I-C-E--13-16---19-CD29

Vista previa del material en texto

Instituto Politécnico Nacional 
 
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica 
Unidad Profesional Culhuacán 
 
 
 
 “Aplicación de Nanoalambres de Diamante a las 
Nuevas Tecnologías en Comunicaciones y Electrónica” 
 
 
T E S I S 
Que para obtener el título de: 
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA 
 
 
Presenta: 
Jesús Ramírez Solano 
 
Asesores: 
Dr. Fernando Adán Serrano Orozco 
Dr. Alejandro Trejo Baños 
 
 
Ciudad de México, Septiembre 2016 
 
 
 
 IPN 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
UNIDAD CULHUACAN 
 
 
TESIS INDIVIDUAL 
 
Que como prueba escrita de su Examen Profesional para obtener el Título de INGENIERO EN 
COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA deberá desarrollar el C.: 
 
 
JESUS RAMIREZ SOLANO 
 
 
“APLICACIÓN DE NANOALAMBRES DE DIAMANTE A LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS EN 
COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA”. 
 
 
Justificación del Trabajo: 
 
Este trabajo parte de las características generales del comportamiento de los materiales: conductores, 
aislantes y semiconductores, para el estudio Ab initio particular de la estructura del diamante como fuente 
emisora de un solo fotón y sus aplicaciones en las nuevas tecnologías de comunicaciones y electrónica. 
 
CAPITULADO: 
 
Capítulo 1. Estado del arte 
Capítulo 2. Aplicaciones en las comunicaciones 
Capítulo 3. Teoría 
Capítulo 4. Cálculo, resultados y discusión 
Capítulo 5. Conclusiones 
 
 
Ciudad de México a 11 de mayo del 2016 
 
 
 
FIRMA DE CONFORMIDAD: 
 
 
 
 
 
 
DR. ALEJANDRO TREJO BAÑOS 
PRIMER ASESOR 
 
 
FIRMA DE CONFORMIDAD: 
 
 
 
 
 
 
DR. FERNANDO ADAN SERRANO OROZCO 
SEGUNDO ASESOR 
 
 
 
Vo.Bo. 
 
 
 
 
 
 
ING. FELICIANO PRIMO ISIDRO CRUZ 
JEFE DE LA CARRERA DE I.C.E. 
 
 
APROBADO: 
 
 
 
 
 
 
M. EN C. HECTOR BECERRIL MENDOZA 
SUBDIRECTOR ACADEMICO 
 
 
i 
 
 
 Contenido 
 
Índice de figuras ................................................................................................................................. iii 
Índice de tablas ................................................................................................................................... vi 
Agradecimientos ............................................................................................................................... vii 
Resumen ........................................................................................................................................... viii 
 
Introducción ........................................................................................................................................ 1 
Capítulo 1 Antecedentes ........................................................................................................... 3 
1.1 La nanociencia y la nanotecnología ...................................................................................... 4 
 1.1.1 Nanociencia ................................................................................................................. 4 
 1.1.2 Nanotecnología ............................................................................................................ 5 
 1.1.3 Antecedentes históricos ............................................................................................... 6 
1.2 Las nanoestructuras ............................................................................................................... 8 
 1.2.1 Efectos de la nanoestructuración ................................................................................. 9 
1.3 El Diamante y sus propiedades ........................................................................................... 10 
 1.3.1 Diamante sintético ..................................................................................................... 12 
 1.3.2 Tipos de diamante ..................................................................................................... 13 
1.4 Nanoestructuras de diamante. ............................................................................................. 15 
Capítulo 2 Aplicaciones en las comunicaciones y electrónica ................................................ 17 
2.1 Aplicaciones generales ........................................................................................................ 18 
2.2 Transistores ......................................................................................................................... 19 
2.3 Guías de onda y fibra óptica ................................................................................................ 20 
 2.3.1 Fibra Óptica ............................................................................................................... 26 
2.4 Nano antenas ....................................................................................................................... 34 
Capítulo 3 Fundamentos teóricos ............................................................................................ 41 
3.1 Teoría de bandas.................................................................................................................. 42 
3.2 Semiconductores ................................................................................................................. 43 
3.3 Emisión de fotones .............................................................................................................. 46 
 3.3.1 Fuentes alternativas de fotones.................................................................................. 51 
3.4 Teoría del funcional de la densidad (DFT) ........................................................................ 53 
ii 
 
 3.4.1 Historia ...................................................................................................................... 54 
 3.4.2 Hohenberg y Kohn .................................................................................................... 54 
 3.4.3 Kohn y Sham ............................................................................................................. 55 
3.5 Potencial de intercambio y correlación ............................................................................... 56 
 3.5.1 Aproximación de la densidad local (LDA) ............................................................... 57 
 3.5.2 Aproximación del gradiente generalizado (GGA) ................................................... 57 
3.6 Detalles del cálculo ............................................................................................................. 58 
 3.6.1 Estructuras cristalinas ................................................................................................ 58 
 3.6.2 Celda unidad .............................................................................................................. 59 
 3.6.3 Sistemas cristalinos ................................................................................................... 59 
 3.6.4 Direcciones y planos ................................................................................................. 60 
 3.6.5 DFT para sólidos cristalinos ...................................................................................... 63 
 3.6.6 Teorema de Bloch ..................................................................................................... 64 
 3.6.7 Conjunto base / conjunto de ondas planas ................................................................. 65 
 3.6.8 Estructura de bandas .................................................................................................. 66 
 3.6.9 Pseudopotencial ......................................................................................................... 67 
Capítulo 4 Modeladoy resultados .......................................................................................... 69 
4.1 Modelado y parámetros de cálculo ...................................................................................... 70 
4.2 Pruebas de parámetros en súperceldas ................................................................................ 70 
 4.2.1 Modelo de defectos en súperceldas ........................................................................... 75 
 4.2.2 Modelo de vacancias ................................................................................................. 76 
 4.2.3 Reemplazo nitrógeno y vacancia-nitrógeno .............................................................. 78 
 4.2.4 Bandas electrónicas del diamante .............................................................................. 80 
 4.2.5 Bandas electrónicas del carburo de silicio ................................................................ 85 
 4.2.6 Resumen de resultados del carburo de silicio............................................................ 92 
4.3 Nanoalambres de diamante ................................................................................................. 93 
 4.3.1 Resumen de resultados de nanoalambres de diamante .............................................. 97 
Conclusiones ..................................................................................................................................... 98 
Bibliografía ....................................................................................................................................... 99 
 
