Un nanohílo (nanowire en inglés) es un alambre con un diámetro del orden de un nanómetro (10-9 metros). También se puede definir como la relación entre longitud y el ancho superior a 1000. Alternativamente, los nanohílos pueden ser definidos como estructuras que tienen un tamaño lateral restringido a diez o menos nanómetros y de una longitud libre. A estas escalas, los efectos de la mecánica cuántica son importantes - por lo tanto estos alambres, también son conocidos como "hilos cuánticos" (quantum wires). En general, esto tiene como consecuencia dinámicas electrónicas o de espín complicadas, que aún son objeto de investigación teórica.Ver, por ejemplo: Spin dynamics in InAs nanowire quantum dots coupled to a transmission line, M. Trif, V. N. Golovach, D. Loss, Physical Review B, 77, 045434, 2008
Existen muchos tipos diferentes de nanohílos, incluyendo hilos metálicos (ej., Ni, Ag, Au), semiconductores (ej., Si, InP, GaN, etc.), superconductores (ej., YBCO) y aisladores (ej., SiO2, TiO2). Los nanohílos moleculares están compuestos de unidades de moleculares repetitivas ya sean orgánicas (ej. ADN) o inorgánicas (ej. Mo6S9-xIx).
Se ha especulado con el uso de nanohílos para ligar minúsculos componentes en circuitos extremadamente pequeños. Usando la nanotecnología, tales componentes pueden ser creados a partir de compuestos químicos.
Introducción miniaturadeimagen|derecha|500px|Resultado de una simulación atomística para una formación de un canal inverso (densidad del electrón) y alcance del voltaje entrante (threshold voltage)en un nanohílo de MOSFET. Véase que el voltaje entrante para este dispositivo es aproximadamente 0.45V.
Los típicos nanohílos exhiben una relación de aspecto (relación entre la longitud y el ancho) de 1000 o más. Por ello, a menudo se refieren como materiales unidimensionales (1-D). Los nanohílos tiene muchas propiedades interesantes que no se han visto en materiales tridimensionales, no afectados por efectos de borde. Esto es porque los electrones en los nanohílos tienen un confinamiento cuántico lateral y por ello ocupan niveles de energía que son diferentes de los niveles de energía continua tradicional o bandas encontradas en un sistema tridimensional.
Las características peculiares de este confinamiento cuántico exhibidas por ciertos nanohílos como los nanotubos de carbono se manifiestan a sí mismas en valores discretos de la conductancia eléctrica. Estos valores discretos surgen de una restricción de la mecánica cuántica en el número de electrones que pueden viajar a través del hilo en escala nanométrica. Estos valores discretos son referidos frecuentemente como el cuanto de la conductancia y son valores enteros de
≈ 12.9 kΩ-1
Son el inverso de la bien conocida unidad de resistencia h/e², que es más o menos igual a 25812.8 ohmios, y designada como la constante de von Klitzing RK (después de Klaus von Klitzing, el descubridor de la cuantización exacta). Desde 1990, es aceptado un valor convencional fijo de RK-90.
Hay muchas aplicaciones donde los nanohílos pueden llegar a ser importantes: en electrónica, optoelectrónica y dispositivos nanoelectromecánicos, como aditivos en compuestos avanzados, para interconecciones metálicas en dispositivos de nanoescala cuántica, como emisores de campo y como contactos o terminales para los nanosensores biomoleculares.
Síntesis Hay dos enfoques básicos para sintetizar nanohílos: de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba. Un enfoque de arriba hacia abajo reduce una gran pieza de material a piezas pequeñas por diversos medios como la litografía o la electroforesis. Un enfoque de abajo hacia arriba sintetiza el nanohílo mediante la combinación de constituyentes adátomos. La mayoría de síntesis utilizan un enfoque ascendente. La síntesis inicial mediante cualquiera de los métodos a menudo puede ir seguida de un paso de tratamiento térmico con nanohílos, que a menudo implica una forma de oxidación autolimitada, para ajustar con precisión el tamaño y la relación de aspecto de las estructuras.
