Aplicación de nanoalambres de diamante a las nuevas
1. APLICACIÓN DE NANOALAMBRES DE
DIAMANTE A LAS NUEVAS
TECNOLOGÍAS EN COMUNICACIONES Y
ELECTRÓNICA
PRESENTA:
JESÚS RAMÍREZ SOLANO
ASESORES:
DR. FERNANDO ADÁN SERRANO OROZCO
DR. ALEJANDRO TREJO BAÑOS
INSTITUTO POLITÉCNICO
NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL CULHUACÁN
12/16/2016 1
5. EL OBJETIVO GENERAL
Estudiar las aplicaciones de nanoestructuras de diamante,
especialmente nanoalambres, para la emisión de fotones únicos
y dispositivos de comunicaciones y electrónica.
• Objetivos específicos:
• Revisión sobre las investigaciones y aplicaciones de nanoalambres de
diamante.
• Modelado de estructura de bandas de un nanoalambre de diamante con
centro de color.
12/16/2016 5
11. 12/16/2016 11
TRANSISTOR ÓPTICO
Michael Geiselmann y colaboradores describen en el
artículo “Fast optical modulation of the fluorescence
from a single NV centre”, el comportamiento
experimental de un transistor óptico.
12. 12/16/2016 12
PUNTOS CUÁNTICOS
En el artículo “Nanoscale waveguiding methods”, Chia-Jean
Wang, y Lih Y. Lin hacen un detallado análisis de un conjunto
de puntos cuánticos (matriz) como un habilitador de ganancia y
modo flexible para transmitir energía por senderos directos o
curvas cerradas.
13. 12/16/2016 13
GUÍAS DE ONDA
En el artículo
“Nanoengineered Diamond
Waveguide as a Robust Bright
Platform for
Nanomagnetometry Using
Shallow Nitrogen Vacancy
Center”, S. Ali Momenzadeh,
y colegas, analizan el
comportamiento de una
estructura fotónica en el
diamante.
14. GUÍA DE ONDA PLASMONICA
12/16/2016 14
Volker J. Songer y
colegas, en su
artículo “Strongly
Enhanced Molecular
Fluorescence inside
a Nanoscale
Waveguide Gap”
reportan una alta
interacción entre la
luz y la materia, de
moléculas colocadas
dentro de una guía
de onda plasmonica
15. FIBRA ÓPTICA
12/16/2016 15
En el artículo
“Highly Efficient
Coupling of
Photons from
Nanoemitters into
Single-Mode
Optical Fibers” de
Masazumi
Fujiwara,
16. FIBRA ÓPTICA CON DIAMANTE
12/16/2016 16
“Fiber-Integrated Diamond-Based Single Photon Source”, se uso un microscopio
de fuerza atómica para colocar un solo emisor de fotones hecho de diamante, a
una medida de 30 nm.
17. 12/16/2016 17
se muestra la excitación, esquema de
detección y características fluorescentes del
diamante. En (a) es el esquema que muestra
las diferentes configuraciones experimentales,
es decir, (I) de excitación y detección en el
lado cargado de la fibra (donde se puso el
diamante), (II) de excitación en el lado cargado
de la fibra y la detección a través de la fibra, y
(III) detección y de excitación a través de la
fibra. En (b) se muestra la imagen obtenida por
la cámara de la luz recogida de la fibra a 532
nm de excitación. En (c) se muestra la gráfica
del espectro de esta luz (línea de negro) y el
espectro después de añadir un filtro de paso
de 650 nm (línea roja). El recuadro muestra
una sección de todo el espectro como se
indica por las líneas de trazos. En (d) es la
imagen obtenida del barrido y microscopia. El
punto blanco representa la fluorescencia del
centro de N-V en el diamante. (e, f) imágenes
de microscopía en los cuadros I y II,
respectivamente
18. NANO ANTENAS
12/16/2016 18
Ejemplos de antenas ópticas fabricadas usando el método “Top- down”. De la (a) a la
(d) diversos prototipos con apertura cercan a los 10 nm, fabricadas por medio de
cortes con un haz de iones enfocados. De la (e) a la (g) análogos de Yagi-Uda.
Antenas con apertura y guía de onda plasmonica complementadas por un anillo que
actúa como resonador, fabricados por litografía de haz de electrones.
27. Comparación de resultados obtenidos para diamante donde: diamante es el material
sin defectos, diamante-cv es la súpercelda con vacancia, diamante-cnv es la
súpercelda con remplazo de nitrógeno y vacancia de carbono, y diamante-nv es la
súpercelda con remplazo de nitrógeno.