 
iii 
 
 Índice de figuras 
 
Figura 1-1.- Escala de comparación métrica [2]. ................................................................................ 4 
Figura 1-2.- Concepto de circuito integrado [4]. ................................................................................. 5 
Figura 1-3.- Átomos de xenón manipulados por el investigador de IBM, Don Eigler [5]. ................. 7 
Figura 1-4.- Alótropos de carbono [6]. ............................................................................................... 8 
Figura 1-5.- Reducción de los grados de libertar en nanoestructuras [6]. ........................................... 9 
Figura 1-6.- Diamante en bruto.[8] ................................................................................................... 10 
Figura 1-7.- Estructura cúbica del diamante en el que todos los átomos de carbono están unidos 
entre sí por fuertes enlaces covalentes [9]. ................................................................... 10 
Figura 1-8.- Estructura laminar del grafito [10]. ............................................................................... 11 
Figura 1-9.- Modelo de la estructura del grafeno [11]. ..................................................................... 12 
Figura 1-10.- Diamantes de color [15]. ............................................................................................. 14 
Figura 1-11.- Estructuras de diamante [16]. ...................................................................................... 15 
Figura 2-1.- Áreas que se fortalecen por la nanotecnología .............................................................. 18 
Figura 2-2.- Concepto de interruptor óptico basado en un único centro de NV [18]. ....................... 19 
Figura 2-3.- Puntos cuánticos interactuando con la luz (signal) [21]. ............................................... 21 
Figura 2-4.- Guías de onda, hechas de nanoalambres de diamante (A y B). (C y D) Resultados de 
análisis [22]. .................................................................................................................. 22 
Figura 2-5.- Guía de onda nanométrica [23]. .................................................................................... 23 
Figura 2-6.- Amplitud del campo magnético [24]. ............................................................................ 25 
Figura 2-7.- Fase del campo magnético [24]. ................................................................................... 25 
Figura 2-8.- Experimento en fibra óptica [25]. ................................................................................. 27 
Figura 2-9.- Exploración de puntos cuánticos en fibra cónica [25]. ................................................. 28 
Figura 2-10.- Dependencia de la eficacia de acoplamiento contra diametro [25]. ............................ 29 
Figura 2-11.- Espectro de fotoluminiscencia de colección y de transmisión de fotoluminiscencia, en 
el panel superior se muestra todo el espectro y en el panel inferior un acercamiento a 
las longitudes de onda cercanas a componentes Raman de grafito y diamante. 
Tomada del articulo [26]. ........................................................................................... 30 
Figura 2-12.- Sección transversal de una fibra con un nanodiamante montado [27]. ...................... 31 
Figura 2-13.- Excitación, esquema de detección y características fluorescentes de la luz, de un 
nanodiamante montado en la fibra optica [27]. ......................................................... 32 
Figura 2-14.- Acoplamiento fibra – diamante [27]. .......................................................................... 33 
Figura 2-15.- Caracterización de la emisión fluorescente del diamante montado en la fibra optica . 33 
Figura 2-16.- Antenas ópticas [29]. ................................................................................................... 35 
Figura 2-17.- Concepto de antena [28]. ............................................................................................. 36 
Figura 2-18.- Curvas del tiempo de vida del fotón [29]. ................................................................... 39 
Figura 2-19.- Antenas de oro con mapa de colores [29]. .................................................................. 40 
Figura 3-1.- Bandas de los materiales: conductor, semiconductor y aislante [37]. ........................... 43 
Figura 3-2.- Semiconductor intrínseco [38]. .................................................................................... 44 
Figura 3-3.- Semiconductor extrínseco, tipo n [40]. ......................................................................... 45 
Figura 3-4.- Semiconductor extrínseco, tipo p [41]. ......................................................................... 46 
Figura 3-5.- Emisión de fotones. ....................................................................................................... 47 
iv 
 
Figura 3-6.- Concepto de inserción de electrones y huecos. ............................................................. 48 
Figura 3-7.- Concepto de conservación de energía. .......................................................................... 49 
Figura 3-8.- Celda unitaria con constantes reticulares [70]. .............................................................. 58 
Figura 3-9.- Celdas unitarias: cubica simple, cubica centrada en el cuerpo, y cubica centrada en las 
caras [71]. .................................................................................................................... 59 
Figura 3-10.- Redes de Bravais [72]. ................................................................................................ 60 
Figura 3-11.- Direcciones y ángulos en la red [70]. .......................................................................... 61 
Figura 3-12.- Planos de la red cristalina [70, 71]. ............................................................................. 62 
Figura 3-13. – (a) EL potencial de Coulomb (línea punteada) y un ejemplo de pseudopotencial 
(línea solida) para átomo de carbón, acompañados de los componentes radiales 
correspondientes de los orbitales 2s. El potencial y pseudopotencial coinciden después 
del puntorc, y de igual manera sucede esto para la función de onda (b) [57]. ............. 68 
Figura 4-1.- Estructura de SiC y diamante, ambos modelos de 8 átomos. ....................................... 71 
Figura 4-2.- Celda primitiva de diamante y SiC, ambos modelos en dos átomos. ............................ 71 
Figura 4-3.- Asignación de parámetros iniciales. .............................................................................. 72 
Figura 4-4.- Cambio de pseudopotencial- ultra suave. ...................................................................... 72 
Figura 4-5.- Ajuste de valores de energía de corte. ........................................................................... 73 
Figura 4-6.- Resultados de diferentes funcionales y banda prohibida: diamante (a) y SiC (b). ....... 75 
Figura 4-7.- Representación de súpercelda de (a) diamante y (b) SiC: 64 átomos en cada una de las 
representaciones. ........................................................................................................... 76 
Figura 4-8.- Representación de súpercelda de diamante con vacancia de carbono: 63 átomos. ....... 76 
Figura 4-9.- Representación de súpercelda de SiC, con vacancias de Si (a) y vacancia de C (b): 63 
átomos en cada representación. .................................................................................... 77 
Figura 4-10.- Representación de súpercelda de SiC, con vacancia de SiC: 62 átomos. .................... 78 
Figura 4-11.- Representación de súpercelda de diamante con reemplazo de nitrógeno: 64 átomos. 78 
Figura 4-12.- Representación de súpercelda de diamante con vacancia de carbono y un reemplazo 
de nitrógeno: 63 átomos. ............................................................................................ 79 
Figura 4-13.- Representación de súpercelda de SiC con reemplazo de nitrógeno por carbono: 64 
átomos. ....................................................................................................................... 79 
Figura 4-14.- Representación de súpercelda de SiC con vacancia de carbono-nitrógeno. ................ 80 
Figura 4-15.- Representación de estructura de bandas de súpercelda de diamante ........................... 81 
Figura 4-16.- Súpercelda de diamante con análisis de polarización de espín en dos canales. .......... 82 
Figura 4-17.- Estructura de bandas de súpercelda de diamante con reemplazo de nitrógeno. .......... 83 
Figura 4-18.- Súper celda de diamante con vacancia de carbono y reemplazo de nitrógeno (CNV).84 
Figura 4-19.- Estructura de bandas de súpercelda de SiC. ................................................................ 85 
Figura 4-20.- Estructura de bandas Si-V. .......................................................................................... 86 
Figura 4-21.- Estructura de bandas de SiC con C-V. ........................................................................ 87 
Figura 4-22.- Estructura de bandas SiC-V. ....................................................................................... 88 
Figura 4-23.- Estructura de bandas de SiC con reemplazo de N por C. ............................................ 89 
Figura 4-24.- Estructura de bandas de SiC con reemplazo de N por Si. ........................................... 90 
Figura 4-25.- Estructura de bandas CNV. ......................................................................................... 91 
Figura 4-26.- Estructura de bandas SiNV. ........................................................................................ 91 
Figura 4-27.- Vista lateral y superficial de los DNW´s pasivados y con respectivas alteraciones. .. 93 
Figura 4-28.- Estructura de bandas de DNW pasivado. .................................................................... 94 
v 
 
Figura 4-29.- Estructura de bandas de DNW con reemplazo de nitrógeno. ...................................... 95 
Figura 4-30.- Estructura de bandas de DNW con vacancia de carbón. ............................................. 96 
Figura 4-31.- Estructura de bandas de DNW con vacancia- nitrógeno. ............................................ 97 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
vi 
 
