1.- INTRODUCCIÓN
Flexibilidad, dureza, maleabilidad, ductilidad, elasticidad, opacidad, transparencia, resistencia, conductividad térmica, conductividad eléctrica… Estas y más características que podemos analizar en los materiales son usadas diariamente por la sociedad para sus actividades. Hemos sabido sacar partido de ellas y elegir qué materiales son más idóneos para según qué objetivo.
Desde hace unos sesenta años, se empezó a comprender que existía una relación entre la estructura de los materiales (tanto macroscópica como microscópica) y sus propiedades. La denominada ciencia de los materiales es la encargada de encontrar estas relaciones y es la base de diversas ingenierías que necesitan de los descubrimientos desarrollados por esta para su progreso. Gracias al estudio de la relación estructura-propiedades se pudo descubrir que había ciertas propiedades de los materiales que solo se presentarían en forma monocristalina y no con una morfología policristalina o amorfa.
En nuestro día a día, usamos, vemos y nos aprovechamos de las propiedades y utilidades que nos ofrecen unos materiales cuyas perfectas estructuras, fascinantes formas e increíbles características no dejan de sorprendernos: los cristales.
Productos de uso tan común como la sal o el azúcar, piedras de joyería tan apreciadas como el diamante, el rubí o el zafiro, los pequeños copos de nieve que caen de las nubes (y que tanto maravillaron a Johannes Kepler) o instrumentos tecnológicos tan modernos como el láser, transistores o diodos se encuentran compuestos por monocristales.
Con tales características resultaba imposible no centrarse en el estudio de su formación, crecimiento y aplicaciones. Además, con este proyecto no sólo nos adentraríamos en los ámbitos de la química y de la física, sino que debido a la gran diversidad de opciones que ofrece el mundo de los cristales nos acabaríamos encontrando inmersos en un proyecto multidisciplinar que nos haría profundizar también en la biología, la tecnología, la mineralogía, la metalurgia, matemáticas, óptica, etc.
Elegir los cristales que se quieren obtener en forma monocristalina es el primer paso en toda investigación de estas características y, en nuestro caso, hemos aprovechado la experiencia adquirida en nuestro instituto en el crecimiento de KDP (KH2PO4) y ADP (NH4H2PO4) puros (Revista IlQ 2014, referencia 1). Estos materiales tienen unas propiedades físicas muy interesantes que los han convertido en unos de los favoritos de la industria para su aplicación en tecnologías asociadas al láser principalmente. Su carácter no lineal le permite operar con la luz y variar las longitudes de onda de las radiaciones incidentes y generar distintos armónicos para altos pulsos de energía. Además de la experiencia en el estudio y crecimiento del KDP y ADP, los medios con los que contábamos en el instituto posibilitan continuar afrontando nuevos retos en la investigación del crecimiento y caracterización de estos cristales.
En determinadas ocasiones, las propiedades de los cristales pueden ser modificadas considerablemente sólo con la presencia de otros átomos en pequeña proporción, conocidos con el nombre de impurezas. El primer láser fue construido con un rubí (un cristal de óxido de aluminio con impurezas de cromo). El rubí debe su color rojo característico a la presencia de cromo porque de otra forma sería incoloro, pero además sus propiedades láser están íntimamente asociadas a la presencia de esta impureza en su estado trivalente. Quizá el ejemplo más destacado por el elevadísimo número de artículos científicos publicados sobre su estudio y la gran repercusión tecnológica y social de sus aplicaciones es el del silicio. Este material tiene unas propiedades eléctricas muy interesantes basadas en su carácter semiconductor. Estas propiedades pueden ser modificadas mediante la incorporación a la red cristalina de impurezas trivalentes y pentavalentes que lo convierten en un semiconductor del tipo p y n respectivamente. La asociación de estos tipos de semiconductores es la que posibilita la construcción de diodos, transistores y la mayoría de los dispositivos electrónicos que se utilizan en la actualidad.
El proceso por el que se incorporan las impurezas de forma controlada al cristal se conoce con el nombre de dopaje. En general, el crecimiento cristalino se complica extraordinariamente cuando queremos doparlo porque muchos parámetros del crecimiento cristalino se ven alterados debido a la resistencia que presenta el cristal a incorporar impurezas. De hecho, el proceso de recristalización es una de las técnicas más extendidas en la purificación de los materiales. El desafío al que vamos a afrontar en el desarrollo de este proyecto es la obtención de cristales de KDP y ADP dopados con algunos metales de transición y transición interna, también llamadas tierras raras.
De entre todos los métodos existentes para el crecimiento cristalino nos decantamos por realizar nuestra investigación mediante el uso de técnicas en disolución dado que estos materiales se descomponen antes de llegar a la temperatura de fusión. Existe una gran variedad de métodos de crecimiento en disolución pero en nuestra investigación vamos a trabajar en la evaporación lenta del disolvente a temperatura ambiente y a temperatura constante y en una mezcla entre el TSSG (Top Seeded Solution Growth), consistente en la colocación de un cristal –germen– en la superficie de la disolución para que el crecimiento se produzca en torno a este y el Holden, en este caso el germen se coloca en el seno de la disolución para a continuación bajar lentamente la temperatura de la misma para que el exceso de soluto se vaya depositando sobre el germen.
El cromo, el cobre, el neodimio, el europio y otras tierras raras se encontraban entre los candidatos a convertirse en los dopantes de los cristales. Ya sólo planteándonos el proyecto nos surgían diversas dudas: ¿variaría la impureza notablemente el color del cristal? ¿Modificaría la conformación estructural del cristal matriz? ¿Por qué con las ventajas que ofrecía el desarrollo de cristales dopados apenas hay empresas dedicadas a ello?
Una vez conseguidos los cristales pasaríamos a su caracterización, es decir, a analizarlos para comprobar si hemos obtenido monocristales con las características que buscábamos. Lo haremos mediante técnicas espectroscópicas para determinar si las bandas obtenidas en los espectros de absorción o fotoluminiscencia coinciden con las asociadas a la impureza introducida y así poder asegurar que el monocristal se ha formado correctamente y dopado correctamente.
2.- HIPÓTESIS
La introducción de impurezas en monocristales obtenidos por métodos de crecimiento cristalino en disolución (evaporación del disolvente y descenso de la temperatura de la disolución) confieren a los cristales propiedades ópticas exclusivas, que además nos permiten caracterizarlos.