12/16/2016 27
Material Diamante Diamante -
CV
Diamante -
CNV
Diamante -
NV
Tipo de
brecha
Indirecta N/a Indirecta Indirecta
Amplitud de
la brecha (eV)
4.63 0 0.146 1.81
Átomos 64 63 63 64
28. SÚPERCELDA DE CARBURO DE SILICIO CON REEMPLAZO DE
NITRÓGENO Y VACANCIA DE CARBONO - SILICIO
12/16/2016 28
34. 12/16/2016 34
Alteración Tipo de brecha Valor de la brecha prohibida
(eV)
N/A Directa 3.879
NxC Directa 3.878
CV Directa 0.823
CNV Directa 0.456
Resultados obtenidos de las diferentes configuraciones de los nanoalambres de diamante
35. CONCLUSIÓN
• Al hacer el modelado del diamante en bulto se observó que existen efectos similares en el tipo
dopaje tanto con la substitución como con la vacancia- reemplazo de nitrógeno, sin embargo
los estados de trampa requeridos para la emisión de fotones únicos están ausentes.
• En contraste, en los nanoalambres de diamante se muestran estados de trampa muy marcados
aún solamente introduciendo vacancias en los nanoalambres, estos estados de trampa pueden
ser aprovechados para la generación de fotones únicos para aplicaciones en computación
cuántica. Estos cálculos dan un indicio de que el nitrógeno puede ser una alternativa dopante
para la aplicaciones en de nanoalambres de diamante a las nuevas tecnologías de
comunicaciones y electrónica. Aún más, al estudiar el comportamiento del dopaje, vacancia-
nitrógeno, es posible hacer un análisis, a futuro, correspondiente al de un dopaje, vacancia-
boro, con el fin de comprobar si existe un comportamiento opuesto (material tipo p) al que se
da con el nitrógeno, que genera un material tipo n, con posibilidades que favorecen la
absorción de un fotón único, que se inclina a un desarrollo de comunicaciones cuánticas. Los
cálculos y modelos de este trabajo son el reflejo de un proyecto innovador que no solo se
considera un avance en la ciencia sino que en sí radica el potencial para cambiar las
comunicaciones y electrónica, y a su vez la forma de estudiar sistemas más complejos.
Posiblemente podamos llegar a responder con facilidad la pregunta planteada por Feynman,
correspondiente a la simulación de los fenómenos físicos y del comportamiento básico de la
naturaleza.
12/16/2016 35
36. BIBLIOGRAFÍA
12/16/2016 36
Feynman, R.P., Simulating physics with computers. International journal of theoretical physics,
1982. 21(6): p. 467-488.
2. imagen tomada de la pagina web: https://construinnova.net/2014/12/16/nanotecnologia/
3. Nalwa, H.S., Handbook of Nanostructured Materials and Nanotechnology, Five-Volume Set.
1999: Academic Press.
4. imagen tomada de la pagina web: http://smart-lighting.es/europa-se-lanza-a-liderar-la-
nanoelectronica/
5. Toumey, C., 35 atoms that changed the nanoworld. Nature nanotechnology, 2010. 5(4): p.
239-241.
6. Medrano, M.G.M., H. Rosu, and L.T. González, Grafeno: el alótropo más prometedor del
carbono. Acta Universitaria, 2012. 22(3): p. 20-23.
7. Blank, V., et al., Mechanical properties of different types of diamond. Diamond and related
materials, 1999. 8(8): p. 1531-1535.
8. Pilar, ¿Qué es un diamante en bruto? 2015(Corazón de Joyas).
9. imagen tomada de la pagina web: http://igvemdor.blogspot.mx/2008/08/el-
diamante.html
10. imagen tomada de la pagina web: http://igvemdor.blogspot.mx/2008/08/el-
diamante.html
11. imagen tomada de la pagina web: http://igvemdor.blogspot.mx/2008/08/el-
diamante.html
12. Carlsson, J.-O. and P. Martin, Chemical vapor deposition. Handbook of Deposition
Technologies for Films and Coatings: Science, Applications and Technology, 3rd ed., edited
by PM Martin (Elsevier Inc., Oxford, 2010), 2010: p. 314-363.
13. Hampden‐Smith, M.J. and T.T. Kodas, Chemical vapor deposition of metals: Part 1. An
overview of CVD processes. Chemical Vapor Deposition, 1995. 1(1): p. 8-23.
14. De Weerdt, F. and J. Van Royen, Defects in coloured natural diamonds. Diamond and
related materials, 2001. 10(3): p. 474-479.