 Índice de tablas 
 
Tabla 1.- Fuentes alternativas para la emisión de fotones ................................................................. 52 
Tabla 2.- Comparativa del diamante con pseudopotencial ultra suave. ............................................ 73 
Tabla 3.- Comparativa del diamante con pseudopotencial conservador de la norma. ..................... 74 
Tabla 4.- Comparativa del SiC con pseudopotencial ultra suave. ..................................................... 74 
Tabla 5.- Comparativa del SiC con pseudopotencial conservador de la norma. .............................. 74 
Tabla 6.- 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. ..................................................................................................... 84 
Tabla 7.- Comparación de resultados obtenidos para SiC. ............................................................... 92 
Tabla 8.- Resultados obtenidos para los distintos casos de DNW´s. ................................................ 97 
 
vii 
 
Agradecimientos 
 
 
A mi hermano por darme su amor incondicional. 
A mi madre, Francesca, por haberme dado la oportunidad de ser un mejor individuo. 
A mi madre, Mercedes, por su eterno cariño y por su inmensa sabiduría. 
A mis hermanos adoptivos por su respeto y por motivarme continuamente. 
Al Instituto Politécnico Nacional, y a ésta escuela ESIME Culhuacán, por ser la tierra fértil 
en la que he encontrado las condiciones adecuadas para el crecimiento personal y 
académico. 
Al Dr. Fernando Adán Serrano Orozco, por su apoyo en momentos difíciles, durante los 
últimos semestres de la carrera. 
Al Dr. Alejandro Trejo Baños, por su guía, consejos, paciencia, gentil carácter y por su 
continuo apoyo durante el desarrollo de esta tesis. 
Al Dr. Álvaro Miranda Durán, por ayudarme a resolver dudas relacionadas a este trabajo. 
Al Dr. Miguel Cruz Irisson, por incluirme al grupo de nanociencias y apoyo durante el 
desarrollo de este trabajo. 
Al M en C. Miguel Ojeda, por brindarme toda la ayuda posible desde que me integre al 
grupo. 
A mis compañeros del grupo, Francisco, Jorge, y Marlene, entre otros, que en su momento 
me ayudaran a familiarizarme con los conceptos requeridos en el campo de las 
nanociencias. 
 
viii 
 
 Resumen 
 
En los últimos años una gran cantidad de trabajos se han dedicado a la investigación 
experimental y teórica de los sistemas de baja dimensión con la finalidad de reducir el 
tamaño de los dispositivos electrónicos. En particular, hay un gran interés en los 
nanoalambres de diamante (DNW) desde el punto de vista de la ciencia básica como una de 
las múltiples soluciones innovadoras en el campo de las comunicaciones, la electrónica y la 
computación cuántica, sin embargo, la mayoría de las investigaciones son de carácter 
experimental y muy pocas a nivel teórico, siendo estas últimas de suma importancia para el 
desarrollo de las aplicaciones de las nanoestructuras ya que esto permite un mejor 
aprovechamiento de las propiedades novedosas de las mismas. Por lo tanto, mediante 
cálculos a primeros principios basados en la teoría del funcional de la densidad, se estudian 
los efectos de dopantes tales como vacancia-nitrógeno como aportadores en las propiedades 
electrónicas del diamante. El modelo de estudio se desarrolla tanto en la forma cristalina 
como en nanoalambres de diamante en la dirección [001]. Los resultados del estudio de la 
estructura de bandas muestran que las propiedades de los DNW semodifican notablemente 
dependiendo del defecto impuesto en su estructura, por ejemplo, las vacancias-nitrógeno-
carbono (CNV) crean estados de trampa de energía alrededor de la brecha prohibida, lo 
cual permite que el alambre tenga aplicaciones para la emisión de un solo fotón. Los 
comportamientos mencionados sugieren que las propiedades electrónicas de las 
nanoestructuras de diamante pueden ser aplicadas en ramas de las comunicaciones como en 
la optoelectrónica y la computación cuántica. 
 
 
1 
 Introducción 
 
La historia de la computación cuántica comienza a principios del año 1981 con Richard 
Feynman en una conferencia en el instituto Tecnológico de Massachusetts de física y 
computación, donde él planteó la pregunta inicial: ¿Es posible simular física en 
computadoras? [1]. 
Aún hace falta una respuesta clara y concreta para esta pregunta, pues no toda la física 
puede ser simulada aún. Una de las ramas de la física es la mecánica cuántica, la cual 
estudia las leyes de la naturaleza a escala de átomos y partículas. Si se intenta simular 
fenómenos de la mecánica cuántica en computadoras nos encontramos con problemas 
fundamentales que son difíciles de resolver. La descripción completa de la física cuántica 
tiene muchas variables cuyo número incrementa de manera exponencial, lo cual apunta a 
que los problemas sean imposibles de resolver de maneras analíticas y por otra parte muy 
complicadas de resolver numéricamente en una computadora. Por ejemplo, si una partícula 
puede describirse por dos variables, entonces para describir de manera general un sistema 
de “n” partículas, necesitaríamos 2n variables. Por tanto, en un sistema compuesto de 
cientos de partículas el número de variables incrementaría exponencialmente, éste gran 
número de variables no podría ser soportado por una computadora ya que no cuentan con 
un espacio ilimitado de memoria. 
Este problema no es nuevo y la comunidad científica lo sabe desde mucho antes del 
planteamiento dado por Feynman. Aun así, la pregunta planteada por él continuó resonando 
y científicos de todas partes del mundo recurrieron a las teorías de la mecánica cuántica 
para establecer las bases de la computación cuántica. 
La mecánica cuántica surge como un intento para entender la naturaleza de la materia y la 
luz. En las últimas décadas, la investigación de la mecánica cuántica se enfoca en una 
nueva era. Inicialmente, la meta de los investigadores era entender las leyes de la naturaleza 
sobre cómo se comportan los sistemas cuánticos, ahora las nuevas metas son la 
manipulación y control de sistemas cuánticos para que éstos se ajusten a parámetros 
predeterminados. 
La idea principal detrás de la computación cuántica es poder llevar a cabo experimentos 
virtuales, entre muchos otros usos. Sobre la observación de Richard Feynman; si 
tuviéramos computadoras cuánticas podríamos modelar sistemas cuánticos, por ejemplo el 
modelado del comportamiento de átomos y partículas o modelar reacciones químicas en 
condiciones inusuales sin tener que crear esas condiciones en el laboratorio. Otro ejemplo 
de la aplicación de la computación cuántica es poder encontrar rápidamente algún dato que 
se encuentra en una inmensa cantidad de información. 
2 
 
Las computadoras convencionales trabajan toda la información que procesan a un lenguaje 
binario, indicando que sólo utilizan dos estados para los datos (0 y 1) a diferencia de las 
computadoras cuánticas que hacen uso de una superposición entre ambos estados. En el 
caso de las computadoras cuánticas, se mide en bits cuánticos o qubits. Así a mayor 
cantidad de qubits, más rápido será el funcionamiento de la computadora. La creación de 
una computadora cuántica promete revolucionar la ciencia y la tecnología, mejorando la 
calidad de vida de la humanidad. 
A pesar de que ya existen prototipos de computadoras cuánticas, aun no se han podido 
establecer las condiciones para que sea accesible ésta tecnología, pues aún hay problemas 
fundamentales por resolver, por ejemplo: reducir el tamaño de los dispositivos comerciales 
que operen al nivel cuántico y poder transmitir información desde sistemas cuánticos a 
distancias grandes, convirtiéndose así en un problema esencial para las comunicaciones y 
electrónica del futuro. 
Dentro de estas investigaciones existen múltiples desarrollos experimentales que se enfocan 
a la emisión de fotones únicos. Sin embargo, existen muy pocos desarrollos teóricos que 
describan el comportamiento de estos sistemas. Además, la información sobre las nuevas 
tecnologías de sistemas cuánticos para su empleo en comunicaciones y electrónica se 
encuentra en múltiples fuentes, la gran mayoría en un lenguaje distinto al español. 
Por tanto, el propósito de este estudio basado en la nanociencia, consiste en estudiar a 
primeros principios el efecto de dopantes y el confinamiento cuántico en nanoalambres de 
diamante para la posible generación de fotones únicos y su empleo en las comunicaciones 
cuánticas, además proporcionar un panorama general del estado del arte de éstas nuevas 
tecnologías. 
El estudio está fundamentado en la “Teoría del Funcional de la Densidad,” mediante la cual 
se calculan las propiedades electrónicas como la estructura de bandas y densidad de estados 
de los nanoalambres de diamante empleando el código CASTEP (Cambridge Serial Total 
Energy Package). Utilizando la información de la estructura electrónica se hace una primera 
aproximación a la descripción de las propiedades de emisión de luz de estos materiales y se 
determina en estos términos cuales son los más favorables para las aplicaciones en 
computación cuántica, la criptografía, el desarrollo de detectores ultrasensibles, entre otros. 
Este trabajo está dividido en cinco secciones las cuales de manera general son: 1.- 
Antecedentes, donde se describen los conceptos de nanociencia y nanotecnología, 2.- 
Aplicaciones en las comunicaciones y electrónica, en el cual se proporciona un panorama 
de experimentos realizados en diversas partes del mundo, 3.- Fundamentos teóricos, 
introduciendo algunos conceptos clave de la mecánica cuántica, 4.- Modelado y resultados, 
y por último unas breves conclusión donde se menciona la importancia de la investigación. 
 
