Silicio
El silicio es el material sobre el que descansa toda la electrónica — y en la neutrinovoltaica constituye una de las mitades de la secuencia de capas, cuya otra mitad es el grafeno.
El segundo elemento más abundante de la corteza terrestre
Después del oxígeno, el silicio es, con alrededor del 28 por ciento, el componente más abundante de la corteza terrestre. Está en la arena corriente, en el cuarzo, en casi toda roca.
Puro, sin embargo, no aparece nunca en la naturaleza. El camino de la arena al cristal semiconductor es uno de los más costosos de la industria: reducción en el horno de arco eléctrico, purificación mediante triclorosilano y, por último, el tirado de un monocristal según el método Czochralski. Para la microelectrónica se exige una pureza del 99,9999999 por ciento — por cada mil millones de átomos de silicio hay como mucho un átomo extraño.
Por qué precisamente el silicio
La razón es la banda prohibida. En un sólido, los electrones solo pueden adoptar determinadas energías; entre la banda de valencia llena y la banda de conducción vacía se abre, en un semiconductor, una brecha. En el silicio es de 1,12 electronvoltios.
Ese valor está felizmente elegido — no por el ser humano, sino por la naturaleza. Es lo bastante grande para que el movimiento térmico a temperatura ambiente no eleve electrones al otro lado de manera constante, y lo bastante pequeño para que eso pueda hacerse de forma dirigida: mediante luz, mediante un campo eléctrico, mediante átomos extraños introducidos.
Precisamente en ello se basan el transistor, la célula solar y el sensor de imagen.
Dopaje
Si se introducen átomos extraños en la red cristalina, el comportamiento cambia de raíz.
El fósforo tiene un electrón externo más que el silicio. El electrón sobrante no encuentra pareja de enlace y se vuelve móvil — se habla de dopaje n.
El boro tiene uno menos. Surge un hueco que se comporta como una carga positiva — dopaje p.
Si se juntan ambas zonas, surge una unión p-n, y esta solo deja pasar la corriente en un sentido. Esa rectificación es el núcleo de toda técnica de semiconductores — y es también el punto en el que interviene la neutrinovoltaica.
El silicio en la neutrinovoltaica
La patente WO2016142056A1 describe una lámina sobre la que se depositan alternadamente grafeno y silicio — de diez a veinte capas, en particular doce. La proporción de silicio se indica entre el 10 y el 80 por ciento, con preferencia especial el 25 por ciento. El tamaño de partícula debe situarse entre 5 y 500 nanómetros.
Ese dato de tamaño es la parte interesante. El silicio en el rango nanométrico se comporta de otro modo que un cristal macizo: la banda prohibida se desplaza, la relación entre superficie y volumen se vuelve muy grande y las intercaras ganan importancia frente al interior.
El papel que corresponde al silicio en la exposición del grupo es el de medio conductor: recoge el movimiento generado en la red de grafeno y lo transmite al material portador. El grafeno aporta la estructura; el silicio, el camino para la carga.
La diferencia respecto a la célula solar
Una célula solar también emplea silicio, pero de otro modo. Allí un fotón incidente eleva un electrón por encima de la banda prohibida; sin luz no ocurre nada. La célula es una superficie, y su producción crece con esa superficie.
La ecuación maestra de la neutrinovoltaica, en cambio, integra sobre el volumen. La producción debe crecer, pues, con el número de capas, no con la superficie iluminada. Con más detalle se expone esto en la página La fotovoltaica en comparación.
Otros usos
El silicio es además el material de muchos detectores de neutrinos. Los detectores de semiconductor de silicio o germanio de alta pureza miden energías con gran exactitud — están detrás de la búsqueda de la doble desintegración beta sin neutrinos y detrás de los pequeños detectores para la dispersión coherente en núcleos atómicos.
Así, el mismo elemento aparece en ambos lados de este wiki: como herramienta para medir neutrinos y como material de construcción en el intento de obtener energía de ellos.
Términos relacionados
- Grafeno — la otra mitad de la secuencia de capas
- Grafeno dopado
- Patente WO2016142056A1 — las cantidades indicadas
- La fotovoltaica en comparación
Fuentes
- WIPO: WO 2016/142056 A1, reivindicaciones sobre composición y tamaño de partícula.
- Neutrino® Energy Group: Neutrinovoltaic, neutrino-energy.com.