Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

Que la estructura cristalina es fundamental para las características físicas que va a presentar una sustancia química es de todos conocido. Ahí está el clásico ejemplo del grafito de la mina de los lápices y el diamante, ambos con idéntica composición química (carbono puro), pero diferente estructura cristalina. Grafito y diamante son dos de los alótropos posibles del carbono.

Un grupo de investigadores de la Institución Carnegie (EE.UU.), encabezados por Duck Young Kim, ha conseguido sintetizar un nuevo alótropo del silicio con gap directo. Gap directo significa que el mínimo de la banda de conducción (por la que circulan los electrones que “conducen” la electricidad) y el máximo de la banda de valencia (donde están los electrones de valencia de los átomos) coinciden para el mismo valor de una variable llamada momento cristalino, lo que permite que un electrón se mueva entre una y otra banda simplemente intercambiando un fotón. Este descubrimiento podría revolucionar la industria de las células fotovoltaicas y la de los dispositivos emisores de luz (LED) al combinar la capacidad de absorber la luz de los materiales como el arseniuro de galio con las ventajas de proceso del silicio tradicional. El único inconveniente serio es que la síntesis del nuevo alótropo es larga y cara, pero una vez claro el concepto es muy probable que se pueda reducir y abaratar.

El silicio es omnipresente en la industria electrónica, pero el alótropo que se emplea, que comparte estructura cúbica con el diamante, tiene un gap indirecto, es decir, los electrones no se pueden mover entre las bandas de valencia y conducción simplemente intercambiando un fotón, es necesario también la intervención de un fonón (una excitación de los modos de vibración del cristal) para que se conserve el momento. Esto hace que el silicio sea relativamente ineficiente a la hora de absorber o emitir luz. Las células fotovoltaicas necesitan por ello una oblea de silicio relativamente gruesa para absorber suficiente luz, mientras que en los LEDs se prescinde del silicio y se usa arseniuro de galio que, si bien es de gap directo, es más caro, se descompone fácilmente y es tóxico.

El silicio, que se encuentra justo debajo del carbono en la tabla periódica, tiene como éste la capacidad de formar cuatro enlaces formando un tetraedro. Esto hace posible la existencia de una enorme variedad de estructuras hipotéticas, muchas de las cuales no son estables, sino metaestables, es decir, con una energía ligeramente superior a la estructura más estable posible en condiciones normales. Muchas de estas estructuras se han observado experimentalmente en condiciones controladas y cuatro son estables dinámicamente en condiciones ambiente.

En 2013 el mismo equipo de investigadores descubrió el Na₄Si₂₄. Ahora han comprobado que calentándolo a 400 K al vacío pierde los átomos de sodio dejando un alótropo ortorrómbico de silicio estable dinámicamente. Los investigadores han realizado cálculos teóricos que indicarían que este nuevo material es estable hasta los 750 K y 10 gigapascales de presión y, lo que es mucho más interesante, con un gap directo de 1,3 eV o, lo que es lo mismo, ideal para células fotovoltaicas.

El gran problema, como indicábamos al principio, es de proceso. Temperatura y vacío combinados para obtener una estructura que es metaestable, y muy sensible a las impurezas, a partir de un compuesto es algo muy delicado. Pero no es nada que no pueda mejorarse invirtiendo en su optimización si el material es lo que promete ser.

Pero para comprobar que todas las bondades del silicio ortorrómbico realmente son las que se calculan será necesario obtener cristales de un tamaño mucho mayor que el de los obtenidos hasta ahora , microcristales o, visto desde fuera, polvo. Si se obtiene un cristal de tamaño razonable podría simplificarse el proceso rápidamente recurriendo al crecimiento epitaxial, muy empleado ya en la industria de los semiconductores.

En el peor de los casos, en el que no se pudiesen superar las dificultades técnicas, este trabajo quedará como referencia por la nueva forma de síntesis, que podrá aplicarse a distintos materiales en busca de todo tipo características interesantes.

Referencia:

Duck Young Kim, Stevce Stefanoski, Oleksandr O. Kurakevych & Timothy A. Strobel (2014) Synthesis of an open-framework allotrope of silicon Nature Materials DOI: 10.1038/nmat4140

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance