Modificación nanométrica de materiales: implantación iónica

Resulta fascinante que hoy en día, el desarrollo de la tecnología nos brinde la oportunidad de llevar a cabo diferentes labores de una manera cómoda, sencilla, segura y rápida. Por ejemplo, el uso de computadoras, teléfonos inteligentes, aplicaciones y software, nos permite realizar compras, tomar clases a distancia, comunicarnos, pedir comida con entrega a domicilio, realizar búsquedas de información, almacenar y reproducir música, etcétera. Es más, hasta es posible reproducir videos en la pantalla del refrigerador y activar la lavadora desde cualquier parte del mundo. Todos estos desarrollos tecnológicos se han llevado a cabo teniendo una cosa en común: el bienestar humano.

Por este motivo, los desarrollos tecnológicos en medicina han permitido elaborar novedosos tratamientos contra enfermedades crónicas, pruebas para detectar enfermedades, instrumentos sofisticados para cirugías, tratamientos con láser, entre otros. La tecnología se ha convertido en parte de nuestro día a día, por lo que vale la pena reflexionar sobre cómo ha ocurrido este desarrollo y cuáles han sido los aspectos principales. En este trabajo serán abordados al menos tres conceptos de gran importancia para las aplicaciones tecnológicas actuales, nanotecnología, la ciencia de materiales y la implantación iónica.

Ciencias de los materiales

Comencemos analizando los avances tecnológicos bajo el enfoque de la Ciencia de Materiales ya que cobra un papel importante con respecto a las aplicaciones tecnológicas antes mencionadas. De hecho, la palabra “material” emergió debido a la actividad humana. De acuerdo con la Real Academia de la Lengua Española, un material se define como “un elemento que entra como ingrediente en algunos compuestos”.

Resulta interesante que las eras tempranas de la civilización humana se definen en términos de los materiales empleados para fabricar herramientas y armas, nos referimos a las épocas conocidas como la “era de piedra”, la “era de bronce” y la “era de hierro”. Refiriéndonos a tiempos más recientes, algunos expertos han sugerido que a la segunda mitad del siglo XX se le debería nombrar como la “era del silicio”, debido al impacto de este material en la electrónica moderna.

En este contexto, podemos resumir que esta rama de la ciencia es una disciplina que se encarga del estudio de las propiedades de materiales naturales y artificiales. Una vez estudiadas, se pueden sugerir modificaciones pertinentes para una mejora de dichas propiedades o una manipulación intencionada para obtener algunas específicas. Por lo tanto, esta ciencia nos permite sintetizar nuevos y diferentes tipos de materiales con propiedades específicas que han permitido el desarrollo de la electrónica moderna, específicamente, los materiales semiconductores.

El papel de la nanotecnología

Por otra parte -aunque no tan alejado-, tenemos el campo de la Nanotecnología, la cual es una ciencia que se encarga del estudio de los fenómenos y el control de la materia con dimensiones entre 1 y 100 nanómetros, entre los que se encuentran los fenómenos cuánticos. Los primeros años del siglo XXI se presentó un incremento en los campos emergentes de la nanotecnología. Derivado de esto, la nanoestructuración de semiconductores ha dado lugar a novedosas aplicaciones en electrónica, desde la miniaturización de dispositivos, láseres de estado sólido, ventanas inteligentes, celdas solares, pantallas de cristal líquido, sensores de gases dañinos a la salud humana, diodos emisores de luz de efecto cuántico y memorias de alta capacidad, por mencionar algunos.

Para lograrlo se han desarrollado diferentes técnicas para miniaturizar materiales y semiconductores con el objetivo de nano-estructurarlos, es decir, disminuir sus dimensiones hasta el tamaño nanométrico. Estas técnicas son diversas y tienen diferentes aspectos relacionados a la síntesis del material, como son el uso de litografía, depósitos por vapor químico o epitaxia en fase líquida y el procesamiento por haz de iones.

Por ejemplo, el procesamiento por haz de iones es una técnica que consiste en utilizar haces de iones para depositar, modificar o analizar materiales. Sobre este tema nos podríamos extender considerablemente. Sin embargo, en este trabajo nos enfocaremos en la técnica de implantación iónica, que nos sirve para modificar materiales a un nivel nanométrico.

¿Qué es la implantación iónica?

