poliedros que se apilaran unos sobre otros en el mismo orden y sin intervalos. Tales poliedros sólo existen en número restringido y, como se puede comprobar al tratar de yuxtaponer, en dos dimensiones, polígonos de cartón, es. imposible poner dos pentágonos uno al lado del otro. Cabe admitir que una malla cristalina esté compuesta de elementos pentagonales, pero no que sea pentagonal, lo cual ha llevado a la exclusión formal de las denominadas estructuras de orden cinco del campo de las redes cristalinas.
En 1984, la investigación de nuevos materiales llevó a la metalurgia más avanzada a realizar una aleación de aluminio y manganeso en condiciones especiales (se mojaba en estado líquido y se enfriaba de forma ultrarrápida, a razón de un millón de grados por segundo). Como es habitual en los nuevos materiales, éste fue sometido a un análisis cristalográfico. Fue entonces cuando, primero, el israelí Schechtman, y después su colaborador Blech, del Instituto Técnico de Haifa, y más tarde el americano Cahn, del National Bureau of Standars, de Gaithesburg, y el francés Gratias, del Centro de estudios de Química Metalúrgica del CNRS, llevaron a cabo un extraordinario descubrimiento: los micronódulos incluidos en la aleación, que se presentaba en forma de bandas metálicas muy frágiles, pusieron de manifiesto con la difracción una estructura cristalina y una disposición del imposible orden cinco.


Una cuasi periodicidad

La estructura cristalina era —y sigue siendo— indiscutible al examinar la imagen de la difracción de los electrones. Se presentaba como una rejilla regular y no como la imagen de estructura anillada centrada alrededor del punto de impacto. Sin embargo, un análisis más detallado revelaba con obstinación una estructura icosaédrica, la de un poliedro de veinte caras que implicaba la disposición prohibida de orden cinco. Numerosos equipos de todo el mundo han comprobado este desafío a las leyes de la cristalografía. Ha habido que recurrir a teorías relativamente antiguas, que preveían la posibilidad de la existencia de cristales o, más exactamente, de cuasicristales con cuasi periodicidad.
El primero que postuló dicha cuasi periodicidad fue el matemático francés Esclangon, en 1902. Los americanos Bohr y Besicovitch profundizaron en este concepto desde un punto de vista matemático, según el siguiente principio, que aquí aparece muy resumido: la periodicidad, que define al cristal, consiste en una superposición en el espacio de una serie de objetos idénticos, uno de los cuales, en un plazo determinado, que es el del periodo, se encuentra en una posición exactamente paralela a la del primero. Una imagen aproximada sería la de una serie de peldaños de una escalera en espiral, uno de los cuales, al cabo de una serie de traslaciones, se encontraría exactamente en paralelo con respecto al de partida. La única diferencia es que Bohr y Besicovitch introdujeron el concepto de un número infinito de traslaciones. Si lo pasamos al campo de la cristalografía, este concepto significa que se pueden imaginar cristales de mallas infinitas y no sólo de periodos largos. Es el concepto que actualmente se aplica a los cuasicristales.

Nombre: Edymar Gonzalez A

EES

http://www.clases-particulares-de-matematicas.com/gd/cuasi-cristales.html

Semiconductores

SEMICONDUCTORES "INTRÍNSECOS"

Los materiales semiconductores, según su pureza, se clasifican de la siguiente forma:

1. Intrínsecos
2. Extrínsecos

Se dice que un semiconductor es "intrínseco" cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura. En ese caso, la cantidad de huecos que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción.

Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como "electrones de conducción", pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.

Como se puede observar en la ilustración, en el caso de los semiconductores el espacio correspondiente a la banda prohibida es mucho más estrecho en comparación con los materiales aislantes. La energía de salto de banda (Eg) requerida por los electrones para saltar de la banda de valencia a la de conducción es de 1 eV aproximadamente. En los semiconductores de silicio (Si), la energía de salto de banda requerida por los electrones es de 1,21 eV, mientras que en los de germanio (Ge) es de 0,785 eV.

Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la ilustración, los átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.


SEMICONDUCTORES "EXTRÍNSECOS"


Cuando a la estructura molecular cristalina del silicio o del germanio se le introduce cierta alteración, esos elementos semiconductores permiten el paso de la corriente eléctrica por su cuerpo en una sola dirección. Para hacer posible, la estructura molecular del semiconductor se dopa mezclando los átomos de silicio o de germanio con pequeñas cantidades de átomos de otros elementos o "impurezas".

Generalmente los átomos de las "impurezas" corresponden también a elementos semiconductores que, en lugar de cuatro, poseen tres electrones en su última órbita [como el galio (Ga) o el indio (In)], o que poseen cinco electrones también en su última órbita [como el antimonio (Sb) o el arsénico (As)]. Una vez dopados, el silicio o el germanio se convierten en semiconductores "extrínsecos" y serán capaces de conducir la corriente eléctrica.

En la actualidad el elemento más utilizado para fabricar semiconductores para el uso de la industria electrónica es el cristal de silicio (Si) por ser un componente relativamente barato de obtener. La materia prima empleada para fabricar cristales semiconductores de silicio es la arena, uno de los materiales más abundantes en la naturaleza. En su forma industrial primaria el cristal de silicio tiene la forma de una oblea de muy poco grosor (entre 0,20 y 0,25 mm aproximadamente), pulida como un espejo.

A la izquierda se muestra la ilustración de una oblea (wafer) o cristal semiconductor de. silicio pulida con brillo de espejo, destinada a la fabricación de transistores y circuitos. integrados. A la derecha aparece la cuarta parte de la oblea conteniendo cientos de. minúsculos dados o "chips", que se pueden obtener de cada una. Esos chips son los. que después de pasar por un proceso tecnológico apropiado se convertirán en. transistores o circuitos integrados. Una vez que los chips se han convertido en. transistores o circuitos integrados serán desprendidos de la oblea y colocados dentro. de una cápsula protectora con sus correspondientes conectores externos.

Placa individual de 2 x 2 cm de área, correspondiente a un antiguo diodo de selenio.


El segundo elemento también utilizado como semiconductor, pero en menor proporción que el silicio, es el cristal de germanio (Ge).



Durante mucho tiempo se empleó también el selenio (S) para fabricar diodos semiconductores en forma de placas rectangulares, que combinadas y montadas en una especie de eje se empleaban para rectificar la corriente alterna y convertirla en directa. Hoy en día, además del silicio y el germanio, se emplean también combinaciones de otros elementos semiconductores presentes en la Tabla Periódica.



Entre esas combinaciones se encuentra la formada por el galio (Ga) y el arsénico (As) utilizada para obtener arseniuro de galio (GaAs), material destinado a la fabricación de diodos láser empleados como dispositivos de lectura en CDs de audio.

Lente (señalada con la flecha) detrás de la cual se encuentra instalado un diodo láser de arseniuro de galio (GaAs) empleado para leer datos de texto, presentaciones multimedia o música grabada en un CD. En esta ilustración el. CD se ha sustituido por un disco similar transparente de plástico común.


En el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en estado puro, es decir, como elementos intrínsecos, los electrones de su última órbita tienden a unirse formando "enlaces covalentes", para adoptar una estructura cristalina. Los átomos de cualquier elemento, independientemente de la cantidad de electrones que contengan en su última órbita, tratan siempre de completarla con un máximo de ocho, ya sea donándolos o aceptándolos, según el número de valencia que le corresponda a cada átomo en específico.

Con respecto a los elementos semiconductores, que poseen sólo cuatro electrones en su última órbita, sus átomos tienden a agruparse formando enlaces covalentes, compartiendo entre sí los cuatro electrones que cada uno posee, según la tendencia de completar ocho en su órbita externa. Al agruparse de esa forma para crear un cuerpo sólido, los átomos del elemento semiconductor adquieren una estructura cristalina, semejante a una celosía. En su estado puro, como ya se mencionó anteriormente, esa estructura no conduce la electricidad, por lo que esos cuerpos semiconductores se comportan como aislantes.

CONVERSIÓN DEL SILICIO EN SEMICONDUCTOR "TIPO-N" O EN "TIPO-P"

Tanto los cristales de silicio (Si) como los de germanio (Ge) en estado puro se pueden convertir en dispositivos semiconductores, capaces de conducir la corriente eléctrica si para ello alteramos su estructura molecular cristalina introduciendo ciertas cantidades de "impurezas".

Para realizar ese cambio será necesario introducir átomos de otros elementos semiconductores apropiados que posean tres electrones en su banda de valencia o última órbita (átomos trivalentes) o también cinco electrones en esa propia órbita (átomos pentavalentes). A tales efectos se consideran impurezas los siguientes elementos con átomos trivalentes: aluminio (Al), galio (Ga) e indio (In). También se consideran impurezas los átomos pentavalentes de arsénico (As), fósforo (P) o de antimonio (Sb).

Cuando añadimos a la estructura cristalina del silicio o del germanio una pequeña cantidad de átomos de un elemento pentavalente en función de "impurezas", estos átomos adicionales reciben el nombre de "donantes", porque cada uno dona o cede uno de sus cinco electrones a la estructura cristalina del semiconductor. Si, por el contrario, los átomos que se añaden como impurezas son trivalentes, se denominan entonces "aceptantes", porque cada uno tendrá que captar o aceptar un electrón procedente de la propia estructura cristalina del silicio o del germanio.

La conductividad que presente finalmente un semiconductor "dopado" dependerá de la cantidad de impurezas que contenga en su estructura cristalina. Generalmente para una proporción de un átomo de impureza que se añade por cada 100 millones de átomos del elemento semiconductor, la conductividad aumenta en 16 veces.

SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-N"

Como ya conocemos, ni los átomos de silicio, ni los de germanio en su forma cristalina ceden ni aceptan electrones en su última órbita; por tanto, no permiten la circulación de la corriente eléctrica, por tanto, se comportan como materiales aislantes.

Pero si la estructura cristalina de uno de esos elementos semiconductores la dopamos añadiéndole una pequeña cantidad de impurezas provenientes de átomos de un metaloide como, por ejemplo, antimonio (Sb) (elemento perteneciente los elementos semiconductores del Grupo Va de la Tabla Periódica, con cinco electrones en su última órbita o banda de valencia), estos átomos se integrarán a la estructura del silicio y compartirán cuatro de sus cinco electrones con otros cuatro pertenecientes a los átomos de silicio o de germanio, mientras que el quinto electrón restante del antimonio, al quedar liberado, se podrá mover libremente dentro de toda la estructura cristalina. De esa forma se crea un semiconductor extrínseco tipo-N, o negativo, debido al exceso de electrones libres existentes dentro de la estructura cristalina del material semiconductor.

Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si) formando una celosía. Como se puede observar, esta estructura se ha dopado añadiendo átomos de antimonio (Sb) para crear un material semiconductor "extrínseco". Los átomos de silicio (con cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia) se unen formando enlaces covalentes con los átomos de antimonio (con cinco en su última órbita banda de valencia). En esa unión quedará un electrón libre dentro de la estructura cristalina del silicio por cada átomo de antimonio que se haya añadido. De esa forma el cristal. de silicio se convierte en material semiconductor tipo-N (negativo) debido al exceso electrones libres con cargas negativas presentes en esa estructura.


Si a un semiconductor tipo-N le aplicamos una diferencia de potencial o corriente eléctrica en sus extremos, los electrones libres portadores de cargas negativas contenidos en la sustancia impura aumentan. Bajo esas condiciones es posible establecer un flujo de corriente electrónica a través de la estructura cristalina del semiconductor si le aplicamos una diferencia de potencia o corriente eléctrica.

No obstante, la posibilidad de que al aplicárseles una corriente eléctrica los electrones se puedan mover libremente a través de la estructura atómica de un elemento semiconductor es mucho más limitada que cuando la corriente fluye por un cuerpo metálico buen conductor.

SEMICONDUCTOR DE SILICIO "TIPO-P"

Si en lugar de introducir átomos pentavalentes al cristal de silicio o de germanio lo dopamos añadiéndoles átomos o impurezas trivalentes como de galio (Ga) (elemento perteneciente al Grupo IIIa de la Tabla Periódica con tres electrones en su última órbita o banda de valencia), al unirse esa impureza en enlace covalente con los átomos de silicio quedará un hueco o agujero, debido a que faltará un electrón en cada uno de sus átomos para completar los ocho en su última órbita. En este caso, el átomo de galio tendrá que captar los electrones faltantes, que normalmente los aportarán los átomos de silicio, como una forma de compensar las cargas eléctricas. De esa forma el material adquiere propiedades conductoras y se convierte en un semiconductor extrínseco dopado tipo-P (positivo), o aceptante, debido al exceso de cargas positivas que provoca la falta de electrones en los huecos o agujeros que quedan en su estructura cristalina.

Estructura cristalina compuesta por átomos de silicio (Si). que forman, como en el caso anterior, una celosía, dopada. ahora con átomos de galio (Ga) para formar un. semiconductor "extrínseco". Como se puede observar en. la. ilustración, los átomos de silicio (con cuatro electrones en. la. última órbita o banda de valencia) se unen formando. enlaces covalente con los átomos de galio (con tres. electrones en su banda de valencia). En esas condiciones. quedará un hueco con defecto de electrones en la. estructura. cristalina de silicio, convirtiéndolo en un. semiconductor tipo-P (positivo) provocado por el defecto de. electrones en la estructura.

MECANISMO DE CONDUCCIÓN DE UN SEMICONDUCTOR

Cuando a un elemento semiconductor le aplicamos una diferencia de potencial o corriente eléctrica, se producen dos flujos contrapuestos: uno producido por el movimiento de electrones libres que saltan a la "banda de conducción" y otro por el movimiento de los huecos que quedan en la "banda de valencia" cuando los electrones saltan a la banda de conducción.

Cuando aplicamos una diferencia de potencial a un. elemento semiconductor, se establece una. "corriente de electrones" en un sentido y otra. "corriente de huecos" en sentido opuesto.


Si analizamos el movimiento que se produce dentro de la estructura cristalina del elemento semiconductor, notaremos que mientras los electrones se mueven en una dirección, los huecos o agujeros se mueven en sentido inverso. Por tanto, el mecanismo de conducción de un elemento semiconductor consiste en mover cargas negativas (electrones) en un sentido y cargas positivas (huecos o agujeros) en sentido opuesto.

Ese mecanismo de movimiento se denomina "conducción propia del semiconductor", que para las cargas negativas (o de electrones) será "conducción N", mientras que para las cargas positivas (de huecos o agujeros), será "conducción P".


Nombre: Edymar Gonzalez A

EES

http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_9.htm

Cristanilidad de los Polimeros

Esta página está dedicada por entero a los cristales poliméricos. No tiene nada que ver con los polímeros que usa la comunidad juvenil, sino con otra clase de cristal. Esa clase de cristal relacionada con cualquier objeto en el cual las moléculas se encuentran dispuestas según un ordenamiento regular. El hielo es un cristal. En el hielo, todas las moléculas de agua están dispuestas de un modo específico. También en la sal de mesa, el cloruro de sodio. (Extrañamente, las elegantes copas de cristal que posee su madre, no tienen nada de cristal, ya que el vidrio es un sólido amorfo, es decir, un sólido en el cual las moléculas no tienen ningún orden ni arreglo particular).

Para comprender toda esta charla sobre cristales y sólidos amorfos, volvamos a casa. ¿A casa? ¿Por qué? Porque así usted podrá ver el cajón donde guarda sus medias. Algunas personas son muy prolijas y ordenadas. Cuando guardan sus medias, las pliegan y las apilan con gran dedicación. Así:















A otros en realidad no les interesa en absoluto lo prolijo que pueda verse su cajón de medias. Esas personas simplemente arrojan sus medias en el cajón, formando un gran montículo totalmente enredado. De modo que su cajón se ve así:












Los polímeros son como las medias. A veces se encuentran dispuestos de modo perfectamente ordenado, como el cajón de la foto de arriba. Cuando estamos en este caso, decimos que el polímero es cristalino. En otras ocasiones, no existe un ordenamiento y las cadenas poliméricas forman una masa completamente enredada, como las medias de la foto de abajo. Cuando ésto sucede, decimos que el polímero es amorfo.

En esta página vamos a hablar de los polímeros cristalinos prolijamente ordenados.

¿Pero qué tipo de ordenamiento suelen formar los polímeros?

Suelen alinearse estando completamente extendidos, como si fueran una prolija pila de maderos.

Pero no siempre pueden extenderse en línea recta. De hecho, muy pocos polímeros logran hacerlo, y esos son el polietileno de peso molecular ultraalto, y las aramidas como el Kevlar y el Nomex. La mayoría de los polímeros se extienden sólo una corta distancia para luego plegarse sobre sí mismos.




















En el caso del polietileno, las cadenas se extienden alrededor de 100 angstroms antes de plegarse.

Pero no sólo se pliegan de esta forma. Los polímeros forman apilamientos a partir de esas cadenas plegadas. Aquí debajo hay una figura representando uno de esos apilamientos, llamado lamella.

















Claro que no siempre es tan ordenado. A veces, una parte de la cadena está incluida en este cristal y otra parte no. Cuando ésto ocurre, obtenemos el desorden que usted ve abajo. Nuestra lamella ya no se ve prolija ni ordenada, sino todo lo contrario, ¡con cadenas colgando por todos lados!
















Siendo poco decididas, obviamente, las cadenas poliméricas a menudo decidirán que desean retornar dentro de la lamella después de vagar por un tiempo en el exterior. En ese caso, obtenemos una figura parecida a ésto:


















Este es el modelo de distribución de una lamella de un polímero cristalino. Cuando una cadena polimérica no se queda divagando por el exterior del cristal, sino que se pliega nuevamente, tal como vimos en las primeras figuras, origina un modelo llamado modelo de re-ingreso adyacente.


Amorfismo y Cristalinidad
¿No se está preguntando algo? Si usted observa las figuras de arriba, podrá ver que una parte del polímero es cristalina y otra parte no lo es. Sí, amigos, aún los polímeros más cristalinos no son totalmente cristalinos. Las cadenas, o parte de ellas, que no están en los cristales, no poseen ningún ordenamiento. Los científicos decimos que están en el estado amorfo. Por lo tanto, un polímero cristalino tiene en realidad dos componentes. La porción cristalina que está en la lamella y la porción amorfa, fuera de la lamella. Si observamos la figura ampliada de una lamella, veremos cómo están dispuestas las porciones cristalina y amorfa.



















Como puede observarse, una lamella crece como los rayos de una rueda de bicicleta, desde un núcleo central. (A veces, a los científicos nos gusta denominar una lamella como fibrillas lamellares.) En realidad crecen en tres dimensiones, por lo que se asemejan más a una esfera que a una rueda. Toda esta esfera se llama esferulita. En una porción de polímero cristalino, existen varios millones de esferulitas.

Entre medio de la lamella cristalina hay regiones en las que no existe ningún orden en la disposición de las cadenas poliméricas. Dichas regiones desordenadas son las porciones amorfas de las que hablábamos.

