La Hispalense investiga el desarrollo un dispositivo experimental único en España para la modificación y análisis de materiales

Los aceleradores de partículas se utilizan como una potente herramienta para la caracterización de materiales desde hace casi 50 años. La física atómica y nuclear ha hecho posible la comprensión de las complejas interacciones que tienen lugar entre un haz de partículas energéticas y los átomos de una muestra. Gracias a ello se puede obtener información precisa sobre la composición y estructura de los objetos estudiados. 

El Centro Nacional de Aceleradores (CNA) de Sevilla ha sido pionero en España en el uso de este tipo de técnicas de análisis, utilizando haces de iones. El equipo de la Hispalense Física Nuclear Aplicada, cuya vertiente de Materiales dirige el profesor This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., ha aplicado estas técnicas en el laboratorio para estudiar problemas de muy diversa índole y campos científicos variados. En la actualidad, estos investigadores están implicados en el proyecto de excelencia -de la convocatoria de 2006- Aplicaciones multidisciplinares de la línea de implantación iónica del Centro Nacional de Aceleradores, que la Consejería de Innovación, Ciencia y Empresa de la Junta de Andalucía ha incentivado con 215.999,92 euros. 

El proyecto se inició con el objetivo de abrir una línea de trabajo e investigación en dicho centro sevillano, introduciendo la técnica de la implantación iónica. Hoy en día, esta línea está muy desarrollada: “Ya se han instalado sensores para medir la cantidad de iones y su energía y un portamuestras especial para trabajar a temperaturas de hasta 500ºC”, indica Javier García”. Además, los científicos sevillanos están construyendo otro para irradiar a -197ºC.

Esta técnica se utiliza desde hace décadas en diferentes sectores tecnológicos e industriales y consiste en la irradiación de un sólido con iones energéticos, los cuales recorren una cierta distancia dentro del material antes de quedar incrustados en su estructura. Así, modifican las propiedades físicas del objeto irradiado. La alteración superficial de metales para mejorar su comportamiento frente a la corrosión, oxidación o fatiga, es un ejemplo de la aplicación de la técnica. Innovación en la técnica  La línea de implantación iónica del CNA tiene una particularidad esencial; su gran versatilidad en cuanto a los parámetros que caracterizan cualquier experimento de implantación: tipo de ión empleado, energía del haz de partículas, flujo de iones, dosis total implantada y temperatura del material durante la irradiación.

Miembros del equipo que desarrolla el proyecto

 En el Centro Nacional de Aceleradores es posible acelerar desde hidrógeno hasta elementos tan pesados como el oro, con energías que varían desde aproximadamente un millón de electrón-voltios (MeV) hasta 18 MeV (en el caso de protones). “El número de iones por segundo que llega a la muestra puede ser controlado y modificado en mas de diez órdenes de magnitud; desde unos 1000 iones/s ¡hasta más de 10.000.000.000.000 iones/s!”, explica el profesor Javier García. “También se fabricarán dos portamuestras especiales que permitirán realizar los experimentos desde temperaturas muy bajas (-196º C) hasta unos 500º C”, añade. 

Para desarrollar el estudio, cuentan con la colaboración del grupo de investigación Propiedades Ópticas, Magnéticas y de Transporte, del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid y con la compañía Tecnológica Componentes Electrónicos S.A., que les proporciona los circuitos y elementos electrónicos de interés para ser sometidos a los ensayos en sus instalaciones. “Además, otros grupos como el Instituto Nacional de Técnicas Aeroespaciales (INTA) y diversos departamentos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla están colaborando con nosotros utilizando las instalaciones”, comenta Javier García. 

Nuevas aplicaciones para el CNA

El equipo del profesor García López ha logrado desarrollar tres aplicaciones de esta técnica: la implantación de iones magnéticos en SiC, con el objetivo de crear semiconductores magnéticos; la irradiación de componentes electrónicos de uso en satélites artificiales para conocer la vida media de ese componente en una órbita determinada; y nuevas metodologías de análisis de materiales. 

Respecto a la primera aplicación, la creación de semiconductores magnéticos, éstos son fundamentales para el desarrollo de una nueva rama de la tecnología llamada electrónica de espín o espintrónica, que puede tener un impacto radical en los dispositivos de almacenamiento masivo y dar lugar a una nueva generación de ordenadores basados en la computación cuántica. El equipo de científicos de la Universidad de Sevilla realiza la implantación de iones magnéticos en SiC con el objetivo de crear semiconductores magnéticos. 

