IMPACTO AMBIENTAL DE LOS ELEMENTOS SEMICONDUCTORES

Cuando Albert Einstein formuló las bases de la mecánica relativista en sus clásicas publicaciones de 1905, en realidad creó un nuevo paradigma1, pues sus ideas revolucionaron la física, cambiando las nociones del tiempo y del espacio propuestas por la mecánica clásica hasta entonces.En la actualidad, somos testigos de una situación semejante: el número de resultados experimentales y artículos sobre nanotecnología ha crecido en forma exponencial, de tal modo que es imperativa la creación de una teoría integral o modelo sobre nanopartículas para estar en condiciones de explicar y de hacer una interpretación coherente de los resultados obtenidos mediante espectros de fotoluminiscencia, fotoacústica, espectros de fotoreflectancia, mediciones de corriente-voltaje, según explicó a Conversus el doctor Julio Mendoza Álvarez, investigador del Departamento de Física del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN). “Mientras nos mantuvimos en lo que eran los semiconductores en volumen, podíamos usar la periodicidad para resolver con exactitud muchas de las ecuaciones con modelos que permitían una muy buena interpretación de lo medido. Por ejemplo, un modelo desarrollado en Bell Labs que relacionaba una técnica de caracterización muy poderosa para semiconductores llamada fotoreflectancia (consistente básicamente en hacer incidir luz en un cuerpo y medir la luz reflejada) permitía interpretar fenómenos que ocurren en la superficie de un semiconductor que influyen en la fotoreflectividad. Los investigadores podían acudir al laboratorio, medir el espectro de fotoreflectancia y ajustar los parámetros para conocer con una alta precisión características de los materiales como la energía de banda prohibida2 Sin embargo, con la creación de objetos como los puntos cuánticos, ya no hay seguridad sobre la eficacia de este método. Con el descubrimiento de las nanopartículas, surgió la necesidad de una forma más precisa de interpretar los fenómenos, lo cual llevó a estar ante un nuevo paradigma en la física, una distinta interpretación de la realidad mediante una teoría que explique los nuevos fenómenos y los nuevos resultados.

EMISORES Y DETECTORES DE LUZ ÚTILES EN EL COMBATE A LA CONTAMINACIÓNEl doctor Julio Mendoza Álvarez trabaja actualmente en el desarrollo de un semiconductor útil en la detección de hidocarburos policíclicos aromáticos (PAH, en inglés), compuestos como el benceno y el tolueno que hace más de una década rebasaban en la ciudad de México los estándares recomendados internacionalmente, según investigaciones de Sherwood Rowland y Mario Molina ─ganadores del Premio Nóbel de Química en 1995─ publicadas en Science.Este proyecto fue aprobado por el Instituto de Ciencia y Tecnología del Gobierno del Distrito Federal, según convocatoria emitida por el propio ICTGDF para proponer proyectos de investigación que serían apoyados sobre los temas de genómica, nanotecnología y nuevos materiales, con la condición que ayudaran a resolver algún aspecto de la problemática de la

ciudad de México. El grupo del doctor Julio Mendoza Álvarez propuso un proyecto cuyo objetivo ─con experiencia previa en el área─ es desarrollar un semiconductor en el rango donde los PAH tienen sus líneas de absorción. El compuesto tiene que ser hecho casi a la medida. Cuando se desarrolla un semiconductor que se va a adaptar a un dispositivo con una longitud de onda específica, se emplea la band up engeenering (ingeniería de banda prohibida), relacionada con la energía de banda prohibida, explicada líneas arriba.Las acciones que deben emprenderse como tareas urgentes en torno a la contaminación tienen que ver con:1) la detección, en este caso, de moléculas de PAH en tiempo real. Actualmente se hace la detección con métodos como la cromatografía de gases, que a pesar de ser muy profundos, con una gran resolución de las moléculas contaminantes ─del orden de partes por billón (una parte contaminante por109 moléculas de aire)─, no lo hacen en tiempo real. La desventaja de estos métodos es que muchas de estas moléculas de PAH se pueden degradar con el tiempo, lo resultante es que mientras las muestras llegan al laboratorio, las mediciones pueden no ser tan verídicas sobre la realidad de la presencia de contaminantes en un momento dado. De ahí el interés en el ámbito mundial por desarrollar sistemas de detección de contaminantes en tiempo real. Cada ciudad tiene sus propios intereses en el desarrollo particular de detectores específicos.2) la remediación, la acción de resolver o neutralizar estas moléculas contaminantes, lo que es necesario llevar a cabo para hacerlas inofensivas. En este sentido, el equipo del doctor Mendoza Álvarez había desarrollado un proyecto que en su momento aprobó la Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales (Semarnat) con base en un compuesto denominado dióxido de titanio, pero por razones desconocidas las autoridades decidieron suspender el apoyo.