La producción de nanohílos usa varias técnicas de laboratorio comunes, que incluyen la suspensión, la deposición electroquímica, la deposición de vapor y el crecimiento de VLS. La tecnología de seguimiento de iones permite el crecimiento de nanohílos homogéneos y segmentados de hasta 8 nm de diámetro.
Suspensión Un nanohílo suspendido es cable producto producido en una cámara de alto vacío sostenida en las extremidades longitudinales. Los nanohílos suspendidos pueden ser producidos por:
El grabado químico de un cable más grande El bombardeo de un cable más grande, típicamente con iones altamente energéticos Sangra la punta de un STM en la superficie de un metal cerca de su punto de fusión y luego lo retrae
Crecimiento de VLS Una técnica común para crear un nanohílo es el método vapor-líquido-sólido (VLS). Este proceso puede producir nanohílos cristalinos de alta calidad de muchos materiales semiconductores: por ejemplo, los nanohílos de silicio cristalino simple (SiNW) cultivados con VLS con superficies lisas podrían tener excelentes propiedades, como la eslasticidad ultragrande. Este método utiliza un material fuente de partículas eliminadas por láser o un gas de alimentación como el silano.
La síntesis VLS requiere un catalizador. Para los nanohílos, los mejores catalizadores son nanopartículas de metal líquido (como el oro), que pueden autoensamblarse a partir de una película delgada mediante deshumectación, o comprarse en forma coloidal y depositarse en un sustrato.
La fuente ingresa a estas nanoparticulas y comienza a saturarlos. Al alcanzar la sobresaturación, la fuente se solidifica y crece hacia fuera desde la nanopartícula. Simplemente apagando la fuente puede ajustar la longitud final del nanohílo. El cambio de fuentes mientras aún está en la fase de crecimiento puede crear nanoclables compuestos con superredes de materiales alternados. Una reacción en fase vapor de fase única a temperatura elevada sintetiza nanohílos inorgánicos tales como Mo6 S9-X IX. Desde otro punto de vista, tales nanohílos son polímeros de clúster.
Síntesis de fase de solución La síntesis en fase de solución se refiere a las técnicas que producen nanohílo en solución, Pueden producir nanohílos de muchos tipos de materiales. La síntesis en fase de solución tiene la ventaja de que puede producir cantidades muy grandes en comparación con otros métodos. En una técnica, la síntesis de poliol, etilenglicol es tanto disolvente como agente reductor. Esta técnica es particularmente versátil en la producción de nanhilos de oro, plomo, platino y plata.
El método de crecimiento fluido supercrítico líquido-sólido se puede utilizar para sintetizar nanohílos semiconductores, por ejemplo, Si y Ge. Mediante el uso de nanocristales metálicos como semillas, los precursores organometálicos Si y Ge se alimentan a un reactor lleno con un solvente orgánico supercrítico, tal como tolueno. La temólisis da como resultado la degradación del precursor, permitiendo la liberación de Si o Ge, y la disolución en los nanocristales metálicos. A medida que se agrega más soluto semiconductor de la fase supercrítica ( debido a un gradiente de concentración), precipita una semilla de nanocristal sólido y un nanohílo crece uniaxialmente a partir de la semilla de nanocristal.
Crecimiento no catalítico Los nanohílos también se pueden sintetizar sin la ayuda de catalizadores, lo que da una ventaja de los nanohílos puros y minimiza la cantidad de pasos tecnológicos. Los métodos más sencillos para obtener nanohílos de óxido de metal utilizan el calentamiento ordinario de los metales, por ejemplo, un cable de metal calentado con batería, mediante el calentamiento de Joule en e aire se puede realizar fácilmente.
