PROCEDIMIENTO DE OBTENCIÓN DE NANOHILOS DE SILICIO.
Procedimiento de obtención de nanohilos de silicio.
Procedimiento experimental simple que permite el empleo de membranas "plantilla" porosas para el crecimiento de nanohilos de silicio con una dimensionalidad (diámetro y longitud) controlada.
Este procedimiento se basa en el tratamiento térmico controlado de las membranas plantillas recubiertas por metales y soportadas sobre un sustrato cristalino de silicio que permite la obtención de nanohilos de silicio.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201030501.
Solicitante: UNIVERSIDAD AUTONOMA DE MADRID.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: ELIZALDE PEREZ GRUESO, EDUARDO, MORANT ZACARES,CARMEN, Márquez Linares,Francisco Manuel, Zamora,Felix, López,Vicente.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- B82B1/00 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES. › B82 NANOTECNOLOGIA. › B82B NANOESTRUCTURAS FORMADAS POR MANIPULACION DE ATOMOS O MOLECULAS INDIVIDUALES, O COLECCIONES LIMITADAS DE ATOMOS O MOLECULAS COMO UNIDADES DISCRETAS; SU FABRICACION O TRATAMIENTO. › Nanoestructuras formadas por manipulación de átomos o moléculas individuales, o colecciones limitadas de átomos o moléculas como unidades discretas.
- B82B3/00 B82B […] › Fabricación o tratamiento de nanoestructuras por manipulación de átomos o moléculas individuales, colecciones limitadas de átomos o moléculas como unidades discretas.
- C30B28/02 QUIMICA; METALURGIA. › C30 CRECIMIENTO DE CRISTALES. › C30B CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES (por sobrepresión, p. ej. para la formación de diamantes B01J 3/06 ); SOLIDIFICACION UNIDIRECCIONAL DE MATERIALES EUTECTICOS O SEPARACION UNIDIRECCIONAL DE MATERIALES EUTECTOIDES; AFINAMIENTO DE MATERIALES POR FUSION DE ZONA (afinamiento por fusión de zona de metales o aleaciones C22B ); PRODUCCION DE MATERIALES POLICRISTALINOS HOMOGENEOS DE ESTRUCTURA DETERMINADA (colada de metales, colada de otras sustancias por los mismos procedimientos o aparatos B22D; trabajo de materias plásticas B29; modificación de la estructura física de metales o aleaciones C21D, C22F ); MONOCRISTALES O MATERIALES POLICRISTALINOS HOMOGENEOS DE ESTRUCTURA DETERMINADA; TRATAMIENTO POSTERIOR DE MONOCRISTALES O DE MATERIALES POLICRISTALINOS HOMOGENEOS DE ESTRUCTURA DETERMINADA (para la fabricación de dispositivos semiconductores o de sus partes constitutivas H01L ); APARATOS PARA ESTOS EFECTOS. › C30B 28/00 Producción de materiales policristalinos homogéneos de estructura determinada. › directamente a partir del estado sólido.
- C30B29/06 C30B […] › C30B 29/00 Monocristales o materiales policristalinos homogéneos de estructura determinada caracterizados por los materiales o por su forma. › Silicio.
PDF original: ES-2366840_A1.pdf
Fragmento de la descripción:
Procedimiento de obtención de nanohilos de silicio.
La presente invención se refiere a un procedimiento para la preparación de nanohilos de silicio. Los nanohilos se obtienen mediante un tratamiento térmico de un sustrato de silicio, en presencia de un catalizador.
Por tanto, la invención estaría enmarca en el campo de los nanomateriales y nanoestructuras.
Antecedentes de la invención
Conceptualmente los nanohilos son estructuras unidimensionales con diámetros de 1 a 500 nm y longitudes variables (de pocos nanómetros a varios centímetros). Estos son estructuras sólidas que pueden tener características cristalinas o amorfas. Los nanohilos cristalinos pueden, a su vez, estar formados por un número indeterminado de cristales cohesionados o tener estructura monocristalina con un solo dominio. La naturaleza química de los nanohilos puede ser muy variada, desde metales puros a aleaciones de dos o más metales, pasando por óxidos o combinaciones de elementos no metálicos con propiedades semiconductoras.
