Centro de Investigación en Materiales Avanzados
 

En el Centro de Investigación en Materiales Avanzados, Cimav, el doctor Sion Olive Méndez desarrolló un dispositivo para el control de emisión de gases tóxicos para el hombre. Este sensor detecta gases como: óxido y dióxido de carbono, así como gases a base de nitrógeno. El dispositivo puede ser implementado en laboratorios o en la industria que requiera este tipo de control; incluso los vehículos podrían contar con un sensor que evite que el automóvil encienda cuando detecte que el conductor ha ingerido y rebasado cierto grado de alcohol.

Este dispositivo permite detectar emanaciones de gas en concentraciones muy bajas, del orden de partes por millón (ppm). El dispositivo es fabricado a partir de nanoalambres de óxido de estaño (SnO2), material seleccionado debido a su estabilidad termodinámica y química. La técnica utilizada por los investigadores del Cimav permite producir dispositivos con mayor sensibilidad y menor costo.

La ventaja de utilizar nanoalambres incrementa el área superficial y por ende la sensibilidad del dispositivo. El aprovechar las bondades de la nanotecnología permite manipular las propiedades de los materiales para elaborar dispositivos con mayor ­desempeño y descubrir nuevas propiedades de los nanomateriales que no son observables en la macroescala.

El dispositivo de apenas cinco milímetros por cinco milímetros está constituido de nanoalambres de óxido de estaño (SnO2) los cuales tienen una longitud de varias micras y un diámetro promedio de 30 nanómetros (nm), unas dos mil veces más delgados que un cabello. Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro. Los nanoalambres de SnO2 del dispositivo sensor forman una red de interconexiones de manera que la corriente eléctrica que circula de un electrodo a otros a través de éstos es variable dependiendo de la cantidad de gas tóxico al que estén expuestos. Es decir, la exposición al gas modifica la resistividad de los nanoalambres.

El proyecto cuenta con dos solicitudes de patente. La primera protege el proceso de fabricación del sensor, la cual es sencilla y de bajo costo. La segunda patente está relacionada con un proceso que permite incrementar la sensibilidad del dispositivo con la finalidad de tener mayor exactitud en las mediciones. Este proceso se puede aplicar a otros sensores elaborados a partir de otros óxidos sintetizados en forma de nanopartículas, nanoalambres, micropartículas o incluso películas porosas.

Dentro de esta misma línea de investigación, otro de los objetivos que tienen los especialistas del Cimav es estudiar las propiedades magnéticas que adquieren los nanoalambres de SnO2 cuando éstos son dopados con metales magnéticos, como por ejemplo, el cobalto. Los investigadores buscan introducir ferromagnetismo en los nanoalambres, de manera que tengan aplicaciones dentro de la electrónica de spin o spintrónica en la cual no sólo se aprovecha la carga eléctrica del electrón, sino también su spin, lo que le confiere al electrón un carácter magnético.

PELÍCULAS DELGADAS. Otro proyecto que lleva a cabo este equipo de especialistas, liderado por el doctor Sion Olive, está relacionado con el desarrollo de películas delgadas de espesores nanométricos con propiedades magnéticas elaboradas mediante la técnica de pulverización catódica. Su objetivo principal es desarrollar nuevos materiales funcionales para su aplicación en dispositivos spintrónicos, en especial proveer materiales para la fabricación de memorias magnéticas de acceso aleatorio (MRAM por sus siglas en inglés), las cuales son no-volátiles; es decir, la información se mantiene almacenada aún en la ausencia de suministro de energía eléctrica. Además estas memorias son rápidas en lectura y escritura de datos y permiten el almacenamiento de una gran cantidad de información, aproximadamente igual que las memorias flash (memorias USB) que también son no-volátiles, pero que son muy lentas y demandan un gran consumo de energía eléctrica.

La importancia del estudio fundamental de las propiedades de los materiales es indispensable para la comprensión de los fenómenos que dan lugar a la magnetización y otras propiedades magnéticas, y a su manipulación para ofrecer materiales funcionales para diferentes aplicaciones. En particular, las películas delgadas son recubrimientos cuyos espesores son de unos cuantos nanómetros y es a partir de estas películas que se fabrican los circuitos integrados. Cabe mencionar que en la actualidad el límite de resolución en la fabricación de un transistor es de 7 nm, es decir es la dimensión de la parte más pequeña en un transistor. Para el 2020 se espera que los procesos de fabricación alcancen los 5 nm. Los circuitos integrados y los procesadores de las computadoras se fabrican a partir de apilamientos de películas delgadas y utilizando técnicas avanzadas de litografía.

A lo largo del desarrollo de los trabajos de investigación el doctor Sion Olive y el grupo de especialistas del Cimav ha sometido los materiales magnéticos a esfuerzos de compresión, tensión y dopaje para así manipular las propiedades de las películas según sea la necesidad. En el caso de las aleaciones Mn-Ga (Mn3Ga) se ha logrado duplicar el valor de la magnetización mediante dopaje con carbono, mientras que en aleaciones Mn-Ge (Mn5Ge3) se ha logrado integrar este material a substratos de germanio que es perfectamente compatible con el silicio y que a su vez es el semiconductor en el cual esta basada la mayor parte de la microelectrónica. Además se incrementó la estabilidad magnética de la aleación frente a perturbaciones térmicas. El resultado de estos trabajos también aportará conocimiento para la industria de la microelectrónica a través de la producción de patentes.

Este proyecto se ha llevado a cabo en colaboración con científicos de instituciones nacionales y extranjeras. En el Instituto Tecnológico de Massachusetts, MIT, se caracteriza la forma de los dominios magnéticos de las películas utilizando técnicas de microscopia de fuerza magnética y en la Universidad de Castilla-La Mancha, en España, se miden las propiedades magnéticas con equipos de alta resolución, además de colaborar con investigadores del Cimav para estudiar los materiales a través de simulación computacional o por ejemplo utilizando la radiación de sincrotrón en países como Estados Unidos, Inglaterra e Italia.

El resultado general de los trabajos de este equipo de investigadores ha logrado generar publicaciones en revistas internacionales y formar recursos humanos de alto nivel en los niveles de maestría y doctorado en ciencia de materiales.

►  Maru Sánchez Molina, coordinadora de Difusión y Divulgación del CIMAV, con la colaboración directa del Dr. Sion Olive Méndez, Investigador titular B, Jefe del Departamento de Física de Materiales del Cimav.