La implantación iónica es una técnica muy versátil para procesar diferentes materiales tales como metales, semiconductores y polímeros. Consiste en introducir átomos en una capa cercana a la superficie de un material sólido utilizando el bombardeo de iones como se muestra en la Fig. 1.

Los iones son acelerados utilizando una diferencia de potencial hacia la superficie que se desea implantar (que generalmente se conoce como “blanco”) y si el ion incidente tiene una energía mayor que la energía de enlace de los átomos superficiales, el ion incidente logra introducirse en el interior del blanco. Como el ion incidente posee energía, la transfiere a los átomos del blanco mediante una serie de colisiones.

De acuerdo con la energía del ion incidente, estas colisiones pueden ser con los electrones de los átomos del blanco (mediana energía) o bien con los núcleos de los átomos (alta energía). A su vez, esto provoca que los átomos del blanco se desplacen de la posición original que ocupan en la red cristalina, provocando a su vez otras colisiones originando la formación de una capa amorfizada cercana a la superficie, esto se conoce como cascada de colisiones lineales. Con respecto al ion incidente, éste se frena una vez que ha transferido su energía y eso es lo que conocemos como implantación iónica.

Fig. 1. Diagrama esquemático de la implantación iónica. Se muestra la partícula incidente, la cual se introduce en el blanco creando un efecto una zona amorfa (verde) cercana a la superficie que contiene defectos como vacancias e intersticiales.

Resulta necesario llevar a cabo un tratamiento térmico de las muestras implantadas para recuperar la cristalinidad del blanco. Esto se lleva a cabo preferentemente en una atmósfera de algún gas inerte para evitar la formación de compuestos secundarios, principalmente óxidos.

Una aplicación muy popular de la implantación iónica es la fabricación de transistores, los cuales se fabrican sobre una oblea de silicio. Esto se realiza usando una mascarilla, la cual cubre algunas zonas de la oblea mientras que deja pasar a los iones en otras zonas, logrando así cambiar la conductividad del semiconductor.

Otras aplicaciones de la implantación iónica, las encontramos cuando se utilizan en los instrumentos y equipos de caracterización de materiales utilizando técnicas como espectroscopía de masas de iones secundarios (SIMS, por sus siglas en inglés). En esta técnica, las superficies se bombardean con partículas cargadas para generar iones secundarios los cuales son analizados para identificar su composición química. Esto se muestra de manera esquemática en la Fig. 2.

De manera similar, otras técnicas como la espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS, por sus siglas en inglés) y el haz de iones enfocados (FIB, por sus siglas en inglés) utilizan a los haces de iones de manera común.

Fig. 2. Descripción gráfica de la técnica espectroscopia de masas de iones secundarios.

La diversidad de los iones utilizados es amplia, y las tecnologías comerciales actuales nos permiten implantar desde el hidrógeno hasta el radón, pasando por los metales nobles y algunos lantánidos como Neodimio y Gadolinio. Por otra parte, se puede variar el potencial del cañón de iones en un amplio rango de energía. También, se pueden utilizar iones o clústeres de iones para realizar el bombardeo.

Entonces, como podemos percatarnos, esta técnica incluye diversas variables experimentales y cambiar los parámetros de algunas, implica un cambio directo en los resultados obtenidos, como puede ser: el espesor de la capa implantada, la concentración del elemento implantado, modificación de la morfología superficial, sólo por mencionar algunas de ellas.

En conclusión, la implantación iónica es una técnica que nos permite nanoestructurar los materiales para obtener nuevas propiedades y dispositivos útiles con relevancia en aplicaciones tecnológicas como transistores, LEDs de efecto cuántico, sensores, entre otros.

Actualmente nos encontramos trabajando en diversos proyectos que incluyen la síntesis, caracterización y nanoestructuración de óxidos metálicos semiconductores para diversas aplicaciones. Particularmente estamos aplicando los conceptos antes mencionados en la línea de investigación de fotocatálisis para limpieza de agua, la cual es conocida como una técnica de oxidación avanzada. Esta técnica consiste en utilizar materiales nanoestructurados que, con la ayuda de radiación ultravioleta, liberan electrones que sirven para oxidar los contaminantes presentes en el agua, logrando así la degradación de éstos y logrando la limpieza del agua, el cual es un recurso muy valioso.