 
 
Capítulo 1 Antecedentes 
 
 
 
 
1.1.1 Nanociencia 
1.1.2 Nanotecnología 
1.1.3 Antecedentes históricos 
4 
 
 1.1 La nanociencia y la nanotecnología 
 
La sociedad es ahora testigo de creaciones tecnológicas extraordinarias y sus aplicaciones 
son aceptadas como parte de la vida diaria, no obstante queda la incógnita de cómo éstas 
están cambiando los estilos de vida actual y futura. La revolución tecnológica no 
sorprenderá por el tamaño gigantesco, como era en el siglo pasado, sino por su tamaño 
sorprendentemente pequeño y sus efectos en la vida cotidiana. Su impacto será en áreas de 
la informática, la electrónica y las comunicaciones cuánticas, entre muchas otras. 
En la actualidad la nanociencia está fortaleciendo a la nanotecnología al dar explicaciones 
sobre los comportamientos de sistemas físicos que no encontraban explicaciones mediante 
las teorías clásicas. Así, el objetivo de esta investigación es hacer un aporte científico que 
incluye la revisión de experimentos realizados en la última década con el fin de contribuir 
al desarrollo de estudios posteriores. 
 
 
 1.1.1 Nanociencia 
 
La nanociencia forma parte de la ciencia básica y es el estudio de objetos a escala nano e 
incluso a escalas más pequeñas. La nanociencia estudia aquellas propiedades que no se 
pueden ver a escala macroscópica, como por ejemplo los efectos ondulatorios de la materia 
a escalas nanométricas caracterizados por la mecánica cuántica. En vez de estudiar 
materiales a grandes escalas, los científicos investigan el conjunto de átomos y/o moléculas 
que los componen, buscando comprender su estructura para poder manipularlay crear 
nuevos materiales con características sorprendentes. 
 
Figura 1-1.- Escala de comparación métrica [2]. 
5 
 
Actualmente, la ciencia es multidisciplinaria y por ello han surgido términos que entrelazan 
a dos o más áreas para obtener un análisis más específico de los fenómenos cuánticos. 
Áreas como la física de materiales, la bioquímica o la química molecular, por mencionar 
algunas, han sido de gran ayuda en el campo de la nanociencia. 
 
 
 1.1.2 Nanotecnología 
 
Por otro lado, la nanotecnología corresponde a la capacidad técnica para modificar y 
manipular la materia para poder desarrollar estructuras o dispositivos funcionales, con 
dimensiones inferiores a los 100 nm, con potenciales aplicaciones tecnológicas [3]. 
Actualmente, las estructuras más pequeñas que se han alcanzado en transistores para 
circuitos integrados hechos en laboratorios de investigación van de los 10 a los 20 
nanómetros, es decir, una décima parte de las dimensiones que encontramos dentro de los 
circuitos integrados comerciales. 
 
Figura 1-2.- Concepto de circuito integrado [4]. 
 
Así, el desarrollo de la industria de la microelectrónica tiende a dispositivos más pequeños, 
rápidos, eficientes y baratos, impulsado desde hace algunas décadas por la llamada Ley de 
Moore. Las nanociencias no son sólo un paso más hacia la miniaturización de los 
dispositivos actuales, sino un terreno nuevo, completamente dominado por la mecánica 
cuántica, donde lo pequeño puede ser esencialmente diferente. En efecto, la materia 
6 
 
modificada a la nanoescala puede presentar propiedades o fenómenos que son 
fundamentalmente diferentes de los que habitualmente observamos a mayor escala. 
 
 
 1.1.3 Antecedentes históricos 
 
Históricamente esta disciplina nace de las propuestas de Richard Feynman, ganador del 
premio nobel de física en 1965, quien fue el primero en hacer referencia a las posibilidades 
de crear dispositivos muy pequeños en su célebre discurso que dio en el Caltech (Instituto 
Tecnológico de California) el 29 de diciembre de 1959. Dando el título: “En el fondo hay 
espacio de sobra (There's Plenty of Room at the Bottom)”. 
Aunque Richard Feynman actuó como un impulsor en la investigación de la 
nanotecnología, desde épocas antiguas ya se contemplaban escalas de magnitudes muy 
pequeñas; como por ejemplo, los filósofos Leucipo y Demócrito hacen referencia al 
“atomismo” que en su filosofía definen al átomo como el elemento que hace todas las cosas 
y es de orden muy pequeño e indivisible. Son estos filósofos los que con sus pensamientos 
y teorías, inspiraron a científicos como Dalton en 1800, Thomson en 1897, Rutherford en 
1908, Bohr en 1913, y Schrödinger 1926, a generar nuevos modelos atómicos que siguen 
siendo estudiados en la actualidad. 
La idea de poder tocar y manipular átomos cautivó a la comunidad científica, por ejemplo 
al prof. Norio Taniguchi, de la universidad de ciencias de Tokio, quien dio origen al 
término conocido actualmente como “Nanotecnología” en 1974. Posteriormente el Dr. Eric 
Drexler, inspirado por Feynman, académico de Massachussets Institut of Technology 
(MIT), propone una serie de teorías para la manipulación de átomos, las cuales publica en 
su libro Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, en 1986. 
El primer pasó en la manipulación de átomos fue logrado por la empresa IBM al desarrollar 
el primer microscopio de efecto túnel durante la época de los 80’s, que sirve para visualizar 
superficies a nivel atómico. Años después, en los 90’s, un microscopio más avanzado es 
utilizado por el investigador de IBM, Don Eigler, para manipular 35 átomos de xenón y 
escribir las letras iniciales de la empresa “IBM” [5]. 
 
 
 
 
7 
 
 
Figura 1-3.- Átomos de xenón manipulados por el investigador de IBM, Don Eigler [5]. 
 
