Investigadores de Universidad Jaume I y otros dos centros europeos han demostrado por primera vez que un gas de electrones se puede acumular en nanohilos de varias capas mediante una técnica de uso comun en la industria conocida como dopaje remoto. De esta forma se ha alcanzado la movilidad electrónica más alta conocida en estos nanohilos, una propiedad muy valorada en nanoelectrónica.
La nanotecnología, la óptica o la fotovoltaica son solo algunos de los campos que se pueden beneficiar de los avances en el conocimiento de los sistemas de nanohilos semiconductores. Investigadores de la Universitat Jaume I (UJI) de Castellón, del Consiglio Nazionale delle Ricerche de Italia y del Walter Schottky Institut de Alemania han conseguido por primera vez demostrar la acumulación de gases de electrones de alta movilidad en nanohilos multicapa a partir de la técnica denominada 'dopaje remoto'.
Esta técnica, que actualmente se utiliza de forma estándar en industria, ha permitido desde hace más de 35 años obtener dispositivos de alta movilidad electrónica basados típicamente en estructuras multicapa planas. La investigación publicada en la revista Nano Letters recoge por primera vez la obtención de este tipo de electrones en una morfología totalmente nueva como son los nanohilos de arseniuro de galio, un tubo con forma hexagonal a escala nanométrica que crece sobre una superficie de silicio y que se recubre radialmente con otros materiales semiconductores.
La peculiar estructura multicapa permite crear espacios en los nanohilos donde los electrones se mueven libres de impurezas a gran velocidad. En este sentido, Miquel Royo, investigador del grupo de Química Cuántica de la UJI, destaca que se ha conseguido "la movilidad electrónica más alta que se ha publicado hasta la fecha en nanohilos semiconductores".
El estudio ha demostrado que las medidas experimentales realizadas por los investigadores alemanes sobre nanohilos con dopaje concuerdan con las simulaciones computacionales realizadas por el investigador de la UJI en las que se asume la existencia de un gas de electrones de alta movilidad en el nanohilo. Las simulaciones teóricas del sistema han permitido también concluir que «el gas de electrones resultante posee una dimensionalidad mixta.
Los electrones tienden a situarse en las interfases existentes entre las distintas capas del nanohilo, lo que les confiere un carácter bidimensional. Sin embargo, debido a la peculiar forma hexagonal de los nanohilos y a la repulsión entre los electrones, se ha observado que estos se acumulan predominantemente en los vértices de la heteroestructura, formando canales unidimensionales.
La misma revista Nano Letters ha publicado recientemente un nuevo estudio desarrollado por el mismo investigador del grupo de Química Cuántica de la UJI en colaboración con investigadores del Laboratoire National des Champs Mannétiques Intenses de Toulouse (Francia) en el que se ha conseguido generar de nuevo gases electrónicos en nanohilos multicapa, pero en esta ocasión sin requerir la introducción de elementos dopantes de forma intencionada.
En el estudio se demuestra que una fina capa de arseniuro de galio crecida en el nanohilo entre dos capas de arseniuro de aluminio actúa como una trampa para los átomos de carbono que se encuentran presentes en toda cámara de crecimiento.
El carbono como dopante
"El carbono acumulado en el nanohilo actúa a su vez como un dopante, que no ha sido intencionalmente incorporado, y genera la aparición, en este caso, de un gas de huecos de electrones", explica Royo, resaltando que "se consigue así una técnica alternativa para la obtención de gases electrónicos en estos sistemas tan complejos". La comprobación de la presencia del gas de huecos de electrones en los nanohilos se llevó a cabo confrontado medidas experimentales de fotoluminiscencia con simulaciones computacionales de las mismas realizadas por el investigador.
Los resultados presentados en ambas publicaciones suponen importantes avances tecnológicos, especialmente en el campo de la nanoelectrónica "en el que resulta especialmente útil disponer de nanodispositivos en los que la movilidad de los electrones sea tan alta, principalmente para aplicaciones de alta frecuencia, como teléfonos móviles, donde se requiere que haya una baja disipación de energía", señala el investigador.
Además, añade, "una vez que seamos capaces de hacer crecer de manera reproductible este nuevo tipo de nanoestructuras semiconductoras, estas representarán un escenario ideal donde estudiar las propiedades fundamentales de gases electrónicos de alta movilidad en nuevas morfologías de dimensionalidad mixta".
Referencias bibliográficas:
J. Jadczak, P. Plochocka, A. Mitioglu, I. Breslavetz, M. Royo, A. Bertoni , G. Goldoni, T. Smolenski, P. Kossacki, A. Kretinin, Hadas Shtrikman and D. K. Maude “Unintentional High-Density p-Type Modulation Doping of a GaAs/AlAs Core–Multishell Nanowire” Nano Letters, 2014, 14 (5), pp 2807–2814.
Stefan Funk, Miguel Royo, Ilaria Zardo, Daniel Rudolph, Stefanie Morkötter, Benedikt Mayer, Jonathan Becker, Alexander Bechtold , Sonja Matich, Markus Döblinger , Max Bichler, Gregor Koblmüller, Jonathan J. Finley, Andrea Bertoni, Guido Goldoni, and Gerhard Abstreiter “High Mobility One- and Two-Dimensional Electron Systems in Nanowire-Based Quantum Heterostructures” Nano Letters, 2013, 13 (12), pp 6189–6196.
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