El SiC es un material semiconductor llamado ‘carburo de silicio’, ya que está formado por los elementos carbono y silicio. Debido a sus propiedades particulares, puede trabajar en condiciones de alta temperatura y potencia, donde el silicio, material semiconductor por excelencia, no puede funcionar. La investigación de este equipo es de nivel básico. Como explica el responsable, se trata de dotar el SiC con iones magnéticos para intentar lograr un semiconductor que presente propiedades ferromagnéticas (como un imán) a temperaturas de orden práctico (temperatura ambiente o superior), ya que generalmente el magnetismo en otros semiconductores aparece a muy bajas temperaturas (100ºC bajo cero o menores). “Si consiguiéramos un material así, que no existe en la naturaleza y hay que crearlo artificialmente, otros grupos podrían fabricar dispositivos electrónicos que permitieran, por ejemplo, crear memorias de ordenador mucho más densas y rápidas que las actuales”, aclara Javier García. 

Sector aeroespacial 

Otra utilidad sería la simulación de los efectos de la radiación de partículas presentes en la Atmósfera y en el Espacio sobre las estructuras de silicio de los componentes electrónicos. En aplicaciones que requieren una alta confiabilidad y deben trabajar en un entorno hostil, como el sector aeroespacial, hay que considerar que los efectos de esta radiación pueden provocar errores en los circuitos. “Antes de poner un satélite en órbita, los componentes electrónicos que van en su interior o las células solares que lo alimentarán, son sometidos a una serie de tests para determinar su resistencia a la radiación (fotones, electrones o iones), ya que en el especio exterior, fuera de la atmósfera terrestre protectora, están siendo constantemente irradiados por estas partículas. Los tests sirven para intentar determinar cuánto tiempo puede funcionar un determinado dispositivo en una determinada orbita, antes de que la radiación existente lo deteriore”, indica el responsable del estudio. 

La Agencia Espacial Europea (ESA) establece los criterios de validación de los circuitos. Por su parte, Compañías y organismos españoles como Tecnológica y el Instituto de Técnicas Aeroespaciales (INTA) llevan muchos años realizando estos tests en laboratorios europeos, ya que en España no existía ninguna instalación que permitiera hacer ensayos de irradiación con iones. Uno de los objetivos de este proyecto es poner a punto las instalaciones del CNA para poder realizar en nuestro laboratorio los tests de irradiación con iones (generalmente protones, aunque también usamos iones mas pesados). Ahora, este centro puede realizar ensayos preliminares y de comparación entre diferentes componentes electrónicos, pruebas recomendadas por la ESA. 

En este campo, según explica el profesor García, sí se han hecho “estudios del daño por irradiación de protones en circuitos integrados y de blindajes utilizados para la electrónica espacial. También se ha analizado el efecto de la radiación en sensores solares que serán embarcados en el satélite español NANOSAT 1B”. 

En cuanto al desarrollo de nuevas metodologías, se trata de buscar métodos de análisis de materiales que complementen y/o mejoren los actualmente existentes en el CNA, usando protones de mayor energía que la utilizada en otro de nuestros aceleradores. Los primeros análisis se están aplicando a muestras de interés arqueológico, con la búsqueda de elementos traza (es decir, que están en concentraciones muy bajas) tales como el mercurio o el platino, en objetos de oro, ya que su detección y cuantificación podrían aportar información sobre la procedencia del material analizado. 

Beneficios para otros científicos 

“Además, la ejecución de este proyecto dará como resultado la creación de una herramienta versátil, única en España, de la que se beneficiarán todos aquellos grupos, nacionales e internacionales, que deseen hacer uso de nuestras instalaciones para sus propias investigaciones”, indica Javier García. 

Su equipo de científicos, en los primeros años de realización del proyecto, se ha dedicado a desarrollar y mejorar esta herramienta, la línea de implantación/irradiación y ha realizado “diversos experimentos, muchos de ellos en colaboración con otros Organismos, como la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de la US, el INTA, el Institute des Nanosciences de París o el Instituto para las Técnicas Físicas de Budapest”, concluye el responsable del estudio.

Más información:

Javier García López

Universidad de Sevilla

Centro Nacional de Aceleradores (CNA)

Tel.: 954 46 05 53 (US) / 954 46 05 53 (CNA)