Como puede verse también en la figura, una única cadena polimérica puede formar parte tanto de una lamella cristalina como de una porción amorfa. Alguna cadenas incluso comienzan en una lamella, atraviesan la región amorfa y finalmente se unen a otra lamella. Dichas cadenas reciben el nombre de moléculas vínculo.

Por lo tanto, ningún polímero es completamente cristalino. Si usted se encuentra fabricando plásticos, ésto es muy conveniente. La cristalinidad hace que los materiales sean resistentes, pero también quebradizos. Un polímero totalmente cristalino sería demasiado quebradizo como para ser empleado como plástico. Las regiones amorfas le confieren dureza a un polímero, es decir, la habilidad de poder plegarse sin romperse.

Pero para fabricar fibras, deseamos que nuestros polímeros sean lo más cristalinos posible. Esto es porque una fibra es en realidad un largo cristal. ¿Desea saber más? ¡Entonces visite la Página de las Fibras!

Muchos polímeros presentan una mezcla de regiones amorfas y cristalinas, pero algunos son altamente cristalinos y otros son altamente amorfos. Aquí hay algunos de los polímeros que tienden hacia dichos extremos:

Algunos Polímeros Altamente Cristalinos: Algunos Polímeros Altamente Amorfos:

• Polipropileno
• Poli(metil metacrilato)
• Poliestireno sindiotáctico
• Poliestireno Atáctico
• Nylon
• Policarbonato
• Kevlar y Nomex
• Poliisopreno
• Policetonas
• Polibutadieno

¿Por qué?
¿Pero por qué algunos polímeros son altamente cristalinos y otros son altamente amorfos? Existen dos factores importantes, la estructura polimérica y las fuerzas intermoleculares.

Cristalinidad y estructura polimérica
La estructura de un polímero afecta en gran medida a la cristalinidad. Si es regular y ordenada, el polímero se empaquetará fácilmente en forma de cristales. De lo contrario, no. Observemos el poliestireno para comprenderlo mejor.









Como puede verse en las listas de arriba, existen dos clases de poliestireno. Está el poliestireno atáctico y el poliestireno sindiotáctico. Uno es sumamente cristalino y el otro es sumamente amorfo.





















El poliestireno sindiotáctico es muy ordenado, ya que los grupos fenilo se sitúan alternativamente a ambos lados de la cadena. Esto significa que puede empaquetarse fácilmente formando cristales.

Pero el poliestireno atáctico no tiene ese orden. Los grupos fenilo están dispuestos al azar, ya sea hacia uno u otro lado de la cadena. Sin ordenamiento, las cadenas no pueden empaquetarse correctamente. Por lo tanto el poliestireno atáctico es altamente amorfo.

Otros polímeros atácticos como el poli(metil metacrilato) y el poli(cloruro de vinilo) también son amorfos. Como podría esperarse, los polímeros estereoregulares como el polipropileno isotáctico y el politetrafluoroetileno son altamente cristalinos.

El polietileno es otro buen ejemplo. Puede ser cristalino o amorfo. El polietileno lineal es casi 100% cristalino. Pero el ramificado no puede empaquetarse en la forma que lo hace el lineal, por lo tanto, es altamente amorfo.











Cristalinidad y fuerzas intermoleculares

Las fuerzas intermoleculares pueden ser de gran ayuda para un polímero que quiera formar cristales. Un buen ejemplo es el nylon. En la figura puede verse que los grupos polares amida de la cadena principal del nylon 6,6, se encuentran fuertemente unidos entre sí a través de sólidos enlaces por puente de hidrógeno. Esta unión tan fuerte mantiene juntos a los cristales.


Los poliésteres constituyen otro ejemplo. Veamos el poliéster que llamamos poli(etilen tereftalato).












Los grupos polares éster, forman cristales resistentes. A su vez, los anillos aromáticos tienden a apilarse de un modo ordenado, haciendo aún más resistente a los cristales.
















¿Cuánta Cristalinidad?
Recuerde que dijimos que muchos polímeros contienen porciones de material cristalino y porciones de material amorfo. Hay un modo de saber la cantidad de polímero que es amorfa y la cantidad que es cristalina. Este método posee su propia página y se llama calorimetría diferencial de barrido.

Nombre: Edymar Gonzalez A

EES

http://www.pslc.ws/spanish/crystal.htm

Tecnolologia de Celdas Solares

Introduccion

Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversión de energía solar a calor o a energía química. Existen varias formas de celdas solares. La forma más común se basa en el efecto fotovoltaico. Esto consiste en que la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas.

Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil. Este es el principio básico de una celda solar.

Antecedentes

Las celdas solares eficientes han estado disponibles desde mediados de los años 50. La investigación científica del efecto fotovoltaico comenzó en 1839, cuando el científico francés Henri Becquerel descubrió que una corriente eléctrica podría ser producida haciendo brillar una luz sobre ciertas soluciones químicas. Pero no fue hasta 1905 que se obtuvo una comprensión más profunda de los principios científicos, provista por Albert Einstein y Schottky en 1930, la cual fue necesaria antes de que celdas solares eficientes pudieran ser confeccionadas.

Finalmente en 1954 fue desarrollada por Chapin, Pearson y Fuller una célula solar de silicio que convertía el 6% de la luz solar que incidía sobre ella en electricidad, y esta es la clase de célula que fue utilizada en usos especializados tales como satélites orbitales a partir de 1958. Desde entonces se siguen desarrollando diferentes técnicas para hacer más eficientes las celdas solares para sus diversas aplicaciones.

Tipos de Celdas Solares

En la actualidad existen una gran variedad de métodos para la producción práctica de celdas solares de silicio (amorfas, monocristalinas o policristalinas), del mismo modo que para las celdas solares hechas de otros materiales (seleniuro de cobre e indio, teluro de cadmio, arseniuro de galio, etc). Las celdas solares de silicio disponibles comercialmente tienen una eficiencia de conversión en electricidad de la luz solar que cae sobre ellas de cerca del 18%, a una fracción del precio de hace treinta años.

