Líneas de investigación
Resumen de dos proyectos del Laboratorio Nacional de Nanofabricación (LaNNaFab)
Proyecto 1: Diseño, fabricación y caracterización de componentes electrónicos
Los trabajos realizados en este campo tienen como objetivo el desarrollo de componentes electrónicos, tales como transistores, resistencias, capacitores y diodos. En el Centro de Nanociencias y Nanotecnología (CNyN) se tiene principal interés en componentes transparentes y flexibles utilizando como capas activas películas delgadas de óxidos semiconductores. Parte del esfuerzo en el CNyN se ha enfocado en la obtención de películas delgadas semiconductoras tipo p y tipo n, las cuales pueden ser obtenidas mediante las técnicas de depósito en solución DBQ (depósito en baño químico), Ablación láser y erosión iónica, obteniendo películas delgadas tanto tipo p como tipo n. Durante el inicio de este proyecto, en el CNyN se ha enfocado en la obtención de películas delgadas semiconductoras tipo p, principalmente películas delgadas de monóxido de estaño (SnO), óxido de níquel (NiO), óxido de Zn (ZnO) y óxido de cobalto (Co3O4), debido a que estos materiales presentan interesantes propiedades eléctricas, electrocrómicas, catalíticas, capacitivas. Gracias a la conductividad tipo p de dichas películas delgadas, fue posible generar nuevas arquitecturas para desarrollar dispositivos electrónicos, por ejemplo, diodos y transistores. Todas las películas delgadas sintetizadas se caracterizan principalmente por Efecto Hall (para conocer sus propiedades eléctricas), UV-Vis (conocer sus propiedades ópticas), Difracción de rayos X (conocer sus propiedades estructurales), espectroscopía de electrones fotoemitidos (conocer sus propiedades químicas) y por microscopías de fuerza atómica (para conocer su morfología en la superficie). Los resultados de la caracterización han permitido definir condiciones idóneas para la síntesis de los materiales deseados y su posible aplicación en la fabricación de dispositivos. Para el desarrollo de los dispositivos electrónicos se empleará la tecnología de fotolitografía integrando las películas delgadas a las metodologías ya existentes para la fabricación de transistores y diodos que es manejada en el Laboratorio Nacional de Nanofabricación (LaNNaFab). El desempeño y funcionamiento de los dispositivos fabricados serán evaluadas a través de la caracterización de curvas IV antes y después de someterlas a deformaciones.
Por otro lado, en la Universidad de Sonora se ha trabajado en la síntesis de nanopartículas de silicio para la fabricación de recubrimientos en celdas solares. En este proyecto se desarrolló un recubrimiento para incrementar la eficiencia de celdas solares comerciales. El recubrimiento esta formado por una película de ZnO con nanopartículas de Silicio embebidas (SiQDs-ZnO). En el proyecto se estudió el efecto del tamaño de las nanopartículas en las propiedades luminiscentes de la película de SiQDs-ZnO.
Estas nanopartículas se depositaron directamente sobre las celdas solares y se embebieron en una matriz de ZnO. Posteriormente se utilizaron como recubrimientos de celdas solares, con las cuales aumentó la eficiencia de los dispositivos fotovoltaicos.
Se sintetizó óxido de zinc con diferentes porcentajes de nanopartículas de silicio embebidas (SiQDs-ZnO) por la técnica de sol-gel spin coating. Se obtuvo una mejora significativa en la respuesta luminiscente y emisiones sintonizables del ZnO, en relación a la cantidad de silicio presente. Este material se utilizó como recubrimiento en celdas solares comerciales teniendo como resultados aumentos en la eficiencia. El mayor incremento se obtuvo al incorporar SiQDs-ZnO 6 %, donde el VOC aumento de 0.562 V a 0.572 V, la JSC pasó de 16.74 mA/cm2 21.07 mA/cm2 y a pesar que el FF disminuyó de 46.04 % a 42.28 %, en conjunto de estos parámetros se llegó a una mejora de la eficiencia del 4.33 % a 5.09 % para una mejora general del 17.58%.