En la década de los 90, se descubren los fullerenos como una de las primeras 
nanoestructuras dadas a conocer por el químico Richard E. Smalley ganador del premio 
nobel de química en 1996. 
En 1997, Se fabrica la guitarra más pequeña el mundo. Tiene el tamaño aproximadamente 
de una célula roja de sangre. En 1998, Se logra convertir a un nanotubo de carbón en un 
nano-lápiz que se puede utilizar para escribir. En 2001, James Gimzewski entra en el libro 
de récords Guinness por haber inventado la calculadora más pequeña del mundo. 
A partir de entonces el avance de la nanotecnología ha sido vertiginoso, y tanto ha sido el 
progreso que a partir del año 2009 se comienzan a dar los primeros pasos en el desarrollo 
de la computación cuántica, por ejemplo: En julio del 2009 investigadores de ETH Zurich 
lograron crear un transistor óptico de una sola molécula. En el año 2010 investigadores de 
Cambridge en Inglaterra generan fotones entrelazados utilizando electricidad con un 
dispositivo llamado “entangled light-emitted diode” (ELED, por sus siglas en inglés). En el 
año 2011, en la universidad de Northwestern University, el profesor Prem Kumar desarrolla 
un enrutador cuántico para la distribución de fotones entrelazados. En el año 2012 
investigadores del MIT y Harvard University logran convertir un haz de laser en una 
cadena de fotones únicos de manera controlada. En el año 2013, investigadores de la 
Universidad de Ciencia y Tecnología de China, reportan la creación de una memoria 
cuántica de un solo fotón. En los dos últimos años, diversos grupos de investigadores de 
todo el planeta reportan eventos de entrelazamiento cuántico y creación de dispositivos 
optoelectrónicos que funcionan con un sólo fotón. Entre los materiales que se están 
implementando para la creación de nanofuentes de un solo fotón está el diamante y los 
distintos centros de color que a éste se le pueden insertar. 
8 
 
 1.2 Las nanoestructuras 
 
Con la nanotecnología, se ha podido lograr la manipulación de átomos al grado de poder 
ordenarlos en arreglos con características únicas. Por ejemplo, un elemento altamente 
utilizado para crear nanotecnología es el carbono. En un caso ideal, suponiendo que se 
tomara una lámina de un lápiz y ésta se desintegrara hasta dejar átomos individuales de 
carbono, éstos se podrían reordenar en la estructura de un diamante. 
Este último es un ejemplo idóneo de lo que implica la estructuración o reestructuración de 
materiales, pero también se trata de explotar y aprovechar las características que los 
materiales nanoestructurados tengan en específico, con la finalidad de hacer mejoras en las 
áreas de construcción de dispositivos electrónicos, optoelectrónicos, almacenamiento de 
datos o simplemente la disminución de espacio ocupado por tales dispositivos. En la 
actualidad se conocen diferentes tipos de estructuras que se forman de manera natural, 
como lo es el caso de los alótropos de carbono (Figura 1.4) y otras que se fabrican a escala 
nanométrica; estas estructuras son geométricamente básicas, las más usuales son los 
nanotubos, nanoalambres, nanoesferas y nanocristales, entre otros. 
 
Figura 1-4.- Alótropos de carbono [6]. 
 
Nanotubos: Los nanotubos son estructuras cilíndricas del orden de algunos cuantos 
nanómetros que usualmente están compuestos de carbono en su forma alotrópica de grafito. 
En particular estos nanotubos se comportan como metal o semiconductor dependiendo del 
espesor de sus paredes o diámetro. 
Nanoalambres: Son nanoestructuras que tienen forma de varillas con un diámetro de 
nanoescala y longitud indefinida. 
Estructuras esféricas: En la naturaleza hay moléculas con forma de balón de fútbol y éste 
tipo de moléculas recibe el nombre de fullereno (nombre proporcionado por el arquitecto e 
inventor R. Buckminster Fuller). 
9 
 
 1.2.1 Efectos de la nanoestructuración 
 
Reducir los materiales a la escala nanométrica conduce a lo que se conoce como el 
confinamiento cuántico, lo cual quiere decir que los electrones en una nanoestructuras están 
restringidos a los gradosde libertad que éstas tengan. El interés por confinar los electrones 
en dispositivos nanoestructurados como nanoalambres o puntos cuánticos radica en los 
siguientes efectos: En primer lugar el confinamiento cuántico cambia los niveles de energía 
respecto a los niveles de energía en el material en bulto. La nanoestructuración permite 
variar la brecha de energía. Por otro lado, al limitar espacialmente el movimiento de los 
electrones de 3 a 2, 1 o 0 dimensiones se favorece fuertemente el proceso por el cual el 
electrón inyectado ocupa el hueco dejado por el electrón extraído. 
 
Figura 1-5.- Reducción de los grados de libertar en nanoestructuras [6]. 
10 
 
 1.3 El Diamante y sus propiedades 
 
El diamante obtiene su nombre del griego antiguo, adámas, que significa invencible o 
inalterable. Es un alótropo del carbono donde los átomos están dispuestos en una variante 
de la estructura cristalina cúbica centrada en la cara denominada «red de diamante». El 
diamante es la segunda forma más estable del carbono, después del grafito [7], sin olvidar 
que también es una de las joyas más caras y el material más duro conocido. 
 
Figura 1-6.- Diamante en bruto.[8] 
 
El diamante está en la familia de polimorfos, es decir, de cristales de la misma composición 
química pero de distinta estructura, incluye el grafito y también los fullerenos, los 
nanotubos de carbono y el grafeno. Todos ellos son formas diferentes de ordenar los 
átomos de carbono. 
 
Figura 1-7.- Estructura cúbica del diamante en el que todos los átomos de carbono están unidos entre sí por fuertes 
enlaces covalentes [9]. 
11 
 
La estructura cristalina de un compuesto es crucial para definir sus propiedades, y nada 
mejor que el diamante y el grafito para entenderlo. La diferencia entre el diamante y el 
grafito está en la estructura y por ende en la forma en que están enlazados los carbonos. En 
el diamante, esa estructura es extremadamente compacta (Figura 1.7). En esa estructura 
todos los átomos de carbono están enlazados por fuertes enlaces covalentes que hacen que 
sea un material muy duro. 
La estructura del grafito (Figura 1.8), en contraste, es muy diferente a la del diamante. En el 
grafito, los átomos de carbono están distribuidos en capas. Dentro de cada capa, cada átomo 
de carbono está unido a otros tres formando hexágonos. Esos tres enlaces son fuertes 
enlaces covalentes del mismo tipo que los de la estructura del diamante pero entre capa y 
capa, los átomos de carbono están enlazados por unos enlaces más débiles; las llamadas 
fuerzas de Van der Waals. 
 
Figura 1-8.- Estructura laminar del grafito [10]. 
 
La cohesión de los átomos en cualquiera de las direcciones contenidas en las capas de 
hexágonos es fuerte por lo que será muy difícil separarlos unos de otros. Pero la cohesión 
entre las capas, es decir en cualquier dirección fuera de las capas de hexagonales es más 
débil. Las capas se separarán muy fácilmente. Tanto que si hacemos presión con un cristal 
de grafito sobre un papel, las capas se separarán y quedarán adheridas al papel. 
Además del grafito y el diamante, los átomos de carbono pueden agruparse formando otras 
estructuras que tienen una gran importancia científica y tecnológica. Hace unos años, dos 
investigadores rusos, Andre Geim y Konstantin Novoselov, se entretuvieron en separar con 
cinta adhesiva las láminas hexagonales del grafito. La idea era lograr separar una sola 
lámina. Con paciencia lo hicieron y le pusieron un nombre: grafeno (Figura 1.9). Esas 
12 
 
capas de átomos de carbono distribuidos hexagonalmente tienen unas propiedades 
sorprendentes y en ellas están puestas muchas esperanzas de nuestro futuro tecnológico. 
Ese descubrimiento les valió el premio Nobel. En buena medida podríamos decir que el 
grafeno es un diamante bidimensional. Es decir un material ultra fino con las propiedades 
del diamante: extremadamente duro, mejor conductor eléctrico que el cobre, mejor 
conductor del calor que cualquier otro material, tan denso que ningún gas lo puede 
atravesar, y además es flexible. 
 
Figura 1-9.- Modelo de la estructura del grafeno [11]. 
 