Una de las propiedades más interesantes de estas estructuras deriva precisamente de ser sistemas unidimensionales. Por ejemplo, en el caso de nanohilos con diámetros del orden o inferior a 100 nm, aparecen fenómenos de conducción cuántica, caracterizados porque la conducción eléctrica no se presenta de la misma forma que en un material masivo. En este caso, los electrones están confinados y limitados a desplazarse exclusivamente en un sentido (en el sentido longitudinal de los nanohilos) lo que da lugar a una cuantización de la corriente eléctrica transportada. Esta y otras muchas propiedades de los nanohilos pueden tener interesantes aplicaciones en desarrollos tecnológicos futuros, entre los que se cabe mencionar los siguientes: desarrollo de nanoobjetos, emisores de campo, sensores de gas, investigación a escala mesoscópica, etc... Los nanohilos de semiconductores tienen también interesantes aplicaciones en nanoelectrónica, nanofotónica y en el desarrollo de nanosistemas integrados. Todas estas propiedades son previsiblemente modulables mediante control de la composición química y de la dimensionalidad de los nanohilos durante el proceso de síntesis.
Un método convencional de preparación de nanohilos es la nanolitografía, que incluye a la litrografía por haces de electrones y litografía por rayos X, a la que sigue la síntesis específica de los nanohilos mediante deposición química metalorgánica en fase vapor, MOCVD (Hiruma, K. et al., 1993, Journal of Applied Physics 74, 3162-3171). La técnica de síntesis de nanohilos por MOCVD-litografía presenta principalmente algunos inconvenientes, como el hecho de que sólo se puede aplicar a GaAs y materiales relacionados y además los nanohilos obtenidos por este procedimiento no tienen una homogeneidad constante.
Las técnicas de electrodeposición son una alternativa interesante de crecimiento de nanohilos debido al bajo coste y simplicidad del proceso. En esta metodología se emplea una estructura porosa, que actúa de molde, en cuyos poros se deposita electroquímicamente el material de interés. Esta técnica, sin embargo, tiene como principal inconveniente la dificultad de generar nanohilos con alta relación de aspecto, es decir suficientemente largos y con diámetro reducido. Hay mucha bibliografía disponible sobre electrodeposición en membranas de alúmina anódica porosa o sobre membranas de policarbonato en donde el procedimiento de síntesis es similar. Como resultado se obtienen nanohilos metálicos de muy diversa composición, cuyas características van a venir marcadas por la membrana molde que se ha empleado (Wu. B, et al, 2005, Nature Materials, vol. 4, pp. 525-529).
Descripción de la invención
La presente invención proporciona un procedimiento de preparación de nanohilos de silicio, con diámetro y longitud homogéneos y controlados, que permitirá su posterior empleo en múltiples aplicaciones.
Los inventores han observado que es posible emplear un sistema basado en el empleo de membranas porosas de óxido de aluminio anódico (AAO) como membrana "plantilla" sobre la cual es posible depositar en fase gas el material catalítico deseado para posteriormente, y mediante tratamiento térmico, obtener las nanopartículas de ese mismo material, que van a ser los nanohilos de silicio. La membrana de alúmina porosa utilizada como soporte (obtenida por un procedimiento controlado de anodización de aluminio) con unas determinadas características de espesor y diámetro de poro, se deposita en un substrato que a su vez, va a ser la fuente de silicio monocristalino <100>.