EL PROYECTOLa parte de la detección en tiempo real tiene sus complicaciones. Varios laboratorios en el mundo buscan desarrollar este tipo de sistemas. La detección está basada básicamente en que cada molécula en general tiene sus líneas de absorción particulares: si se hace incidir luz con todas las componentes del infrarrojo en un contenedor con bióxido de carbono (CO2) en alta concentración, los fotones (paquetes de luz) del infrarrojo van a ser absorbidos por las moléculas de CO2, de tal forma que después de pasar la luz a través del gas, se va a notar que determinada longitud de onda falta debido a que fue absorbida por el bióxido de carbono. El detector se calibra para determinar la concentración de las partículas de CO2, y así funciona con todas las moléculas en general.Los grupos de investigación se han concentrado en el desarrollo de emisores y detectores de luz en la zona del espectro electromagnético entre las 3 y 3.3 micras de longitud de onda, que corresponde a la luz infrarroja, rango donde los hidrocarburos policíclicos aromáticos tienen sus líneas de absorción. La propuesta del proyecto del grupo del doctor Mendoza Álvarez

es desarrollar semiconductores con base en una aleación ternaria de elementos (indio, arsénico y antimonio) cuya energía de banda prohibida corresponda a longitudes de onda entre 3 y 3.3 micras. (¿Por qué se habla de energía y se da un valor de longitud de onda? Porque la longitud de onda y la frecuencia de esa misma onda son valores inversos, entonces el investigador puede hablar indistintamente de energía (frecuencia) o longitud de onda. Por ejemplo, una longitud de onda de 3 micras corresponde a una energía de 0.41 electrón-volts (Ev), mientras que una longitud de onda de 3.3 micras corresponde a una energía de 0.38 Ev, hablando en términos del espectro infrarrojo, es la zona del infrarrojo medio).Mucha gente seguramente habrá visto en las series de televisión los detectores de infrarrojo que poseen los visores utilizados por armas o binocularess para seguir objetivos en zonas oscuras. Esos visores son capaces de detectar el infrarrojo que corresponde a la emisión térmica del cuerpo. Esa zona del infrarrojo oscila entre las 6 y 8 micras, es un rango más profundo en el infrarrojo, por lo tanto, con menor energía. Estos dispositivos están construidos con base en semiconductores elaborados a partir de una aleación ternaria de cadmio-mercurio-telurio, y los datos sobre el tema accesibles al público son escasos, debido a que la mayor parte de la información es clasificada por ser de uso militar.Si se consiguen desarrollar dispositivos con materiales semiconductores del grupo III-V, hay muchas ventajas sobre todo por la velocidad de respuesta del detector, lo que tiene que ver con propiedades de los semiconductores:Hay tres grandes familias de semiconductores: 1) Los del grupo IV de la tabla periódica, donde el principal es el silicio, aunque también figuran el estaño y el germanio. 2) Los del grupo III-V, donde la estrella es el arsenuro de galio, pionero en el desarrollo de diodos láseres y sistemas de comunicaciones ópticas. Aquí cabe incluir al fosfuro de indio, nitruro de galio. 3) Los semiconductores del grupo II-VI, como el teloruro de cadmio, sulfuro de cadmio, selenuro de cadmio, aptos para el desarrollo de celdas solares pero no para optoelectrónica.El proyecto del grupo dirigido por el doctor Mendoza utilizará semiconductores del grupo III-V, ya que utilizará indio del grupo III, arsénico y antimonio del grupo V.Según dejó en claro el doctor Julio Mendoza, hay mucha investigación y resultados experimentales sobre fenómenos de transporte en materiales semiconductores, pero todavía falta mucho por conocer. Aún no se ha desarrollado una teoría integral que interprete todas las posibles colisiones que puede sufrir el transporte de partículas de carga en un material semiconductor, a pesar de la evolución de la tecnología. Por ejemplo, la tecnología del crecimiento de obleas de silicio es tan sofisticada que el parámetro densidad de impurezas residuales, que indica la calidad de un cristal en general, o sea, la densidad de átomos diferentes del silicio presentes en el cristal, es típicamente del orden de un átomo impuro (que no es silicio) por cada 100 millones de átomos. Sin embargo, esa impureza en una oblea cristalina de alta calidad influye en el momento cuando se

aplica una corriente electrónica. Esta dispersión influirá en la característica de corriente eléctrica de un semiconductor.Las teorías que deben construirse deben dar una imagen completa de propiedades ópticas y electrónicas del cristal, basadas en la realidad, no en cristales perfectos, que tan solo son idealizaciones, pues los cristales son imperfectos en la vida real. La solución de ecuaciones usando el concepto de periodicidad se complica terriblemente, por lo que se emplean soluciones numéricas aproximadas. Entonces es un gran desafío para los teóricos el desarrollo de teoría para sistemas electrónicas, que replantee las ecuaciones diferenciales, las condiciones de contorno. Los artículos sobre nanoelectrónica han crecido en forma exponencial, por lo que se induce que hace falta un nuevo modelo teórico. Como se señala al principio del artículo, estamos ante un umbral paradigmático.

INFRAESTRUCTURAPara contar con recursos que le permitan llevar a cabo su proyecto, el doctor Mendoza Álvarez señala que cuenta con el apoyo del Instituto de Ciencia y Tecnología del Gobierno del Distrito Federal, al frente del cual está una mujer con una gran visión sobre la ciencia y los problemas que debe resolver: Esther Orozco. A diferencia de ella, los gobernantes federales no han manifestado el mínimo interés en impulsar la inversión en ciencia y tecnología, mientras países como España y Corea, que en 1970 tenían indicadores semejantes a los de México, ahora nos superan varias veces en producto por habitante. Brasil es otro ejemplo de nación que le ha apostado a la ciencia y tecnología como motor de desarrollo económico. En México la propiedad intelectual y las patentes juegan un papel ínfimo, es impostergable superar la visión de Estado sobre la ciencia y la tecnología.

1El término paradigma lo utilizó Thomas Kuhn en su libro La estructura de las revoluciones científicas, obra que abrió un parteaguas en el desarrollo de la filosofía de la ciencia. Es uno de los trabajos académicos más influyentes de las últimas décadas. Una clara medida de su impacto social es el hecho de que se hayan vendido más de un millón de ejemplares. En este libro, Kuhn utiliza paradigma en dos sentidos. El primer sentido se refiere a las soluciones exitosas y sorprendentes de ciertos problemas. El segundo sentido se refiere al marco de presupuestos o compromisos básicos que comparte la comunidad encargada de desarrollar una disciplina científica. Este marco incluye el compromiso con leyes teóricas fundamentales, con postulaciones de entidades y procesos, con procedimientos y técnicas experimentales, así como con criterios de evaluación. El papel que juegan los paradigmas en tanto logros concretos o soluciones ejemplares (primer sentido) resulta decisivo en el desarrollo de la investigación normal. La ciencia normal, con su creciente especialización, tarde o temprano se plantea problemas que no pueden ser resueltos con las herramientas e instrumentos del paradigma establecido, por lo que su

eficacia se pone en duda y entra en una fase de crisis. Con la crisis empieza la ciencia extraordinaria, esto es, la actividad de proponer estructuras teóricas alternativas que implican un rechazo o una modificación de los supuestos aceptados hasta entonces. En un cambio de paradigma, los mismos objetos se ven desde una perspectiva diferente. Es un cambio total del enfoque con que se aprecian los fenómenos, una revolución científica y filosófica.

2 La energía de banda prohibida es la energía necesaria para que un electrón dentro del semiconductor sea liberado por una colisión con un fotón o paquete de luz, El electrón no sale del átomo, más sin embargo, queda libre. Esta es la propiedad más importante, intrínseca, de un semiconductor, medida en cantidad de energía o longitud de onda. Por ejemplo, el semiconductor silicio tiene una energía de banda prohibida de 1.1 electronvolts, lo que corresponde a una luz infrarroja. Quiere decir que se necesita un haz de luz infrarroja para liberar un electrón dentro del silicio.