Proyecto 2: Diseño, fabricación y caracterización de circuitos fotónicos
Este proyecto se desarrolla en colaboración con el grupo LINOC (Laboratorio de interacciones no lineales y óptica cuántica) que se encuentra en el CICESE (Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada) y está asociado al Laboratorio Nacional de Materia Cuántica: Materia Ultrafría e Información Cuántica (LANMAC). En este proyecto se ha desarrollado todo una metodología que permite la fabricación de guías de onda tipo cresta, que en un futuro muy cercano dicha metodología será usada para la fabricación de circuitos fotónicos, que tendrán aplicaciones en tecnologías cuánticas, tales como comunicación y computación cuántica. La plataforma que se ha propuesto en este proyecto está basada en guías de onda de nitruro de silicio (Si3N4) sobre dióxido de silicio (SiO2) en un substrato de silicio (Si). El Si3N4 es crecido usando la técnica de erosión iónica a magnetrón con fuente RF, el SiO2 es crecido por medio de la técnica oxidación térmica vía húmeda y las obleas de silicio son obtenidas comercialmente. La técnica de fabricación que se utiliza para la escritura de las guías de onda es la técnica de escritura láser. El proyecto comprende trabajo teórico, numérico y experimental y abarca un objeto de estudio que involucra diversas áreas, óptica no lineal, óptica cuántica, información cuántica, ciencia de materiales, micro y nano fabricación, entre otras. Las actividades del LaNNaFab en este proyecto se limitan a la síntesis de los materiales, apoyo en el diseño del circuito y a la fabricación de los circuitos, mientras las actividades restantes se realizan en el grupo LINOC-CICESE. En el corto plazo se tiene la meta de demostrar la generación de qubits en una base de modos temporales y la implementación de compuertas de Pauli basadas en el proceso de generación de diferencia de frecuencias.
Por otro lado, en los laboratorios del CICESE se ha establecido infraestructura para realizar i) litografía de haz de electrones y 2) litografía láser de escritura directa, con varias modalidades. La litografía de haz de electrones se realiza mediante el control del haz de un microscopio electrónico de barrido. Este equipo es compartido con la Unidad de Microscopía Avanzada del CICESE, la cual forma parte del Laboratorio Nacional de Microscopía Avanzada. Dada la poca experiencia que teníamos sobre el tema, la pendiente de la curva de aprendizaje en la litografía de haz de electrones ha sido grande, pero ya se han fabricado estructuras con resolución de unas decenas de nanómetros. Por otro lado, el proceso de litografía láser es realizado con un sistema “hecho en casa” que permite hacer barridos 3D. El sistema consta de varias fuentes de luz; se utiliza una fuente de luz azul para realizar litografía lineal en fotorresina, fuentes de luz pulsada para hacer litografía por absorción de dos fotones y así aumentar la resolución óptica del sistema, y una fuente de pulsos amplificados para realizar micromaquinado láser y procesamiento óptico de materiales. De esta manera se pueden modificar materiales, provocando oxidación de superficies, por ejemplo, así como fabricar guías de onda embebidas en el volumen del material que sea de interés.
Estos sistemas se han ido armando de a poco, a raíz de la incorporación del CICESE al LaNNaFab, y la implementación de las técnicas de litografía mencionadas se han ido afinando con el tiempo, a través del trabajo de los técnicos y los usuarios, que en su mayoría han sido estudiantes. En esta etapa de aprendizaje, el servicio no se ha cobrado.
El objetivo de este laboratorio es apoyar las investigaciones en óptica y fotónica dentro del CICESE e instituciones vecinas, ofrecer este tipo de servicios a la comunidad y desarrollar metamateriales y dispositivos con aplicaciones en las áreas de energía y biomedicina.