Para elaborar celdas de silicio es necesario contar con una de estas tres cosas, planchas (wafers) monocristalinas, planchas policristalinas o láminas delgadas. Y el procedimiento es el siguiente:

* Las planchas monocristalinas (de aproximadamente 1/3 a 1/2 de milímetro espesor) se cortan de un gran lingote monocristalino que se ha desarrollado a aproximadamente 1400°C, este es un proceso muy costoso aparte que el silicio debe ser de una pureza muy elevada y tener una estructura cristalina casi perfecta. Nota: Por las complicaciones y altos costos que existen a la hora de construir este tipo de estructuras los avances tecnológicos que se están realizando actualmente se enfocan más en las planchas policristalinas

*Las planchas policristalinas son realizadas por un proceso de moldeo en el cual el silicio fundido es vertido en un molde y se lo deja asentar. Es importante señala que en este metodo de fabricación el rendimiento es más bajo debido a las imperfecciones en la estructura cristalina resultando del proceso de moldeo, por lo que son menos eficientes que las planchas monocristalinas.

Una similitud que comparten los dos procesos anteriormente mencionados, es que casi la mitad del silicio se pierde como polvo durante el cortado.


Sobre las Planchas Policristalinas o láminas delgadas.

Una de las tecnologías de lámina delgada, es el silicio amorfo, el cual es creado depositando silicio sobre un substrato de vidrio de un gas reactivo tal como silano (SiH4).. Este tipo de célula solar se puede aplicar como película a substratos del bajo costo tales como cristal o plástico.

Otras tecnologías de lámina delgada incluyen lámina delgada de silicio multicristalino, las celdas de seleniuro de cobre e indio/sulfuro de cadmio, las celdas de teluro de cadmio/sulfuro del cadmio y las celdas del arseniuro de galio. Las celdas de lámina delgada tienen muchas ventajas incluyendo una deposición y un ensamblado más fácil, la capacidad de ser depositadas en substratos o materiales de construcción baratos, la facilidad de la producción en masa, y la gran conveniencia para aplicaciones grandes.

En la producción de estas celdas se le introducen átomos de impurezas (dopado) para crear una región tipo p y una región tipo n de modo de producir una unión p-n. El dopado se puede hacer por difusión a alta temperatura, donde las planchas se colocan en un horno con el dopante introducido en forma de vapor.

Hay muchos otros métodos de dopar el silicio. En la fabricación de algunos dispositivos de lámina delgada la introducción de dopantes puede ocurrir durante la deposición de las láminas o de las capas.

Proceso de dopaje y construcción de las Celdas.

Para entender mejor el método de celdas delgadas es necesario conocer información química sobre el silicio. Un átomo del silicio tiene cuatro electrones de valencia (aquellos más débilmente unidos), que enlazan a los átomos adyacentes.

Substituyendo un átomo del silicio por un átomo que tenga tres o cinco electrones de la valencia producirá un espacio sin un electrón (un agujero) o un electrón extra que pueda moverse más libremente que los otros, ésta es la base del dopaje.

En el dopaje tipo p, la creación de agujeros, es alcanzada mediante la incorporación en el silicio de átomos con tres electrones de valencia, generalmente se utiliza boro.
En el dopaje de tipo n, la creación de electrones adicionales es alcanzada incorporando un átomo con 5 electrones de valencia, generalmente fósforo.

Una vez que se crea una unión p-n, se hacen los contactos eléctricos al frente y en la parte posterior de la célula evaporando o pintando con metal la plancha. La parte posterior de la plancha se puede cubrir totalmente por el metal, pero el frente de la misma tiene que tener solamente un patrón en forma de rejilla o de líneas finas de metal, de otra manera el metal bloquearía al sol del silicio y no habría ninguna respuesta a los fotones de la luz incidente.

¿Como se transforma la energia solar en eléctrica?

Para entender la operación de una célula fotovoltaica, necesitamos considerar la naturaleza del material y la naturaleza de la luz del sol n. Las celdas solares están formadas por dos tipos de material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n.
La luz de ciertas longitudes de onda puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa algunas de las cargas positivas ("agujeros") de las cargas negativas (electrones) dentro del dispositivo fotovoltaico. Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de tipo p y los electrones hacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas opuestas se atraen mutuamente, la mayoría de ellas solamente se pueden recombinar pasando a través de un circuito externo fuera del material debido a la barrera de energía potencial interno.
Por lo tanto si se hace un circuito, se puede producir una corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los electrones libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros positivos.

Una vez comprendido lo anterior, es posible abordar el funcionamiento de las celdas el cual comiensa Cuando una celda es expuesta a la luz (se expone el lado negativo), si los fotones que llegan a la superficie tienen una energía mayor que la necesaria para liberar a un electrón desde la red de la cual forman parte, surge una corriente de foto electrones. Debe ocurrir que la energía de los fotones sea mayor que la energía de ligazón de los electrones al material, que exista una juntura semiconductora que impida la recombinación de portadores positivos y negativos, y que la vida media de los portadores permita sostener un flujo de corriente a través de una carga útil.

Nombre: Edymar Gonzalez A

EES

http://lunabond.blogspot.com/2007/09/tecnologa-de-celdas-solares.html

QUÍMICA DEL CARBONO Y SILICIO

QUÍMICA DEL CARBONO

2.1 CONCEPTO

El carbono está ampliamente distribuido en la naturaleza pese a no ser un elemento especialmente abundante. En la corteza terrestre es el duodécimo elemento en orden de abundancia, siendo la misma la milésima parte de la de oxígeno y sólo vez y media mayor que la del manganeso.

Sólo se conocen unas cincuenta mil sustancias en cuya composición no interviene el carbono, y pasan de 2 millones el número de compuestos de carbono conocidos.

Al final del siglo XVII, los científicos dividían las sustancias naturales en tres grupos según su origen: sustancias vegetales, sustancias animales y sustancias minerales.

Al final del siglo XVIII y gracias a los trabajos de Lavoisier, se llegó a la conclusión de que no existían diferencias en cuanto a la naturaleza de sustancias animales y vegetales. A partir de entonces se clasificaron las sustancias en dos grupos: las producidas por seres vivos u orgánicas, y las que no procedían de seres vivos o inorgánicas.

A principios del siglo XIX, Berzelius aún creía en la existencia de una razón básica que fuese responsable de las marcadas diferencias que se encontraban entre los compuestos orgánicos y los inorgánicos. La causa de las diferencias se achacaba a la vis vitalis (fuerza vital), de misteriosa naturaleza y que sólo actuaba en los seres vivos, por lo que los compuestos orgánicos no podrían nunca prepararse artificialmente.

