Un material apodado como silicio negro ha demostrado ser muy prometedor para la fabricación de detectores de luz y dispositivos de representación de imágenes más baratos y sensibles. Además, se podrían aprovechar los métodos ya establecidos de manufactura de silicio. Sin embargo, una de las características principales del silicio negro—un bosque de conos microscópicos que se forman en la superficie y le dan al material su color negro—puede que no sea tan importante como al principio parecía ser. Los investigadores de la Universidad de Harvard que descubrieron el silicio negro por primera vez, están estudiando una forma modificada del material que no posee conos y tiene las mimas propiedades optoelectrónicas. Debido a la palidez de su color, este nuevo material tiene el apodo de silicio rosa, aunque apenas se puede distinguir de una oblea de silicio normal.

El silicio negro fue descubierto de forma accidental por un equipo dirigido por el profesor de física Eric Mazur, en Harvard. El grupo creó el material mediante la mezcla en vacío de un compuesto de azufre gaseoso y una oblea de silicio, y después aplicaron un láser de femtosegundo en el silicio para reestructurarlo a escala nanométrica.

El silicio negro es capaz de absorber la luz a lo largo de un espectro más amplio que el silicio normal—desde la luz visible de baja frecuencia hasta las longitudes de onda cercanas al infrarrojo o de onda corta infrarroja que, normalmente, pasaría a través del silicio normal. Otra propiedad, denominada ganancia fotoconductora, proporciona al silicio una mayor sensibilidad a la luz. Estas propiedades hacen que el silicio negro se utilice para fabricar detectores de luz más pequeños, baratos y ligeros, y para sustituir a los materiales más caros que se utilizan en los detectores de infrarrojos de las uniones de fibra óptica, los sistemas de seguridad y en el resto de aplicaciones.

No obstante, los conos que cubren la superficie del silicio negro, que se crean durante la estructuración con láser de femtosegundo de alta intensidad y pulso corto, pueden causar problemas—por ejemplo, entorpecen la fabricación en grandes cantidades. James Carey, que se dedicó al estudio de las propiedades del silicio negro mientras era estudiante en el laboratorio de Mazur en Harvard, además de cofundador de la compañía SiOnyx, con sede en Beverly, Massachusetts, dedicada a la comercialización del material, explica que es más difícil producir grandes cantidades de obleas con conos altos mediante el proceso de fundición. Esto se debe a que durante el proceso de fundición se llevan a cabo unas deposiciones de película fina, por lo que el contacto con los conos puede ocasionar problemas. También existe el riesgo de que los conos se rompan. “Es difícil incorporar nuevos materiales al proceso de fundición sin que se den problemas,” señala Carey. Los conos también interfieren el estudio detallado de las propiedades electrónicas del material, puesto que incrementan el área de superficie del material de uno a dos órdenes de magnitud, haciendo que los electrones se dispersen más rápidamente.

El laboratorio de Mazur le ha dado una nueva vuelta de tuerca al proceso de producción del silicio negro, aprovechando las propiedades de absorción y de alta ganancia del silicio negro pero haciendo que el material sea completamente plano. Esto podría ayudar a que se superasen los inconvenientes que se dan durante la fabricación, así como a un estudio más detallado del material.

El avance se produjo cuando los investigadores observaron conos de silicio negro “más planos” después de cambiar los parámetros del láser durante los experimentos. Resultó que en realidad ocurrían dos cosas durante el proceso de producción con láser que utilizaron en un principio: la ablación, que se encargaba de crear la superficie de conos, junto a un derretimiento rápido combinado con el proceso de resolidificación, que atrapaba los átomos de azufre dopados dentro de una estructura nanocristalina del silicio. En un principio, los dos procesos ocurrían a la vez, aunque ahora el laboratorio de Mazur ha decidido separarlos. “Una vez que planteamos la cuestión, resultó muy sencillo ponerlo a prueba,” afirma Mark Winkler, estudiante graduado que fue el primero en darse cuenta de los extraños efectos. “Sólo tuvimos que cambiar la forma de pensar, pasando de dar por sentado que había que construir los conos a preguntarnos qué cantidad de control tenemos sobre el material que estamos fabricando.”

La ablación con láser necesita más energía que el derretido, por lo que los investigadores ajustaron la intensidad del láser para que estuviera por debajo del límite de la ablación pero por encima del de derretido. En la actualidad, el láser descompone el material y deja que se recristalice con entre un 1 y un 2 por ciento de átomos de azufre atrapados en su interior—altamente dopado para tratarse de un semiconductor—aunque la superficie se mantiene suave y plana. Aunque ya no se forman los conos-lo que hace que la superficie parezca ligeramente rosa, en vez de negra—el material sigue manteniendo su capacidad de absorción hasta el espectro infrarrojo.

Sin los conos, afirma Mazur, “somos capaces de tomar medidas que hasta ahora eran imposibles” previamente, incluyendo las densidades de transporte, la movilidad de los electrones, y otras propiedades electrónicas. Mazur añade que también es más fácil estudiar la composición química del sustrato y “obtener un buen perfil” del material por debajo de la superficie. La gran pregunta que aún hay que contestar, afirma Winkler, es por qué absorbe la luz el silicio negro en el espectro infrarrojo.

Mientras tanto, SiOnyx dedica su tiempo a convertir el potencial del silicio negro en dispositivos comerciales. Aunque el proceso de la compañía no utiliza silicio completamente plano, los investigadores de SiOnyx han acortado la altura de los conos desde micrones hasta aproximadamente 200 nanómetros, afirma Carey, para así facilitar el proceso de fabricación. Recientemente, SiOnyx llevó a cabo con éxito el primer proceso de fundición utilizando este tipo de conos más cortos, con lo que se demostró la capacidad para la manufactura en masa. La compañía espera poder tener foto-detectores comerciales listos para su lanzamiento este año.

Richard Myers, de Radiaton Monitoring Devices, una compañía de investigación y desarrollo comercial que ha llevado a cabo algunas investigaciones con silicio negro, afirma que la ventaja del material reside en que amplía la funcionalidad del silicio. “Todo se reduce a un menor coste y a la posibilidad de usar la tecnología de procesado ya existente,” afirma Myers. La infraestructura de componentes electrónicos de silicio “ya está creada” y es económica, con lo que el nuevo material—ya sea negro o rosa—resulta útil como una alternativa más entre todas las que se están probando para ampliar los límites del silicio.