ES2425446B1 - Fuente emisora de luz basada en nanotubos de nitruro de boro y transistor que incorpora dicha fuente. - Google Patents

Fuente emisora de luz basada en nanotubos de nitruro de boro y transistor que incorpora dicha fuente. Download PDF

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Abstract

Fuente emisora de luz y método de emisión de luz basado en nanotubos de nitruro de boro.#Fuente de emisión de luz de frecuencia controlable y amplio espectro que comprende nanotubos de nitruro de boro con defectos producidos por la vacante de un átomo de boro en la estructura tubular y donde la fuente además está provista de medios para producir un campo eléctrico perpendicular al tubo. La invención puede usarse como transistor de efecto campo (añadiendo electrodos) o como fuente de conversión de energía de un haz incidente.

Description

CAMPO DE LA INVENCI ÓN
La presente invención se refiere a una nueva fuente emisora de luz que permite variar la frecuencia de emisión, desde el infrarrojo al ultravioleta lejano, gracias a la aplicación de potenciales y campos externos pequeños. La invención se refiere asimismo a un transistor que incorpora dicha fuente.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La mayoría de los dispositivos sólidos que se usan en la actualidad como emisores de luz trabajan normalmente en una única frecuencia y utilizan técnicas de óptica no lineal para duplicar triplicar, etc. dicha frecuencia. De esta manera se barre de forma discreta el espectro ya sea visible, infrarrojo u otra región espectral. En las grandes instalaciones de luz como el sincrotrón se puede obtener de forma continua luz en un amplio rango de energías. Ahora bien, para aplicaciones normales en laboratorios industriales y en el desarrollo de nuevos dispositivos optoelectrónicos como aplicaciones en comunicaciones, computación, almacenamiento de datos, etc . se necesita una fuente de luz que además de emitir en un amplio espectro sea segura, eficiente y portátil.
Experimentos
de cátoctoluminiscencia han demostrado la
gran
eficiencia de emisión de luz en el ultraviolet a
lejano
(-5.7-5.9 eV) del nitruro de boro hexagonal
{Watanabe,
K. et al, Nat. Mat. 3, 404 (2004)) . Estos
materiales
se caracterizan por su alta conductividad
térmica, dureza y elasticidad, alta resistencia al ataque químico y a los daños producidos por irradiación con partícul as . Estas propiedades del nitruro de boro son muy superiores a l as de otros metales y semiconductores usados en la actualidadcomo emisores de luz, por ejemplo en aplicaciones ligadas con el almacenamiento óptico (DVD) o comunicaci ones. Sin embargo, la emisión de estos nanotubos es en una frecuencia limitada, por lo que no pueden ser usados en aplicaciones en las que, como se ha comentado más arriba, es necesario que la emisión se produzca en un rango más amplio de frecuencias y de forma controlada .
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La invención tiene por objeto paliar los problemas técnicos citados en el apartado anterior . Para ello, propone una fuente de emisión de luz de frecuencia controlable y ampl io espectro que comprende nanotubos de nitruro de boro con defectos producidos por la vacante de un átomo de B en la estructura tubular y donde la fuente además está provista de medios para producir un campo eléctrico perpendicular al t ubo . Por vacante se entenderá en el contexto de esta descripción, la ausencia de un átomo de boro o su sustituciónpor uno de carbono. La fuente de emisión comprende, preferiblemente, un soporte aislante donde se sitúan los nanotubos y una capa conductora por debaj o de dicho
soporte, de manera puede recibir una corriente eléctrica y actuar como un condensador, produciendo el campo perpendicular. El aislante puede ser un sustrato de óxido de silicio y la capa conductora de silicio dopado. La invención se puede utilizar como transistor de efecto campo cuando se le incorporan dos electrodos a cada lado de los nanotubos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Con obj etc de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña la siguiente descripci ón de un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo se ha representado lo si guiente:
Figura 1.-es un esquema de funcionamiento del
dispositivo propuesto.
Figura 2. -es una gráfica que representa la evolución del gap electrónico en función del campo e l éctrico aplicado para tubos de diferentes dimensiones.
Figura 3.-muestra la red de nitruro de boro y defectos en dicha red.
Figura 4. -es una gráfica en la que se puede apreciar cómo la frecuencia de la emisión se puede controlar con pequeñas variaciones del campo eléctrico.
Figura 5 . -muestra la dependencia de la emisión con la posición del defecto en el nanotubo para un campo eléctrico aplicado perpendicular a dicho nanotubo.
30 Figura 6.-muestra un FET que incorpora la invención
Figura 7 . -muestra un dispositivo conversor de la energía de fotones aplicados que incorpora la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El funcionamiento de la nueva fuente emisora de la invención se basa en el uso de los defectos naturales o inducidos en los nanotubos de nitruro de boro para controlar, mediante la aplicación de un campo eléctrico perpendicular al tubo, el color de la luz emitida
(figura
1). Esta facilidad de control se presenta solo
en
los nanotubos dada su geometría cilín drica y est á
ausente
en estructuras macroscópicas de BN (ya sean
planas o tridimensionales).
La configuración genérica del dispositivo comprende nanotubos de BN depositados en una superficie aislante
(por ejemplo óxido de silicio) que actúa de diel éctrico para poder aplicar el campo eléctrico de control a través de un conductor (normalmente silicio dopado) . En el dispositivo de la presente invención la emisión de luz es controlable en todo el espectro que va desde el infrarrojo al ultravioleta lejano. En particular, los defectos que posibilitan la emisión controlada son aquellos huecos producidos en la pared del nanotubo debidos a la falta de un átomo de boro (Fig. 2).
Se proponen dos formas de llevar a cabo la invención: i) como FET ("field-effect transistor") transistor
normal y ambipol ar (Fig . 6) . La fabricación de un dispositivo con estas características comenzaría con el depósito de los nanotubos con defectos en una superficie aislante (3) después se proporcionarían contactos litográficos {S,
6) para realizar dos electrodos opuestos y por último se inyectarían cargas positivas {huecos) a través de un electrodo y electrones a través del otro. La emisión de luz se producirá al encontrarse los electrones y huecos en los defectos y se controla mediante el campo eléctrico perpendicular mediante el conductor (4) Este ejemplo particular de puesta en práctica de l a invención se apl icaría a dispositivos optoel ectrónicos integrados (elementos de comunicación de información en ordenadores o dispositivos de telefoni a móvil, láseres de estado sólido, LEDS(rango variable).
ii) Como conversor de la energía de los fotones y/o electrones que inciden en el dispositivo en luz con una longitud de onda determinada por el potencial aplicado al nanotubo de BN (Fig . 7) .
Para que un material aislante como el BN actúe como fuente emisora de luz eficiente y controlada se deben introducir algunos nivel es electrónicos en la banda prohibida desde los cuales se produce la emisión de luz al exterior . Estos niveles se activan mediante la inyección de electrones/huecos en la aplicaci ón i) y la irradiación con luz para el uso en ii) . La emisión se puede controlar con un potencial externo tanto mayor cuanto mayor es la diferencia de energías entre el nivel inducido y l a banda de conducción del aisl ante . Para el caso del BN I potenciales de unos poco voltios sirven para cont rolar la emisión de luz (Fig. 4). El nuevo dispositivo no necesita de ningún tipo de dopado atómico ni precisa crecimientos complicados sobre
substratos especial es . La estructura óptima de los nanotubos de nitruro de boro (estructuras tubulares con longitudes del orden de los micrómet ros y diámetros del orden del nanómetro) posee de forma natural estados electrónicos en la banda prohibida (ligados con las vacantes de átomos de S, que además es el defecto más común). Al añadir el efecto del campo eléctrico externo, la posición de estos niveles se puede controlar (ver Fig. 2 donde se muestra el cambio del gap en función del campo eléctrico aplicado para un tubo) . Los defectos (vacante de boro o su ausencia y sustitución por un átomo de carbono, por ejemplo) son los responsables directos de la presencia de estados electrónicos localizados dentro de la banda prohibida del nitruro de boro muy cercanos al borde inferior de la banda de conducción (unas pocas décimas de eV por debajo y cercanos al nivel de Fermi). Cuando se aplica un campo eléctrico externo perpendicular al tubo, su posición relativa al borde de la banda de conducción se mueve al mismo tiempo que ésta se mueve para cerrar el gap (a pesar que el excitón intrínseco que da la absorción no modifica apenas su energía) El proceso se basa en el diferente carácter de las funciones de onda de los estados del defecto y los estados de valencia y conducción del nanotubo con y sin campo eléctrico aplicado. Por lo tanto la probabilidad de emisión de luz depende de la posición del defecto respecto al campo eléctrico aplicado siendo máxima cuanto están paralelos
(Fig. 5) La variación del gap es linear con el campo aplicado y con la frecuencia de la luz emitida, sin perjuicio de la eficiencia .
La emisión se produce a temperatura ambiente , l o que es muy beneficioso para muchas aplicaciones.
En cuanto a la fabricación del dispositivo, los nanotubos de nitruro de boro se pueden sintetizar mediante los métodos que son estándar en la comunidad científica para laproducción de nanotubos inorgánicos
(véase por ejemplo P. Ayala, R. Arenal, A. Loisea, A. Rubio and T. Pichler, Reviews of Modern Physics 82, 1843 1885 (2010) para detalles sobre los diferentes procesos de síntesis) . Estas técnicas permiten la síntesis de nanotubos de nitruro de boro tanto mono-capa como multicapa. Los nanotubos así sintetizados tienen diámetros de unos pocos nanómetros y son los que se usarán para ser integrados en el dispositivo de la invención. Las estructuras así sintetizadas tienen efectos naturales, ahora bien se pueden introducir más defectos mediante irradiación para mejorar la eficiencia y el numero de centros emisores de luz. Este proceso es sencillo y es post-síntesis. Las conexiones eléctricas se pueden realizar mediante técnicas litográficas y de electro-deposición también estándar.
El nuevo dispositivo se integra fácilmente en la tecnología microel ectrónica actual (e . g . transistores de efecto campo) y encuentra aplicaciones en el almacenamiento y lectura de datos, comunicaciones y componentes para la computación óptica y tratamientos biomédicos, entre otras.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    l . Fuente de emisión de luz de frecuencia controlable y amplio espectro que comprende nanotubos de nitruro de boro caracterizada porque los nanotubos de nitruro de boro comprenden defectos producidos por la vacante de un átomo de boro en la estructura tubul ar y donde l a fuente además está provista de medios para producir un campo eléctrico perpendicular al tubo .
  2. 2 . Fuente de emisión de luz según la reivindicación 1 caracterizada porque comprende un soporte aislant e donde se sitúan los nanotubos y una capa conductora por debaj o de dicho soporte de manera que la capa puede recibir una corriente eléctrica y actuar como un condensador, produciendo el campo perpendicular.
  3. 3.
    Fuente de emisión de luz según la reivindicación 2 caracterizada porque el aislante es un sustrato de óxido de silicio.
  4. 4.
    Fuente de emisión de luz según las reivindicaciones 2 o 3 caracterizada porque el conductor es silicio dopado .
  5. 5 . Transistor de efecto campo que incorpora la fuente de cualquiera de las reivindicaciones 2-4 y dos electrodos {5, 6) a cada lado de los nanotubos .
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