Dispositivos híbridos de silicio con nanotubos de carbono
El silicio se ha convertido en el material idóneo para distintas aplicaciones fotónicas, como la detección y la comunicación de datos. Como resultado, en la actualidad se pueden encontrar numerosos dispositivos fotónicos capaces de emitir, propagar, modular y detectar luz a escala de un chip de silicio. Incluso a pesar de este avance, todavía queda por resolver el reto de integrar todos los componentes de un sistema fotónico en un mismo circuito. Esto se debe a que, para conseguirlo, es necesario integrar distintos materiales sobre el silicio. Aunque el proceso sea técnicamente posible, no resulta rentable, lo cual limita el uso de la fotónica sobre silicio en una gama amplia de aplicaciones. El proyecto CARTOON, financiado por la Unión Europea, superó este reto aplicando una nueva estrategia para los dispositivos híbridos a base de silicio mediante la cual se utilizan nanotubos de carbono (CNT) como fuentes de luz, moduladores y detectores integrados en longitudes de onda en el infrarrojo próximo. «Finalmente, optamos por los nanotubos de carbono semiconductores de pared única (s-SWNT), ya que son un material muy versátil que, además, tiene muy buenas propiedades eléctricas y ópticas», explica el coordinador del proyecto, Laurent Vivien. Según Vivien, los s-SWNT ofrecen muchas ventajas, por ejemplo, presentan emisiones intensas a temperatura ambiente en el rango de longitudes de onda del infrarrojo próximo y una gran fotoestabilidad térmica. Seleccionando con precisión un diámetro y una quiralidad para los nanotubos, se puede controlar fácilmente las emisiones en las longitudes de onda de 1 µm a 1,6 µm. Además, se pueden integrar para obtener diodos y transistores de efecto campo, lo cual abre la posibilidad de utilizar el bombeo eléctrico para obtener luminiscencia y fotodetectores. Además, sus transiciones electrónicas, mediante los efectos Stark y Kerr predichos, también se pueden utilizar para obtener efectos de modulación. «Por todos estos motivos, los CNT son un candidato excelente para resolver los problemas de integración con la fotónica del silicio. Así, tendríamos una fotónica rentable y fiable», explica Vivien. Un potencial enorme El proyecto CARTOON ha dado lugar a varias innovaciones importantes que han allanado el camino del desarrollo de fotónica de CNT de nueva generación y, en consecuencia, su impacto potencial es enorme. Por ejemplo, durante el proyecto se desarrollaron nuevas estrategias para obtener nanotubos de carbono semiconductores puros para aplicaciones fotónicas. También se realizó la primera demostración con éxito del efecto no lineal de refracción negativa en CNT integrados en una guía de ondas de nitruro de silicio, junto con el primer efecto duradero basado en la integración híbrida de CNT en dispositivos fotónicos de silicio. Además, el proyecto desarrolló una plataforma fotónica híbrida totalmente integrada sobre silicio para nanomateriales y optimizada para nanotubos. «El proyecto introdujo un concepto nuevo e inesperado para utilizar CNT para aplicaciones fotónicas en silicio», explica Vivien. «Es un material muy prometedor que se podría utilizar para desarrollar dispositivos totalmente optoelectrónicos y confiamos en que los CNT facilitarán la integración de fotónica y electrónica. Además, como los CNT únicos son emisores cuánticos, nuestra estrategia también se puede utilizar para dirigir la fotónica sobre silicio hacia el terreno de la comunicación cuántica integrada». Con la mirada puesta en la comercialización En 2015, un investigador del proyecto CARTOON fundó una nueva empresa, ProNT GmbH. Su objetivo es comercializar la tecnología para la síntesis directa de SWNT semiconductores utilizando algunas de las estrategias desarrolladas durante el proyecto CARTOON. Si lo consigue, esto proporcionará a los clientes industriales s-SWNT para integrarlos en dispositivos electrónicos y fotónicos a base de SWNT, como sensores, entre otros. Los investigadores del proyecto CARTOON también planean seguir avanzando en sus hallazgos más recientes relativos a los dispositivos optoelectrónicos con el lanzamiento de un proyecto nuevo que se centrará en demostrar circuitos fotónicos de silicio basados en CNT para utilizarlos en las nuevas generaciones de interconexiones ópticas, información cuántica y detección.
Palabras clave
CARTOON, fotónica de silicio, nanotubos de carbono, dispositivos fotónicos, dispositivos electrónicos