 
 1.3.1 Diamante sintético 
 
El diamante es la joya que más se ha resistido a ser sintetizada pero desde la segunda mitad 
del siglo XX se sabe cómo hacerlo. El diamante sintético es un diamante producido de 
manera artificial por medio de procesos químicos o de carácter físico en una fábrica. 
Actualmente, los métodos con mayor dominio para la producción de diamantes sintéticos, 
son: HPHT y CVD. 
El método de Alta temperatura – Alta presión (HPHT); este método consiste en aplicar 
presión con una prensa que pesa varios cientos de toneladas para producir una presión ideal 
de 5 GPa a 1,500°C para imitar las condiciones naturales dentro de la tierra hace mil 
millones de años. 
El método de la deposición de vapor químico o “Chemical Vapor Deposition” (CVD) por 
su nombre en inglés. Consiste en depositar capas delgadas sobre una base metálica o 
cristalina, por medio de químicos volátiles. Este método es ampliamente utilizado para la 
elaboración de micro-electrónicos, películas dieléctricas y conductoras, entre otros [12, 13]. 
No obstante, en la jornada hacia el domino de los métodos de síntesis de los materiales a 
escala nanométrica, se sigue experimentando con nuevas técnicas y complementando las 
existentes. 
13 
 
Debido a la posibilidad de sintetizar diamante, se fortalece la posibilidad de crear 
nanoestructuras del diamante que contengan centros de color con propiedades distintas a las 
que se encuentran en los diamantes en bulto, los cuales pueden ser aprovechados en la 
industria. 
 
 
 1.3.2 Tipos de diamante 
 
Dentro de los retos al hacer uso del diamante en el campo de la electrónica y 
optoelectrónica, se encuentra la búsqueda de donantes útiles que den como resultado un 
comportamiento del material como semiconductor del tipo-n o tipo-p. El diamante como tal 
es un material aislante de estructura cristalina que difícilmente acepta impurezas en su 
estructura. 
Cuando la organización de los átomos se encuentra tan estrechamente ligada, como es el 
caso de los átomos del diamante, la medida requerida del átomo dopante que se introduce 
en esta compactada estructura, está limitada a sólo unos pocos elementos, que puedan 
introducirse sin romper totalmente la red de la estructura de diamante y que a su vez sean 
capaces de actuar como donadores o aceptadores de electrones. 
Existen varios elementos de la tabla periódica que pueden servir como impurezas en la red 
cristalina del diamante. Estas impurezas “donadores / receptores”, defectos o dopantes; en 
términos de óptica o electrónica son llamados “centros ópticos o centros de color”.
Los diamantes naturales o estructurados pueden tener los varios colores dependiendo del 
donador, aceptador o defecto [14]. Los diamantes con centros de color presentan impurezas 
intersticiales o defectos estructurales que causan dichas coloraciones. Mientras que los 
diamantes perfectos tanto química, como estructuralmente son absolutamente incoloros y 
transparentes. 
Por tanto, y debido a los defectos, los diamantes se clasifican en dos tipos y sub-categorías: 
tipo I y tipo II. Estas categorías ayudan a clasificar el comportamiento y las imperfecciones 
del diamante. 
 
 
 
14 
 
 
Figura 1-10.- Diamantes de color [15]. 
 
Los diamantes de tipo I tienen al nitrógeno (N) principalmente como impureza. 
Dependiendo de la orientación de los átomos de Nitrógeno en el diamante, las sub-
clasificaciones son: 
 Átomos de N, van emparejados, el color no se modifica, siendo el tipo Ia. 
 Átomos de N, van en número impar (sueltos) o formando agregados, aparece un 
color de amarillo a marrón (tipo I). 
 
Los diamantes sintéticos que contienen nitrógeno son de tipo I. Los diamantes de tipo I 
absorben en las regiones ultravioleta e infrarrojo delespectro, desde 320 nm. 
Los diamantes de tipo II contienen pocas o ninguna impureza: 
 Los de tipo IIa aparecen de color rosa, rojo o marrón, colores que provienen de los 
defectos estructurales que se crean durante la deformación plástica presente durante 
el crecimiento del cristal. 
 Los diamantes IIb, son de color azul o gris, y deben dicho color a la presencia de 
Boro intersticial. Son diamantes semiconductores, mientras que el resto de los 
diamantes puros son aislantes. 
Dichas impurezas se logran a través de métodos distintos como lo son: CVD, implantación 
de iones, HTHP, entre otros. Los métodos ya mencionados nos sirven finalmente para crear 
dispositivos, como nanoalambres para agrupaciones electrónicas y ópticas más complejas. 
 
 
 
15 
 
 1.4 Nanoestructuras de diamante. 
 
El diamante no es un conductor eléctrico, pero introduciendo elementos distintos a éste 
genera comportamientos de conductor o semiconductor. Más allá de obtener un material 
fuerte con propiedades semiconductoras de excelente conducción de calor y una banda 
prohibida menor y directa, los efectos electrónicos, ópticos y otros dentro del diamante 
pueden ser modificados por el confinamiento cuántico, producto de la nanoestructuración. 
Aún más, todos los compuestos de elementos que se logran estructurar como el diamante 
tienden a tener características similares. Cabe mencionar que a las estructuras con forma de 
diamante de más de un elemento se les conoce como Zinc-Blenda y en los casos 
particulares del silicio y el germanio se le conoce simplemente como estructura de 
diamante. Para el diamante se han realizado experimentalmente las siguientes 
nanoestructuras (Figura 1.11). 
 
Figura 1-11.- Estructuras de diamante [16]. 
 
De las imágenes obtenidas de varios artículos, se pueden apreciar las diferentes estructuras 
que se forman con el diamante, por ejemplo, de la Figura 1.11: en la imagen a) se muestra 
un cristal de diamante en la escala nanométrica, dicho cristal se puede dopar para después 
actuar como un punto cuántico que se puede colocar sobre una superficie para emitir luz. 
En la imagen b) se pude apreciar un recubrimiento de diamante, el cual ha sido dopado con 
vacancias de nitrógeno. De las imágenes c-d) se puede ver que hay una capa de 
nanocristales de diamante en c) que después se muestra su aplicación para cubrir un 
microalambre en d). Al igual que en las imágenes previas, la imagen e) muestra otro tipo de 
cubrimiento con nanocristales de diamante. En la imagen f) se muestra una matriz de 
nanoalambres que fueron creados usando un ataque químico. Finalmente en la imagen g) se 
muestran unos nanoalambres sobre una superficie de apenas unos 200 nm.
 
 
 
Capítulo 2 Aplicaciones en las 
comunicaciones y electrónica 
 
 
 
 
2.1 Aplicaciones generales 
2.2 Transistores 
2.3 Guías de onda y fibra óptica 
2.4 Nano antenas 
18 
 
Nanotecnología 
Física 
• Sólidos 
• Semiconductores 
• Cuántica 
Medicina 
• Bio-fisca 
• ADN 
Biología 
• Sistemas 
neuronales 
• Células 
Ingeniería 
• Electrónica 
• Fotonica 
• Microscopia 
Química 
• Átomos 
• Moléculas 
• Polímeros 
• Materiales 
Informática 
• Simuladores 
• Procesado de 
información 
 2.1 Aplicaciones generales 
 
La nanotecnología no está limitada al estudio de un solo tipo de material, pues se pueden 
manipular distintos materiales dependiendo de las necesidades, lo que conlleva el desarrollo 
de nuevas tecnologías en distintos ámbitos de la vida humana. 
Por tanto, se puede asegurar que la nanotecnología es la herramienta para el desarrollo de 
novedosas soluciones ingenieriles en productos deportivos, cosméticos, la detección de 
bacterias, médico farmacéutico, textiles, construcción, metales, síntesis de materiales 
cerámicos, materiales resistentes a altas temperaturas, plásticos conductores de electricidad 
para la industria aeroespacial, energía, tecnologías de la información y comunicaciones 
cuánticas [17]. Estos dos últimos campos; comunicaciones y electrónica, se ven 
especialmente beneficiados por el desarrollo de la nanotecnología debido a que posibilitan 
el desarrollo de dispositivos fotónicos, los cuales aumentarían de manera significativa la 
eficiencia y velocidad de las tecnologías actuales. Algunas de las investigaciones más 
importantes al respecto se expondrán en los siguientes temas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2-1.- Áreas que se fortalecen por la nanotecnología. 
 