Sobre esta membrana soportada sobre Si se deposita el material constituyente de las nanopartículas (por ejemplo, un metal puro) mediante un proceso de "sputtering" (o bombardeo iónico) con gas Ar ionizado, sobre un blanco de ese metal. Como resultado, los átomos del metal arrancados de la superficie del blanco, se depositan sobre la superficie de la membrana plantilla. El conjunto (Metal-AAO-Si) es sometido a un tratamiento térmico que dependerá del metal o metales depositados. Una vez que las nanopartículas metálicas se han generado, da comienzo el proceso catalítico de crecimiento de nanohilos de silicio. El diámetro de los nanohilos dependerá del diámetro de las nanopartículas obtenidas y la longitud de estos del tiempo al que se someta el sistema nanopartículas-sustrato de Si a tratamiento térmico. Posteriormente, los nanohilos obtenidos pueden ser aislados, eliminando la membrana plantilla y el sustrato que no ha reaccionado.
Por lo tanto la invención proporciona un método de preparación de nanohilos de silicio, con diámetro y longitud homogéneos y controlados, que permitirá su posterior empleo en múltiples aplicaciones.
Las ventajas de este procedimiento de síntesis, a grandes rasgos, se pueden resumir en los siguientes puntos:
El procedimiento de la invención es una alternativa sencilla y eficiente a los previamente descritos para síntesis de nanohilos, como por ejemplo deposición química en fase vapor (CVD) que requiere el uso de un precursor gaseoso de silicio, CVD con generación de plasmas, ablación mediante láseres o complejos procesos de evaporación. Se emplea también una estructura porosa que actúa de molde pero, a diferencia de los procedimientos de síntesis por electrodeposición del material de interés, la síntesis de nanohilos de silicio se realiza mediante fusión del material previamente depositado en la superficie de la estructura porosa. Esta metodología se basa en el empleo de una membrana porosa plantilla que actúa de "molde" sobre la cual se deposita en fase gas el silicio del que queremos obtener nanohilos. El conjunto formado por la membrana "molde" y el metal depositado en su superficie es sometido a tratamiento térmico. Como resultado se produce la fusión de la capa delgada de material depositado en superficie. Este material fluye hacia el interior de los poros de la membrana adaptándose a la estructura porosa de esta y generando finalmente nanohilos de silicio. Las dimensiones de estos vienen marcadas por el espesor de la membrana porosa, por el diámetro de poro de esta y por la cantidad de material previamente depositado sobre la superficie de la plantilla. Este procedimiento permite obtener nanohilos de silicio con unas dimensiones controlables durante la síntesis.
Por otra parte, este procedimiento permite obtener nanohilos metálicos constituidos por aleaciones de varios metales depositados simultáneamente y también la obtención de nanohilos metálicos cuya composición química puede variar a lo largo de la longitud de los mismos.
Así, un primer aspecto de la presente invención se refiere un procedimiento de obtención de nanohilos de silicio que comprende los siguientes... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Un procedimiento de obtención de nanohilos de silicio que comprende:
2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde el soporte del paso (b) es de tipo monocristalino.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, donde el metal a depositar en el paso (c) es un metal, una aleación de al menos dos metales, un elemento semimetálico u otro compuesto metálico seleccionado del grupo que comprende óxido, sulfuro, carburo o nitruro.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 3, donde el metal es de transición interna o externa.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, donde el metal se selecciona de la lista que comprende Fe, Pt, Ir, Au, Zr, Ni, Nb o Co.
6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde la deposición y el crecimiento del metal en fase gas del paso (c) se lleva a cabo mediante deposición física en fase vapor.
7. Procedimiento según la reivindicación 6, donde la deposición del paso (c) se lleva a cabo mediante bombardeo iónico.
8. Procedimiento en el que el tratamiento de las membranas recubiertas según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7 se lleva a cabo en flujo de hidrógeno.
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde el tratamiento térmico se lleva a cabo hasta una temperatura de hasta 1200ºC, preferiblemente de hasta 900ºC
10. Nanohilos de silicio obtenibles por el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.
11. Uso de los nanohilos según la reivindicación 10, para el desarrollo y mejora de baterías de ión-litio, para nanocontactos en el desarrollo de sistemas optoelectrónicos, para aplicaciones en sistemas fotovoltaicos para el desarrollo de soportes catalíticos y para el desarrollo de sensores y semiconductores.
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