La derrota de la teoría de la vis vitalis se atribuye a Friedrich Wöhler, quien en 1828 sintetizó urea (sustancia que se encuentra en la orina de los animales, siendo el principal producto nitrogenado del metabolismo de las proteínas). La síntesis tuvo lugar, sin intervención de organismos vivos, según:


SO4(NH4)2 + (CNO)2Pb SO4Pb + 2CNONH4 (H2N)2CO

(Urea)


La síntesis efectuada por Kolbe en 1845 (síntesis del ácido acético) y la de Berthelot (síntesis del metano), así como otras que les siguieron, corroboraron las conclusiones de Wöhler, determinando el definitivo y total rechazo de la teoría de la fuerza vital.

Poco a poco fue diluyéndose en la mente de los científicos la barrera entre Química Orgánica y Química Inorgánica. Sin embargo, se conservaron estos términos debido a que:

•Todos los compuestos considerados como orgánicos contienen carbono.
•Los compuestos de carbono son mucho más numerosos que los compuestos conocidos del resto de los elementos.
•Los compuestos con un esqueleto carbonado no parecen ajustarse a las reglas de valencia a que se ajustan los compuestos minerales.
•Los compuestos orgánicos presentan propiedades generales muy distintas de las que presentan los compuestos minerales. Así, los compuestos orgánicos se descomponen con facilidad por la acción del calor, son combustibles en su gran mayoría, tienen puntos de fusión y ebullición bajos, de ordinario reaccionan con lentitud, etc.

2.2 FORMAS ALOTRÓPICAS

Todos los materiales de carbón están compuestos de átomos de carbono. Sin embargo, dependiendo de la organización que presenten estos átomos de carbono, los materiales de carbón pueden ser muy diferentes unos de otros. Las estructuras a las que dan lugar las diversas combinaciones de átomos de carbono pueden llegar a ser muy numerosas. En consecuencia, existen una gran variedad materiales de carbón.

Para intentar explicar las diferentes estructuras de los carbones conviene empezar a una escala atómica. Así, los átomos de carbono poseen una estructura electrónica 1s2 2s2 2p2 , lo que permite que los orbitales atómicos de los átomos de carbono puedan presentar hibridaciones del tipo: sp, sp2 y sp3.

Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp dan lugar a cadenas de átomos, en las que cada átomo de carbono está unido a otro átomo de carbono por un enlace tripe y a un segundo átomo de carbono por un enlace sencillo.











Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp2, cada átomo de carbono se une a otros 3 en una estructura plana que da lugar a la forma alotrópica del grafito.














Los átomos de carbono forman un sistema de anillos condensados que dan lugar a láminas paralelas entre si. Los enlaces químicos de las láminas son covalentes entre orbitales híbridos sp2, mientras que los enlaces entre las láminas son por fuerzas de Van der Waals. Dependiendo del apilamiento de las láminas existen dos formas alotrópicas diferentes: el grafito hexagonal, que es la forma termodinámicamente estable en la que la secuencia de apilamiento de las láminas es ABAB; y el grafito romboédrico, que es una forma termodinámicamente inestable, y mucho menos abundante, con una secuencia de apilamiento ABCABC.














Estructuras del grafito hexagonal (ABAB) y del grafito romboédrico(ABCA)


Hibridación sp3, forma alotrópica del diamante.













El diamante cúbico es la estructura más habitual de esta forma alotrópica. Sin embargo, bajo ciertas condiciones el carbono cristaliza como diamante hexagonal o lonsdaleita (llamada así en honor a Kathleen Lonsdale), una forma similar al diamante pero hexagonal. Esta forma inusual del diamante se encontró por primera vez en 1967 en forma de cristales microscópicos, asociados al diamante, en restos del meteorito del Cañón del Diablo en Arizona. Con posterioridad también se ha identificado esta forma de diamante en otros meteoritos. Se cree que se forma cuando en el momento del impacto de meteoritos que contienen grafito contra la Tierra, de forma que el calor y energía del impacto transforman el grafito en diamante manteniendo en parte de la estructura hexagonal del grafito.















Una forma alotrópica del carbono en la cual los átomos de carbono presentan una hibridación intermedia entre la sp2 y la sp3 es el fullereno. Este tipo de hibridación hace posible que los átomos de carbono puedan combinarse formando hexágonos y pentágonos en estructuras tridimensionales cerradas. El fullereno más común es el C60 (de 60 átomos de carbono) y es similar a un balón de fútbol, aunque también se han descrito otros fullerenos: C76,...C100, etc. Los nanotubos de carbono prestan también estas hibridaciones intermedias y pueden considerarse como láminas de grafito enrolladas en forma de tubos. Los nanotubos pueden ser abiertos o cerrados, en cuyo caso la estructura que cierra el nanotubo es similar a la mitad de un fullereno. Los nanotubos también pueden ser monocapa (de una sola capa) o multicapa (varias capas concéntricas).






















Diversas estructuras de nanotubos de carbono

























Carbones y sus diferentes estructuras microscópicas

QUÍMICA DEL SILICIO

3.1 ESTRUCTURA QUÍMICA

Es un elemento semimetálico, el segundo elemento más común en la Tierra después del oxígeno. Su número atómico es 14 y pertenece al grupo 14 (o IVA) de la tabla periódica. Fue aislado por primera vez de sus compuestos en 1823 por el químico sueco Jöns Jakob barón de Berzelius.

Propiedades y estado natural

Se prepara en forma de polvo amorfo amarillo pardo o de cristales negros-grisáceos. Se obtiene calentando sílice, o dióxido de silicio (SiO2), con un agente reductor, como carbono o magnesio, en un horno eléctrico. El silicio cristalino tiene una dureza de 7, suficiente para rayar al vidrio, de dureza de 5 a 7. El silicio tiene un punto de fusión de 1.410 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y una densidad relativa de 2,33. Su masa atómica es 28,086.

El silicio se disuelve en ácido fluorhídrico formando el gas tetrafluoruro de silicio, SiF4 (véase Flúor), y es atacado por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico, aunque el dióxido de silicio formado inhibe la reacción. También se disuelve en hidróxido de sodio, formando silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas ordinarias el silicio es insensible al aire, pero a temperaturas elevadas reacciona con el oxígeno formando una capa de sílice que ya no reacciona más. A altas temperaturas reacciona también con nitrógeno y cloro formando nitruro de silicio y cloruro de silicio respectivamente.