19 
 
 2.2 Transistores 
 
Un transistor es un dispositivo que regula el flujo de corriente o de tensión actuando como 
un interruptor o amplificador para señales electrónicas. El transistor, inventado en 1951, es 
el componente electrónico fundamental que ha facilitado el diseño de circuitos electrónicos 
de reducido tamaño, gran versatilidad y facilidad de control. 
Un transistor es un componente que funciona fundamentalmente de dos formas: 
 Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una señal de corte pequeña, 
actuando como interruptor, que abre o cierra para cortar o dejar pasar la corriente 
por el circuito. 
 Funciona como un elemento amplificador de señales al que le llega una señal 
pequeña que se convierte en una grande. 
También, puede cumplir funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. 
Tras varios años de trabajar con los transistores, como interruptores, la comunidad 
científica busca desarrollar el transistor óptico – el correspondiente transistor fotónico – y 
esta visión está cada vez más cerca de hacerse una realidad para el procesamiento de 
señales ópticas. 
Basados sobre estos conceptos, 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. 
 
Figura 2-2.- Concepto de interruptor óptico basado en un único centro de NV [18]. 
El transistor óptico es un nanodiamante con una vacancia de carbono y un átomo de 
nitrógeno; a esta combinación se le conoce como centro de color, N-V. De la Figura 2.2, en 
20 
 
a) se muestra el esquema de un transistor tradicional, y en b) el correspondiente esquema de 
un transistor óptico, conformado por un diamante con N-V. La señal de emisor del 
conmutador óptico está controlada por una compuerta proporcionada por una señal 
modulada por el láser (NIR no resonante) en la parte conocida como la base, mientras que 
por la parte del colector se encuentra un láser de color verde excitando el diamante. En c) y 
d) se ilustra teóricamente el comportamiento del diamante con NV; el láser NIR rellena una 
banda oscura d), que decae sin radiar, reduciendo así la salida de fluorescencia en 
comparación con el emisor sin NIR láser [18]. 
 
 
 2.3 Guías de onda y fibra óptica 
 
Las guías de onda analizadas desde un punto de vista clásico requieren tener las 
propiedades necesarias para conducir la onda, cualquiera que está sea. En la actualidad las 
guías de onda se utilizan en múltiple áreas de la electrónica y comunicaciones, sin embargo 
para un esquema de comunicaciones y computación cuántica del futuro es necesario 
desarrollar guías de onda sensibles a la transmisión de fotones únicos con pérdidas mínimas 
Partiendo desde el punto de vista clásico, los modos de propagación en el medio o sea en el 
vacío, se analizan por medio de las ecuaciones de Maxwell, porque se consideran ondas 
electromagnéticas, transversales. Es decir, que en este análisis ambos campos E y H son 
perpendiculares a la dirección de propagación (y perpendiculares entre sí). Esta situación es 
una consecuencia matemática de las ecuaciones de la divergencia nula (∇ • E = ∇ • H = 0) 
para campos que dependen de una única coordenada [19]. 
Convencionalmente se llama modo TEM (Transversal Electro Magnético) a la situación 
donde los campos son, ambos, transversales a la dirección de propagación,modo TE 
(Transversal Eléctrico) cuando sólo el campo eléctrico es transversal y modo TM 
(Transversal Magnético) cuando sólo el campo magnético es transversal. Se puede 
demostrar que cualquier tipo de propagación se puede resolver como la superposición de un 
modo TE y un modo TM [19]. Pero, para nanoguías de onda en frecuencias ópticas se 
pueden clasificar en dos tipos: El guiado de onda, apoyado por respuestas 
electromagnéticas de los electrones en la frontera o en un segundo caso, es guiado de ondas 
plasmonicas apoyadas por la oscilación colectiva de las cuasi-cargas libres en la superficie 
del material. Para el propósito de la aplicación fotónica es importante evitar interferencia 
multimodal. Por tanto, se ha planteado que la condición monomodo para un solo 
nanoalambre fotónico se determina por medio de la siguiente ecuación [20]. 
21 
 
 
 
 
 
 
 
 
En esta expresión matemática, el autor Guo [20], define D como el diámetro de 
nanoalambre y a 
 y 
 como los índices refractivos del nanoalambre y el material 
envolviéndolo, respectivamente. Pese a que se presenta una posible solución para poder 
hacer el acoplamiento de dispositivos a la escala nanométrica no es la única, actualmente 
científicos de todo el mundo trabajan para poder desarrollar innovadoras alternativas, como 
se muestra en los siguientes artículos. 
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. 
En este documento, también, se hace referencia al presente problema fundamental de 
magnitud para la densidad fotónica “ultra alta” en circuitos integrados. Por lo cual se hace 
mención de algunos métodos como: plasmonics, ranuras de metal y dieléctricos negativos 
como guías de onda y técnicas sub-micrométricas. Por ejemplo, contraste de índice elevado 
entre cristales fotónicos, como posible solución. Así, las guías de onda son un reto a 
sobrepasar [21]. 
 
Figura 2-3.- Puntos cuánticos interactuando con la luz (signal) [21]. 
 
La Figura 2.3 nos muestra la interacción entre la luz y los puntos cuánticos en el proceso de 
acoplamiento. Es posible apreciar que es un proceso estimulado al cual se le inyecta una 
señal (luz), experimenta una ganancia en cada punto cuántico, algo parecido al concepto de 
conmutador. Posteriormente esta luz se bombea y es forzada a la interacción con el 
substrato al cual están acoplados los puntos cuánticos [21]. 
22 
 
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. Esta 
tecnología es pieza clave para el buen manejo y transmisión de fotones en las 
comunicaciones cuánticas. En dicho artículo ellos demuestran guías de onda atrapadas 
directamente en el substrato de diamante alojando un implante ligero de nitrógeno que 
forma una vacancia en la estructura de red del diamante. Por medio de simulaciones y el 
preciso control de la forma geometría de los pilares de las guías de onda, se logró un flujo 
exitoso de fotones. Los autores proponen que esto representa la estructura monolítica en 
bulto basada en una sola vacante de nitrógeno (NV) más brillante, hasta ahora. Se reporta 
un nulo impacto en el tiempo de vida del estado excitado y en el tiempo de desfasamiento 
(T2) del espín del electrón debido al proceso de nanofabricación. Los resultados implican 
que este esquema pude mejorar la sensibilidad de la actual magnetometría (por el cual se 
mide la dirección y fuerza de las ondas electromagnéticas) [22]. 
 
Figura 2-4.- Guías de onda, hechas de nanoalambres de diamante (A y B). (C y D) Resultados de análisis [22]. 
 