15. Joyas, K., QUE SON DIAMANTES TIPO I Y TIPO II. 2015.
16. Luo, J., et al., Diamond and diamond-like carbon MEMS. Journal of Micromechanics and
Microengineering, 2007. 17(7): p. S147.
17. Quispe Chejo, V.H., APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA NANOTECNOLOGIA. Revista de
Información, Tecnología y Sociedad, 2010: p. 58.
18. Geiselmann, M., et al., Fast optical modulation of the fluorescence from a single nitrogen-
vacancy centre. Nature Physics, 2013. 9(12): p. 785-789.
19. Vielma, M., Introducción a las Antenas, 2005, Abril.
20. Guo, X., Y. Ying, and L. Tong, Photonic nanowires: From subwavelength waveguides to
optical sensors. Accounts of chemical research, 2013. 47(2): p. 656-666.
21. Wang, C.-J. and L.Y. Lin, Nanoscale waveguiding methods. Nanoscale research letters,
2007. 2(5): p. 219-229.
22. Momenzadeh, S.A., et al., Nanoengineered Diamond Waveguide as a Robust Bright
Platform for Nanomagnetometry Using Shallow Nitrogen Vacancy Centers. Nano letters,
2014. 15(1): p. 165-169.
23. Sorger, V.J., et al., Strongly enhanced molecular fluorescence inside a nanoscale waveguide
gap. Nano letters, 2011. 11(11): p. 4907-4911.
Khorasaninejad, M. and S.S. Saini, Silicon nanowire optical waveguide (SNOW). Optics express,
2010. 18(22): p. 23442-23457.
25. Fujiwara, M., et al., Highly efficient coupling of photons from nanoemitters into single-
mode optical fibers. Nano letters, 2011. 11(10): p. 4362-4365.
26. Rabeau, J., et al., Diamond chemical-vapor deposition on optical fibers for fluorescence
waveguiding. Applied Physics Letters, 2005. 86(13): p. 134104.
27. Schröder, T., et al., Fiber-integrated diamond-based single photon source. Nano letters,
2010. 11(1): p. 198-202.
28. Novotny, L., The history of near-field optics. Progress in optics, 2007. 50: p. 137-184.
29. Novotny, L. and N. Van Hulst, Antennas for light. Nature Photonics, 2011. 5(2): p. 83-90.
30. Atwater, H.A. and A. Polman, Plasmonics for improved photovoltaic devices. Nature
materials, 2010. 9(3): p. 205-213.
31. Knight, M.W., et al., Photodetection with active optical antennas. Science, 2011.
332(6030): p. 702-704.
32. Huang, K.C., et al., Electrically driven subwavelength optical nanocircuits. Nature
Photonics, 2014. 8(3): p. 244-249.
33. Maksymov, I.S., et al., Optical yagi-uda nanoantennas. Nanophotonics, 2012. 1(1): p. 65-
81.
34. Wolters, J., et al., Coupling of single nitrogen‐vacancy defect centers in diamond
nanocrystals to optical antennas and photonic crystal cavities. physica status solidi (b),
2012. 249(5): p. 918-924.
35. Farrera, I.L., CONDUCTORES SEMICONDUCTORES Y AISLANTES.
36. Albella, J.M. and J.M. Martínez-Duart, Fundamentos de electrónica física y
microelectrónica. 1996: Addison-Wesley Iberoamericana.
37. imagen tomada de la pagina web: https://thetuzaro.wordpress.com/2012/02/
38. imagen tomada de la pagina web:
http://materialfisicadesemiconductoresu1.blogspot.mx/p/tipos-de-semiconductores.html
39. Pinochet, J. and G. Tarrach, Los Semiconductores y sus Aplicaciones. Física de Sólidos,
Facultad de Física, 2001.
40. imagen tomada de la pagina web:
http://materialfisicadesemiconductoresu1.blogspot.mx/p/tipos-de-semiconductores.html
41. imagen tomada de la pagina web:
http://materialfisicadesemiconductoresu1.blogspot.mx/p/tipos-de-semiconductores.html
42. Fox, A.M., Optical properties of solids. Vol. 3. 2001: Oxford university press.
43. Dr. Matthias Pospiech, S.L., The Physics Behind Laser Diodes. (University of Hannover,
Germany, Department of Physics).
44. Lupón, N., El problema de la emisión y absorción atómicas en la Mecánica Cuántica
antigua. Llull: Revista de la Sociedad Española de Historia de las Ciencias y de las Técnicas,
1987. 10(18): p. 75-96.