El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en estado libre elemental, sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos. Los minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40% de todos los minerales comunes, incluyendo más del 90% de los minerales que forman rocas volcánicas. El mineral cuarzo, las variedades del cuarzo (cornalina, crisoprasa, ónice, pedernal y jaspe) y los minerales cristobalita y tridimita son las formas cristalinas del silicio existentes en la naturaleza. El dióxido de silicio es el componente principal de la arena. Los silicatos (en concreto los de aluminio, calcio y magnesio) son los componentes principales de las arcillas, el suelo y las rocas, en forma de feldespatos, anfiboles, piroxenos, micas y ceolitas, y de piedras semipreciosas como el olivino, granate, zircón, topacio y turmalina

3.2 SILICIO EN LA MEMORIA

En 1959, Richard Feynman predijo que todas las palabras escritas en la historia del mundo podrían ser contenidas en un cubo de material cuyo lado fuera una 2/100 parte de una pulgada, siempre y cuando dichas palabras estuviesen escritas con átomos. Poco más de 40 años después, científicos de la University of Wisconsin-Madison han creado una memoria a escala atómica utilizando átomos de silicio en vez de los 1s y 0s empleados por los ordenadores de hoy en día para almacenar datos.

Se trata de un paso corto pero crucial hacia una memoria a escala atómica práctica, donde los átomos representarán los bits de información que a su vez forman las palabras, imágenes y códigos leídos por los ordenadores.

El trabajo, encabezado por Franz Himpsel, es muy interesante. Aunque la memoria creada por él y sus colegas se encuentra en dos dimensiones, a diferencia del cubo pronosticado por Feynman, proporciona una densidad de almacenamiento un millón de veces mayor que la de un CD-ROM.

El átomo representa, de momento, el "muro" infranqueable de la miniaturización tecnológica. Parece un límite natural. Aunque divisible, es una unidad fundamental de la naturaleza. Son las partículas más pequeñas de un elemento químico: un único grano de arena, por ejemplo, puede contener 10 billones de átomos.

La nueva memoria fue construida sobre una superficie de silicio que automáticamente forma surcos dentro de los cuales se alinean filas de átomos de silicio, descansando como pelotas de tenis en un canalón. Utilizando un microscopio STM (scanning tunneling microscope), los científicos levantaron átomos individuales de silicio con su punta, creando espacios que representan los 0s del almacenamiento de datos, mientras que los átomos que permanecen en su lugar representan los 1s.

Como la memoria convencional, el dispositivo a escala atómica puede ser inicializado, formateado, escrito y leído a temperatura ambiental. Para su fabricación no se empleó litografía sino que se evaporó oro sobre una pastilla de silicio, proporcionando una estructura de pistas (surcos) muy precisa. Evaporando después silicio sobre la oblea tratada, se pueden difundir los átomos a lo largo de la estructura, donde se alinearán y permanecerán dentro de las pistas como los huevos en una huevera. Los átomos de silicio representarán los bits de información.

La alineación es tan precisa que permite su manipulación y extracción con el STM sin perturbar a los átomos que no deben tocarse (de lo contrario podrían formarse enlaces indeseados).

La tecnología requerirá aún años, sino décadas, para alcanzar el punto de madurez necesario para su uso práctico. Las manipulaciones con el STM en una situación de vacío son impedimentos que deberán resolverse.

La densidad de memoria alcanzada es comparable a la elegida por la naturaleza cuando almacena información en las moléculas de ADN. La memoria de silicio a escala atómica usa 20 átomos para almacenar un bit de datos. El ADN utiliza 23 átomos.


Nombre: Edymar Gonzalez A

EES

http://www.monografias.com/trabajos48/nanotecnologia/nanotecnologia2.shtml

SEMICONDUCTORES

Los semiconductores son elementos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza, después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el selenio.Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con sólo cuatro electrones, denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina, en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos, formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo.

Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, que con respecto a los electrones próximos tiene efectos similares a los que provocaría una carga positiva. Los huecos tienen la misma carga que el electrón pero con signo positivo.

El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por los siguientes fenómenos:

- Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de la pila.

- Los huecos son portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila.

- Al conectar una pila, circula una corriente eléctrica en el circuito cerrado, siendo constante en todo momento el número de electrones dentro del cristal de silicio.

- Los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica.

Semiconductores P y N

En la práctica, para mejorar la conductividad eléctrica de los semiconductores, se utilizan impurezas añadidas voluntariamente. Esta operación se denomina dopado, utilizándose dos tipos:

• Impurezas pentavalentes. Son elementos cuyos átomos tienen cinco electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el fósforo, el antimonio y el arsénico.

• Impurezas trivalentes. Son elementos cuyos átomos tienen tres electrones de valencia en su orbital exterior. Entre ellos se encuentran el boro, el galio y el indio.

Cuando un elemento con cinco electrones de valencia entra en la red cristalina del silicio, se completan los cuatro electrones de valencia que se precisan para llegar al equilibrio y queda libre un quinto electrón que le hace mucho mejor conductor. De un semiconductor dopado con impurezas pentavalentes se dice que es de tipo N.

En cambio, si se introduce una impureza trivalente en la red cristalina del silicio, se forman tres enlaces covalentes con tres átomos de silicio vecinos, quedando un cuarto átomo de silicio con un electrón sin enlazar, provocando un hueco en la red cristalina. De un semiconductor dopado con impurezas trivalentes se dice que es de tipo P.

Unión PN

Cuando a un material semiconductor se le introducen impurezas de tipo P por un lado e impurezas tipo N por otro, se forma una unión PN .

Los electrones libres de la región N más próximos a la región P se difunden en ésta, produciéndose la recombinación con los huecos más próximos de dicha región. En la región N se crean iones positivos y en la región P se crean iones negativos. Por el hecho de formar parte de una red cristalina, los iones mencionados están interaccionados entre sí y, por tanto, no son libres para recombinarse.

Por todo lo anterior, resulta una carga espacial positiva en la región N y otra negativa en la región P, ambas junto a la unión. Esta distribución de cargas en la unión establece una «barrera de potencial» que repele los huecos de la región P y los electrones de la región N alejándolos de la mencionada unión. Una unión PN no conectada a un circuito exterior queda bloqueada y en equilibrio electrónico a temperatura constante.

Unión PN polarizada en directo

Si se polariza la unión PN en sentido directo, es decir, el polo positivo de la pila a la región P y el polo negativo a la región N , la tensión U de la pila contrarresta la «barrera de potencial» creada por la distribución espacial de cargas en la unión, desbloqueándola, y apareciendo una circulación de electrones de la región N a la región P y una circulación de huecos en sentido contrarío. Tenemos así una corriente eléctrica de valor elevado, puesto que la unión PN se hace conductora, presentando una resistencia eléctrica muy pequeña. El flujo de electrones se mantiene gracias a la pila que los traslada por el circuito exterior circulando con el sentido eléctrico real, que es contrario al convencional establecido para la corriente eléctrica.

