El silicio poroso


El silicio poroso
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El silicio es un elemento de la tabla periódica que se encuentra en abundancia en la naturaleza; aproximadamente, en 28% de la corteza terrestre. No existe como elemento libre o puro, sino en forma compuesta, como el dióxido de silicio y los silicatos. El primero es el componente principal de la arena y puede encontrarse también en los minerales que forman las rocas volcánicas. Algunos objetos comunes en los que se puede encontrar dióxido de silicio son los vidrios, el cuarzo y las cerámicas.

Mediante un proceso de fabricación muy especializado, el silicio se separa de otros elementos, es decir, el dióxido de silicio se purifica para obtener solamente silicio, del cual se forman lingotes que son cortados y pulidos hasta obtener láminas delgadas conocidas como obleas de silicio,** que son la materia prima de la microelectrónica, pues, a partir de ellas se fabrican dispositivos electrónicos integrados, tales como chips de computadoras, memorias y transistores, por mencionar sólo algunas aplicaciones, las cuales, si están basadas en silicio se denominan tecnología del silicio1, 2
(figura 1).
    El silicio poroso (SP) se fabrica a partir de las obleas de silicio cristalino, cuyo proceso consiste en colocar una oblea entre dos contactos eléctricos, uno de tungsteno y otro de aluminio, arreglo que permite poner una de las caras de la oblea en contacto con una sustancia conocida como electrolito;3 el comúnmente empleado es una combinación de ácido fluorhídrico (HF) y etanol (figura 2).
     Al hacer circular una corriente eléctrica constante entre los contactos, se lleva a cabo un ataque electroquímico que consiste en quitar parte del silicio —prácticamente, átomo por átomo— dejando pequeños poros sobre la superficie, que son los huecos resultantes de la remoción del silicio, y los sitios en los que el silicio no fue removido, y se conocen como filamentos. El material obtenido de este modo es una capa parecida a una esponja llena de huecos (figura 3).4 

FIGURA 2. Representación esquemática de la celda electroquímica, que es el recipiente en el cual se obtiene el SP. Se compone de: 1) alambre de tungsteno, 2) electrolito, 3) contenedor del electrolito, 4) sello tipo anillo, 5) oblea de silicio, 6) lámina de aluminio, 7) tornillos de sujeción y 8) base.

FIGURA 3. Representaciones esquemáticas de los poros en el silicio poroso semejantes a (a) una esponja, (b) raíces y (c) paredes bien definidas, 4 d) imagen de una muestra de SP recién fabricada.

 

El diámetro promedio de los poros depende, principalmente, de las condiciones empleadas durante el ataque electroquímico, como la corriente, la concentración del electrolito y las condiciones de iluminación. El control de estas variables permite obtener distintas características y formas de poros. Es posible obtener poros con paredes muy bien formadas como tubos o una estructura desordenada como las raíces de una planta.4
     La forma y el tamaño de los poros afectan la forma en que los electrones o la luz viajan a través del material, por lo que pueden obtenerse propiedades electrónicas y ópticas singulares. Esto ha llevado a clasificar el SP según el tamaño del poro en: a) microporoso, en el que los poros son de menos de 2 nm, con aplicación en microfiltros y microcapacitores; b) mesoporoso, con poros de entre 2 y 50 nm, posee facilidad para reaccionar químicamente en la superficie de los poros, lo que se ha vuelto de interés en el campo de los sensores; y c) macroporoso con poros mayores que 50 nm, cuyo uso está orientado al desarrollo de materiales fotónicos.5 
     Una característica importante del SP que despertó un interés científico mundial, y que no se presenta en el silicio cristalino, es la fotoluminiscencia. Un material fotoluminiscente es aquel que emite luz al ser iluminado con una luz de alta energía (UV), esto puede compararse con la luz que emite una luciérnaga. En el caso de las luciérnagas, la luz emitida se debe a una estimulación relacionada con procesos biológicos (bioluminiscencia), mientras que en un material fotoluminiscente, la excitación está relacionada con los fotones de la luz incidente; esto causa que el material emita luz. En el caso del SP, la fotoluminiscencia puede variar desde rojo hasta azul —con las condiciones de fabricación adecuadas—, dependiendo del grosor de los filamentos y de las características de su superficie; además, al presentar esta característica, posibilita la fabricación de dispositivos de silicio capaces de emitir luz, como un diodo emisor de luz (LED) o un láser.6

El SP fue descubierto por Arthur Uhlir en los años cincuentas, en el laboratorio Bell, mientras intentaba pulir silicio mediante métodos electroquímicos. Al principio, no le dio demasiada importancia, simplemente se realizó un informe interno del experimento en el que se reportaba una coloración marrón-negra sobre la superficie del material.7 Fue hasta los años noventas que Leigh Canham observó que el SP era capaz de emitir luz visible a temperatura ambiente;8 así, fue este descubrimiento lo que reinició el interés en el material.
     Hacia la mitad de los años noventas, después de diversos estudios, se comprobó que las muestras
de SP presentaban una baja electroluminiscencia —emisión de luz al emplear una corriente eléctrica como fuente de excitación—, por lo que se perdió un poco el interés en esta propiedad, pero se despertó en otras características del material.