La gran mayoría de los mecanismos de formación de nanohílos se explican mediante el uso de nanopartículas catalíticas, que impulsan el crecimiento de los nanocables y se agregan intencionalmente o se generan durante el crecimiento. Sin embargo, los mecanismos para el crecimientos libre de catalizadores de nanohílos ( o bigotes) eran conocidos desde la década de 1950. La formación espontánea de nanohílos por métodos no catalíticos se explican por dislocación presenten en direcciones específicas o a la anisotropía de crecimiento de varias caras de cristal. Más recientemente, después del avance de la microscopia se demostró el crecimiento de nanohílos impulsado por dislocaciones de tornillo o límites gemelos.
Síntesis de nanohílos metálicos con plantilla de ADN Un campo emergente es usar cadenas de ADN como andamios para la síntesis de nanohílos metálicos. Este métodos se investiga tanto para la síntesis de nanohílos metálicos en componentes electrónicos como para aplicaciones de biosensores, en los que permiten la transducción de una cadena de ADN en un nanohílo metálicos que puede detectarse eléctricamente. Típicamente, las cadenas de ADN de cadena corta se estiran, después de lo cual se decoran con nanopartículas metálicas que se han funcionalizado con hebras de ADN de cadena corta complementarias.
Tipos Ejemplos de nanohílos incluyen nanohílos moleculares inorgánicos (Mo6S9-xIx, Li2Mo6Se6), que tienen un diámetro de 0.9 nm, y pueden ser cientos de micrómetros de largo. Otros ejemplos importantes están basados en semiconductores como InP, Si, GaN, etc., dieléctricos (ej. SiO2, TiO2), o metales (ej. Ni, Ag, Au).
nanohílos inorgánicos
nanohílos de silicio nanohílos de Silicio (SiNWs) presentan propiedades ópticas, como baja reflexión y alta absorción, que pueden ser empleadas en el desarrollo de celdas solares con mejores rendimiento de conversión energética. Arreglos verticales de SiNWs pueden ser fabricados mediante crecimiento vapor-líquido-sólido, grabado de superficie con plata, litografía holográfica, y litografía de electrones. Diferentes arreglos pueden ser obtenidos dependiendo de los parámetros en el proceso de síntesis. nanohílos con diámetros de 15 nm hasta 43 nm pueden ser obtenidos, con longitudes hasta de 1200 nm. En un arreglo de SiNWs el agrupamiento de los hilos se debe a fuerzas de Van deer Waals.Khorasaninejad, M, Abedzadeh, N, Singh Jawanda, A, O, N, Anantram, M, & Singh Saini, S 2012, 'Bunching characteristics of silicon nanowire arrays', Journal Of Applied Physics, 111, 4, p. 044328, Academic Search Complete, EBSCOhost. Cosiderando estructuras perfectamente cilíndricas el valor de la interacción es obtenido por:
Dónde es el largo del nanohílo el grado de inclinación de los nanohílos en el arreglo la constante de Hamaker (19x10-20J para Silicio) Y la fuerza de Van der Waals
nanohílos de óxido de cobalto Co3O4 Las nanoestructuras formadas por óxidos metálicos son una alternativa para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos, como fotodetectores, sensores, almacenamiento de energía y láseres. La fotoconductividad de estos nanohílos depende en gran medida del contacto con el electrodo, diseño, y gap entre los electrodos. El valor del gap para los nanohílos de Co3O4 es de 1.5 eV a 2.2 eV. Estas nanoestructuras presentan un efecto no lineal en mediciones de corriente-voltaje entre barridos de voltaje de 6V a -6V. Bajo radiación localizada, los nanohílos presentan fotogeneración y transporte de carga; así como polaridad en la fotoconducción, lo que corrobora el comportamiento semiconductor tipo p de Co3O4.Varghese, B, Mukherjee, B, Karthik, K, Jinesh, K, Mhaisalkar, S, Soon Tok, E, & Haur Sow, C 2012, 'Electrical and photoresponse properties of Co3O4 nanowires', Journal Of Applied Physics, 111, 10, p. 104306, Academic Search Complete, EBSCOhost.
Alambres moleculares orgánicos