Unión PN polarizada en inverso

Si se polariza la unión PN en sentido inverso, es decir, el polo positivo de la pila a la región N y el polo negativo a la región P (figura 6), la tensión U de la pila ensancha la «barrera de potencial» creada por la distribución espacial de cargas en la unión, produciendo un aumento de iones negativos en la región P y de iones positivos en la región N, impidiendo la circulación de electrones y huecos a través de la unión.

La unión PN se comporta de una forma asimétrica respecto de la conducción eléctrica; dependiendo (le¡ sentido de la conexión, se comporta corno un buen conductor (polarizada en dire(-to) o como un aislante (polarizada en inverso).


Nombre: Edymar Gonzalez A

EES

http://www.etitudela.com/Electrotecnia/electronica/01d56993840f26d07/01d56994e30f40632/index.html

ENERGÍAS RENOVABLES

Las células fotovoltaicas en su punto álgido

Los investigadores del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (FhG-ISE), de Alemania, han hecho su sueño realidad antes de lo que esperaban. En enero de 2009 batieron un récord mundial en el sector de las células fotovoltaicas multiunión, con un índice de conversión del 41,24%. Pero creen que podrán ir más lejos, gracias a las células solares equipadas de estructuras multiunión metamórficas. Parece ser que el Sol no ha dicho aún su última palabra.

Source: Fraunhofer ISE Las células fotovoltaicas (FV) convencionales de unión simple de silicio, suficientes para dar energía a nuestros relojes y calculadoras, no son muy eficaces para convertir la energía del espectro solar en electricidad. Estas células fotovoltaicas industriales transforman eficazmente sólo el 17% de dicha energía, mientras que otros tipos de componentes van hasta el 25%.

De ahí que las investigaciones se estén enfocando en el desarrollo de células FV multiunión. Estas células, al estar compuestas por diferentes elementos, como el arsenio de galio, el fosfuro de indio y galio o el germanio, pueden captar una gama más amplia de energía solar. Una estructura multiunión en principio sólo es la acumulación de células de unión simple, pero si se aplican semiconductors distintos, cada una de las uniones convierte diferentes franjas del espectro solar, con un rendimiento más elevado. Desde hace una década, el Instituto Fraunhofer desarrolla células fotovoltaicas multiunión metamórficas, a base de semiconductores de los grupos III-V, idóneos para la conversión de la luz solar en electricidad.

La elaboración de cualquier célula FV se hace a partir de un semiconductor de unión P-N(1). Para obtener un mejor índice de conversión se van acumulando células de diversos materiales, poseyendo cada una de ellas su propia unión P-N. A principios de 2009, el Instituto Fraunhofer obtuvo el récord mundial con una célula compuesta por un substrato de germanio, recubierto con arsenio de galio, y una tercera capa de fosfuro de indio y galio. Según Andreas Bett, responsable del departamento de células solares, la idea de aumentar la eficacia por acumulación no es nueva, pero la clave ha sido utilizar la tecnología adecuada, con materiales de alta calidad.

El truco: el crecimiento cristalino metamórfico

Todos los semiconductores son materiales cristalinos. Estas estructuras periódicas están formadas por capas de átomos separados por una distancia propia del elemento químico utilizado, denominado "constante de red". La capa inferior del "pastel" aquí es de germanio, y si se deposita encima otro material, en principio tiene que ser compatible con el germanio, es decir, tener la misma constante de red. Se obtiene entonces un cristal de alta calidad, que plantea pocos problemas a la hora de convertir la luz solar. Pero si la constante de red difiere, aunque sea ligeramente, se producen fallos locales denominados "dislocaciones" que reducen en gran medida el índice de conversión.

En eso consiste el truco del crecimiento metamórfico del Instituto Fraunhofer, que puso a punto una capa FV inactiva específica, denominada "capa intermedia", en la que quedan confinadas todas las dislocaciones del cristal. Por encima de dicha capa intermedia se deposita cada material de nueva constante de red, lo que proporciona al final un cristal casi sin defectos. Todas las imperfecciones se concentran en una región eléctricamente inactiva de la célula solar, dejando limpias las porciones activas.

El crecimiento cristalino metamórfico utiliza un campo más ancho de semiconductores IIIV en las células FV multiunión. Para lograr un rendimiento óptimo, el espectro solar se subdivide en tres zonas de tamano equivalente mediante materiales con propiedades de absorción apropiadas. La combinación de los materiales metamórficos Ga0.35In0.65P y Ga0.83In0.17As/ Ge está perfectamente adaptada, ya que cada una de las subcélulas de la triple unión genera la misma cantidad de corriente eléctrica, condición esencial para mejorar la eficacia de conversión.

¿Fijarse de nuevo metas más altas?
No era el primer intento de los investigadores del Instituto Fraunhofer. En el 2008 ya habían batido el récord europeo de conversión solar, que pasó del 37,6% al 39,7%, en el espacio de tres meses. El desarrollo de las células de triple unión se realizó en el marco del proyecto FULLSPECTRUM, financiado por el Sexto Programa Marco de Investigación e iniciado en 2003. Los científicos empezaron sus investigaciones con un rendimiento del 32% hasta alcanzar el 35% en la fecha de finalización del proyecto, en septiembre del 2008.

Basándose en estos resultados, Andreas Bett opina que se podría llegar a una eficacia del 42% al 43% en un futuro próximo. "En la etapa siguiente se anadirán uniones suplementarias. Si llegamos a 5 o 6 uniones, podríamos posiblemente acercarnos al 50%. Pero esto requiere el desarrollo de nuevos materiales, lo que tardará un tiempo". Por otro lado, las células FV multiunión de semiconductor III-V ya están en fase de producción industrial. De hecho, la tecnología inventada por el Instituto Fraunhofer fue trasladada a su socio privado, AZUR Space Solar Power, situado en Heilborn (Alemania). La empresa, antigua participante del proyecto FULLSPECTRUM, está a punto de producir esta célula fotovoltaica en masa.

"Estamos convencidos que nuestras células darán pie a una tecnología fotovoltaica de concentración más competitiva y que permitirán disminuir los costes de producción de electricidad de origen solar", concluye Andreas Bett.

Nombre: Edymar Gonzalez A

EES

http://ec.europa.eu/research/research-eu/60/article_6022_es.html