Cristales y electrónica

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Desde una guitarra eléctrica hasta el tomógrafo axial o el ecógrafo del hospital, pasando por el ordenador personal, todos los dispositivos electrónicos actuales funcionan gracias a las propiedades de los cristales. Encontramos cristales de semiconductores en los chips; cristales piezoeléctricos en los relojes electrónicos, los micrófonos y altavoces; cristales piroeléctricos en los termógrafos y sistemas de alarmas; y cristales líquidos en las pantallas de móviles y televisores. Y encontraremos cristales como el grafeno o los cuasicristales en los materiales del futuro.

¿Sabes cuales son las propiedades cristalinas en las que se basa esa tecnología? ¿Imaginas cuántos productos usas diariamente que funcionan gracias a los cristales? ¿Quieres aprender cómo se obtienen los cristales en la industria?

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Chip de silicio en el interior de un micropocesador Oblea de silicio monocristalino con chips electrónicos grabadosOblea de silicio monocristalino con chips electrónicos grabados

Cada uno de los pequeños chips que hacen funcionar nuestros aparatos electrónicos contiene en su interior una pequeña lámina de cristal semiconductor con unos diminutos circuitos grabados a escala nanométrica que integran entre varios cientos y varios millones de componentes electrónicos. Las propiedades cristalinas de los semiconductores en estado cristalino hacen posible su funcionamiento.

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Es muy posible que nuestro móvil esté equipado con una pantalla LCD. Las siglas quieren decir “Liquid Crystal Display” y, efectivamente, su funcionamiento se basa en las propiedades de modulación de la luz que los cristales líquidos tienen por el hecho de ser cristales. Otra tecnología de pantallas es el LED (“Light Emitting Diode”). En este caso la imagen se forma por la luz emitida por cada pixel que es un diminuto diodo de cristal semiconductor. Los LEDS están cada día más presentes en nuestra vida cotidiana y no solo en los móviles o en las pantallas de televisión sino en los paneles publicitarios o incluso en las lámparas de nuestros hogares.

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Cada vez más los teléfonos están equipados con sensores que los hacen “más inteligentes”. Es frecuente que los teléfonos estén equipados con brújulas, giróscopos o acelerómetros que les permiten conocer su orientación y sus movimientos. Con el tiempo otros sensores (temperatura, humedad, presión…) se irán incorporando. La tecnología de MEMs permite la microfabricación sobre soportes cristalinos de estructuras mecánicas, térmicas, ópticas y fluídicas junto con la electrónica necesaria para su funcionamiento.

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Todos los dispositivos electrónicos digitales (incluido el móvil) usan uno o más relojes para marcar el ritmo a la circuitería electrónica y sincronizar su funcionamiento. Este reloj es típicamente un circuito resonante basado en el efecto piezoeléctrico de un cristal de cuarzo. De hecho el componente electrónico correspondiente se denomina coloquialmente “cristal” y es el mismo que encontramos en los relojes de pulsera, los ordenadores, radios y en infinidad de otros aparatos electrónicos. El mismo fenómeno de piezoelectricidad se usa también para hacer funcionar el micrófono y el altavoz del teléfono, los pickups para instrumentos musicales, el sonar o los ecógrafos médicos.

Otras propiedades de los cristales, además de las electrónicas y mecánicas, están en la base de nuestras tecnologías actuales, como el laser o los componentes de óptica no lineal que nos permiten generar o manipular haces de luz.

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La energía solar usa cristales de silicio entre otros materiales y su futuro depende en buena parte de encontrar la forma más barata de producir cristales de compuestos III-V.

Sabías que

  • El Silicio con el que construimos los criscuitos electrónicos es el séptimo elemento en el universo y el segundo más abundante en la Tierra. Aproximadamente un cuarto de la corteza terrestre es silicio.
  •  Como cabria esperar, la industria de fabricación de semiconductores es muy ámplia y competitiva. En 2013, las ventas globales de esta industria superó los 300.000 millones de dolares.
  •  En un LCD, la corriente eléctrica se usa para transformar segmentos de cristal líquido de una fase transparente a una opaca. Estos segmentos, típicamente en forma de puntos o píxels, se modifican individualmente para bloquear o dejar pasar la luz polarizada, generando puntos luminosos u oscuros en la pantalla.
  •  En todos los LCDs, los cristales líquidos están confinados entre dos piezas de vidrio o plástico transparentes, pero no cualquier plástico vale. Si el vidrio o el plástico tiene demasiado sodio u otros iones alcalínos, se moverán a la superficie, dode cualquier humedad modificará el patrón de campo eléctrico y, por tanto la alineación del cristal líquido. Para evitarlo, los fabricantes de LCDs usan vidrio de borosilicato o aplican un recubrimiento de dióxido de silicio al vidrio o plástico.
  •  Las dimensiones de los dispositivos MEM varia desde menos de una micra hasta algunos milímetros. Los tipos de MEMs tambien varian mucho, desde estructuras relativamente simples sin partes móviles hasta complejos sistemas electromecánicos con múltiples partes móviles controladas por microlectrónica integrada.
  •  Muchos de los microsensores MEM han demostrado un rendimiento superior al de los dispositivos tradicionales con la misma función. La versión miniaturizada de un sensor de presión, por ejemplo normalmente es más sensible que las mejores versiones macroscópicas de sensores comparables.
  •  La estructura de un cristal óptico usado para amplificar la emisión laser determina sus propiedades ópticas y su resistencia al daño por radiación. Por lo tanto el desarrollo de láseres con aplicaciones específicas depende críticamente de la definición de esta estructura y de los métodos necesarios para crecer cristales con esa estructura.

Para saber más

  • Puede aprender más sobre los nanocristales en la entrada sobre nanocristales de la Wikipedia. Tambien puede ver algunos videos sbre el tema en Youtube, como por ejemplo “A journey to the nanoworld“.
  • Los chips electrónicos que hacen funcionar todos los aparatos electrónicos estan basados en cristales semiconductores. En la Wikipedia puedes aprender más sobre semiconductores. Si esta interesado en como se fabrican los cristales semiconductores y como los chips se construyen sobre estos cristales, podrá encontrar bastantes minidocumentales en YouTube, por ejemplo “How do they make Silicon Wafers and Computer Chips?“.
  • La Wikipedia tambien contiene abundante información adicional sobre cristales líquidos. Una introducción más rápida es el video “Liquid Crystals – Chalk Talk” en YouTube
  • Los relojes de la inmensa mayor parte de los aparatos electrónicos estan basados en cristales piezoeléctricos. En la Wikipedia puedes aprender más sobre la piezoelectricidad.

 

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