     En la figura 4, se presentan dos fotografías de silicio poroso iluminadas con luz blanca: una lámpara ahorradora (4a), en la que se observa una mancha marrón sobre el silicio, la cual, en el SP constituye la luz reflejada por el propio silicio. En la imagen 4b, la misma muestra de SP se ilumina con luz UV; en este caso, se nota el fenómeno de fotoluminiscencia del SP, en color naranja rojizo.

Existe un gran interés en desarrollar aplicaciones basadas en SP, ya que presenta diversas ventajas: es compatible con la tecnología del silicio, es un material barato, fácil de obtener, con alta reproducibilidad, capaz de operar a temperatura ambiente, y tiene una gran superficie específica.
     En el campo de los sensores, la superficie específica es de gran importancia. Visualice usted la superficie del silicio cristalino como la de una mesa, que podremos recorrer con un dedo de un extremo a otro; ahora bien, si perforamos la superficie de la mesa hasta atravesarla y volvemos a pasar el dedo sobre ella, entrando y saliendo de la perforación, la distancia recorrida se habrá incrementado y, si continuamos perforando, la distancia total por recorrer sobre la superficie se incrementará, debido al número de hoyos y su profundidad; esto es lo que ocurre en una superficie de SP.
     Existen reportes de que la superficie específica puede llegar a ser de hasta 500 m2/g, lo que equivale a una superficie mayor a una cancha de básquetbol, en un volumen pequeño. El Doctor Canham ha patentado un dispositivo relacionado con la gran superficie interior del SP, empleado como un dispensador de medicamentos, por su propiedad de poseer la superficie exterior pequeña y muy localizada, en comparación con la interior; además, el SP presenta una alta biocompatibilidad, por lo que resulta idóneo en aplicaciones médicas.9, 10
     Es, precisamente, la gran superficie específica la característica que se desea aprovechar en las aplicaciones de SP como material sensor, capaz de detectar y cuantificar la presencia de gases. Como ya se ha mencionado, el silicio mesoporoso presenta facilidad para reaccionar químicamente en su superficie. Se ha observado que, al poner en contacto el SP con otros materiales, tales como vapor de agua o gases orgánicos, se presentan cambios en la corriente eléctrica, por lo que se dice que es sensible a dicha exposición.
     En la superficie del material, al entrar en contacto con el gas, se producen reacciones químicas causantes de que los electrones viajen con mayor o menor facilidad, dependiendo del gas con el que entran en contacto.11 Esto significa que el SP, al ser expuesto a un gas, cambia su resistencia, posibilitando la fabricación de sensores del tipo resistivo; aunque existen otros tipos de sensores, el resistivo es el más barato y fácil de fabricar.12 Las fotografías de las figuras 5 y 6 corresponden a los sensores de gases de etanol y acetona fabricados en el Centro de Dispositivos Semiconductores (CDIS), de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.13

FIGURA 6. Fotografías de dos sensores de gases de etanol y acetona fabricados en el Centro de Dispositivos Semiconductores de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. Ambos sensores presentan fotoluminiscencia, los contactos eléctricos tienen diferentes geometrías. 


     Los sensores comerciales incluyen un calefactor, pues el material sensor del que están fabricados debe sobrepasar los 300 °C para su buen funcionamiento, tal es el caso de los sensores fabricados con óxido de zinc u óxido de estaño, muy empleados en los sensores resistivos, pero los que se están fabricando y estudiando en el CDIS son fáciles de obtener, presentan una respuesta rápida al gas al que se exponen y operan a temperatura ambiente. Su principal ventaja, en comparación con los sensores resistivos comerciales, es la de operar a temperatura ambiente, lo que implica un ahorro de energía.

En resumen   

Los beneficios que podemos obtener del silicio poroso son ejemplos de aplicación de la nanociencia, desde el punto de vista del aprovechamiento de materiales, los cuales, a ciertas dimensiones pueden ser modificados, haciendo que la materia presente propiedades que no se muestran en su forma común. 

Francisco Ramírez González
Godofredo García Salgado
Héctor Juárez
Enrique Rosendo
Tomás Díaz
Mauricio Pacio
Crisóforo Morales
Fabiola G. Nieto C. 

Investigadores de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.

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