45. Suárez, J., Introduction to Laser Theory. Princeton REU Program, Summer, 2003.
46. Reimer, M.E., et al., Single photon emission and detection at the nanoscale utilizing
semiconductor nanowires. Journal of Nanophotonics, 2011. 5(1): p. 053502-053502-12.
47. Agarwal, R. and C. Lieber, Semiconductor nanowires: optics and optoelectronics. Applied
Physics A, 2006. 85(3): p. 209-215.
48. Lounis, B. and W. Moerner, Single photons on demand from a single molecule at room
temperature. Nature, 2000. 407(6803): p. 491-493.
49. Moreau, E., et al., Single-mode solid-state single photon source based on isolated quantum
dots in pillar microcavities. Applied Physics Letters, 2001. 79(18): p. 2865-2867
Raino, G., et al., Single Cesium Lead Halide Perovskite Nanocrystals at Low Temperature: Fast
Single-Photon Emission, Reduced Blinking and Exciton Fine Structure. ACS nano, 2016.
51. Ma, X., et al., Room-temperature single-photon generation from solitary dopants of carbon
nanotubes. Nature nanotechnology, 2015. 10(8): p. 671-675.
52. Wrachtrup, J., 2D materials: Single photons at room temperature. Nature nanotechnology,
2016. 11(1): p. 7-8.
53. Koperski, M., et al., Single photon emitters in exfoliated WSe2 structures. Nature
nanotechnology, 2015. 10(6): p. 503-506.
54. Wang, L., et al., Strongly Enhanced Ultraviolet Emissions of an Au@ SiO2/ZnO Plasmonic
Hybrid Nanostructure. Nanoscale, 2016.
55. Castelletto, S., et al., A silicon carbide room-temperature single-photon source. Nature
materials, 2014. 13(2): p. 151-156.
56. Beveratos, A., et al., Room temperature stable single-photon source. The European
Physical Journal D-Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics, 2002. 18(2): p. 191-196.
57. Hasnip, P.J., et al., Density functional theory in the solid state. Phil. Trans. R. Soc. A, 2014.
372(2011): p. 20130270.
58. Gross, E.K. and R.M. Dreizler, Density functional theory. Vol. 337. 2013: Springer Science &
Business Media.
59. Orio, M., D.A. Pantazis, and F. Neese, Density functional theory. Photosynthesis research,
2009. 102(2-3): p. 443-453.
60. Burke, K., friends, The ABC of DFT, 2003.
61. Kohn, W., A.D. Becke, and R.G. Parr, Density functional theory of electronic structure. The
Journal of Physical Chemistry, 1996. 100(31): p. 12974-12980.
62. Balbás, L.C., Física Atómica: evolución y algunas tendencias actuales. Revista Española de
Física, 2011. 17(1).
63. Hohenberg, P. and W. Kohn, Inhomogeneous electron gas. Physical review, 1964. 136(3B):
p. B864.
64. Parr, R.G., Density functional theory, in Electron Distributions and the Chemical Bond.
1982, Springer. p. 95-100.
65. Sholl, D. and J.A. Steckel, Density functional theory: a practical introduction. 2011: John
Wiley & Sons.
66. Marques, M.A. and E. Gross, A Primer in Density Functional Theory. Lecture Notes in
Physics, 2003. 620: p. 144-184.
67. Vilhena Albuquerque d'Orey, J.G., First principles study of nano-scale materials: quantum
dots and nanowires, 2011, Lyon 1.
68. Maroto, E.S.F., Cálculos Computacionales de Estructuras Moleculares. 2011.
69. Perdew, J.P. and K. Schmidt. Jacob's ladder of density functional approximations for the
exchange-correlation energy. in AIP Conference Proceedings. 2001. IOP INSTITUTE OF
PHYSICS PUBLISHING LTD.
70. Kittel, C., Introducción a la física del estado sólido. 1995: Reverté.
71. McKelvey, J.P. and H.C. Rodríguez, Física del estado sólido y de semiconductores. Vol. 10.
1976: Limusa.
72. imagen tomada de la pagina web: http://slideplayer.es/slide/2269957/
73. Monkhorst, H.J. and J.D. Pack, Special points for Brillouin-zone integrations. Physical
Review B, 1976. 13(12): p. 5188.
74. White, J. and D. Bird, Implementation of gradient-corrected exchange-correlation
potentials in Car-Parrinello total-energy calculations. Physical Review B, 1994. 50(7): p.
4954.