En la Figura 2.4 (A) se muestra la evolución de la intensidad de la luz emitida desde el 
dipolo recogida por un lente como una función del diámetro de la guía de onda para el caso 
23 
 
de una guía de ondas cilíndrica, mientras que en (B) se muestran los resultados para el caso 
de una guía de ondas cónica, el diámetro superior se fija a 400 nm, y el diámetro inferior se 
varía para optimizar la intensidad recogida más alta y alcanzable por la geometría de guía 
de ondas de los nanopilares. Al interior de la Figura 2.4 (A y B) se muestra cómo la 
representación geométrica los nanoalambres, mientras que en la Figura 2.4 (C y D) se 
observa como inciden los fotones sobre sus respectivas superficies fuera de plano de la 
dipolo eléctrico antes mencionado situado en el interior de una guía de ondas 400 a 900 nm 
con una altura de ~1.2 micras [22]. 
El objetivo del estudio se centró en la optimización de la colección de fotones por medio de 
una simulación numérica; observaron que es necesario experimentar con las diferentes 
geometrías para poder obtener un enfoque en el guiado de onda. 
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 (En general, una guía de 
onda plasmonica se considera un interfaz metal-dieléctrico) en la escala nanométrica. Se 
observó que la tasa de emisión espontanea incremento dramáticamente debido a una fuerte 
localización óptica en dos dimisiones. Esta mejora, está íntimamente ligada a la naturaleza 
no resonante de las guías de onda plasmonicas, las cuales sobrepasan las limitaciones de 
otros dispositivos convencionales. Además, demuestran que más del 85% de la emisión 
molecular se acopla a la guía de onda [23]. 
 
Figura 2-5.- Guía de onda nanométrica [23]. 
 
24 
 
En la Figura 2.5 (a) se muestra el esquema de una guía de onda con una película dopada de 
polimetacrilato (PMMA) (el diámetro del nanoalambre es de 80 – 160 nm, y de longitud de 
5µm.), en el interior se muestra la fotoluminiscencia del alambre. Se observa la emisión de 
las moléculas excitadas al centro del nanoalambre (círculo rojo) y acoplándose al guía de 
onda y esparciéndose en la frontera del mismo. En La Figura 2.5 (b) se muestra un 
acercamiento de la zona rectangular punteada (de la Figura 2.5 (a)) ilustrando la escala 
nanométrica de la banda critica de esta guía de onda. Finalmente en la imagen (c) se 
muestra el vector de propagación, comprobando la propagación previamente señalada [23]. 
Mohammadresa, en su artículo “Silicon nanowire optical waveguide (SNOW)”, Propone 
una novedosa guía de onda óptica que consiste de matrices de nanoalambres de Silicio. 
También, demuestra que tal estructura puede guiar un modo óptico proporcional al campo 
eléctrico y que está polarizada a lo largo de la longitud de los nanoalambres [24]. 
En ese artículo se plantea como punto de inicio la característica deseada para las 
comunicaciones ópticas. Con esta idea en mente los investigadores generaron un estudio 
comparativo para demostrar las características de diferentes tamaños de guías de onda a 
partir de nanoalambres de silicio. Se crea una comparación del factor de confinamiento 
óptico contra el diámetro de un nanoalambre a una longitud de onda de 1550 nm. 
Observaron que a medida que el diámetro de los nanoalambres se reduce por debajo de 75 
nm, el factor óptico comienza a disminuir de forma apreciable. También, se demuestra que 
los nanoalambres pueden estar colocados de manera aleatoria y que estos logran guiar la 
onda aunque con mayor pérdida. Es así como se describe conceptualmente la estructura, y 
consecuentemente se simulan escenarios con un solo nanoalambre de silicio de diferentes 
diámetros y polarización para entender su comportamiento. Realizaron el cálculo de la 
distribución del campo eléctrico en amplitud y fase,para diferentes diámetros variando 
desde 600 nm a 20 nm. Una vez hecho el análisis simulando las estructura única se procede 
al diseño del conjunto tomando en cuenta el espaciamiento entre cada alambre. 
 
 
 
 
 
 
 
25 
 
 
Figura 2-6.- Amplitud del campo magnético [24]. 
 
La Figura 2.6 muestra la amplitud del campo magnético en dirección del eje Y (Hy) para 
los nanoalambres de silicio, con diámetros: 600 nm, 400 nm, 200 nm, 100 nm, y 20 nm, a 
una longitud de onda de 1550 nm [24]. 
 
Figura 2-7.- Fase del campo magnético [24]. 
 
26 
 
En la Figura 2.7 se muestra la fase del campo magnético en dirección del eje Y (Hy) para 
nanoalambres de silicio, con diámetros: 600 nm, 400 nm, 200 nm, 100 nm, y 20 nm, a una 
longitud de onda de 1550 nm [24]. 
De manera general, se puede deducir de estas fuentes la importancia de la interface entre 
dos medios de índices distintos de refracción. Añadiendo a esto las diferencias 
fundamentales en magnitud de las longitudes de onda generadas y los medios por los cuales 
se guían. Como se ha demostrados en los artículos, si se tiene consideración al elegir los 
índices de refracción, es posible obtener dispositivos que puedan guiar a la onda, 
confinando la energía electromagnética en una región muy pequeña. Las bondades del 
confinamiento de ondas luminosas en una región tan pequeña, radica en los siguientes: 
 Óptimo traslado de información, de un punto “A” a un punto “B”. 
 
 Capacidad para poder modular las ondas luminosas, tomando como referencia al 
artículo de nanoalambres de diamante. También, se puede obtener la particularidad 
de poder manipular las propiedades de la luz que pasa a través de este, 
amplificándola. 
Finalmente es necesario recalcar que el confinamiento de las ondas en el espacio se realiza 
variando las constantes dieléctricas de la guía de onda, a lo cual se pueden atribuir 
variaciones de dimensión en 1D, 2D, y 3D, contemplando el aire como un medio amorfo el 
cual puede servir como medio de difracción para el proceso de confinamiento de la luz. 
 
 
 2.3.1 Fibra Óptica 
 
La principal causa de la rápida extensión en el mundo de las comunicaciones de la fibra 
óptica ha sido que sus propiedades son superiores a las de los cables metálicos. La salida de 
generadores ópticos como el diodo láser (LD) o los LEDs debe acoplarse a la fibra óptica 
en la mayoría de las aplicaciones, por lo que debemos conocer los principios de 
funcionamiento de la fibra óptica, ya que la fibra óptica no es más que una guía de onda a 
gran escala. A continuación se presentan algunos trabajos actualmente bajo investigación, 
con la finalidad de obtener modelos que sean adecuados para los distintos usos en las 
comunicaciones cuánticas, basadas en fuentes que emiten un solo fotón. 
En el artículo “Highly Efficient Coupling of Photons from Nanoemitters into Single-Mode 
Optical Fibers” de Masazumi Fujiwara, se trata como eje central la importancia de la 
colección de fotones y la efectividad al acoplarlos a una fibra óptica monomodo [25]. En 
27 
 
dicho estudio se demuestra el acoplamiento altamente eficiente de la fluorescencia de 
puntos cuánticos individuales en una fibra monomodo con forma cónica. En el cual con 
éxito, reportan la producción de fibras con forma cónica y diámetros de 300 nm con una 
tasa de transmisión del 90%. Dichos experimentos se llevaron a cabo en condiciones libre 
de partículas de polvo. También, se logra un acoplamiento de, aproximadamente el 12%, 
del total de fotones emitidos por un solo nanocristal de Cd/ZnS (Cadmio / Sulfuro de cinc) 
a una fibra cónica. 
El artículo hace una detallada descripción del procedimiento, en el cual, se utilizó CdSe / 
ZnS QDs (Puntos cuánticos “QDs”). Los autores reportan valores correspondientes (tamaño 
de cristal, 9,6 nm; longitud de onda máxima de emisión, 620 nm) a los gránulos de flúor 
como nanoemisores de estado sólido. También, mencionan que los puntos cuánticos se 
disolvieron en una solución de tolueno, mientras que los gránulos de flúor se dispersaron en 
2-etoxietanol. Finalmente, Las fibras cónicas se sumergieron en estas soluciones para 
depositar estos nanoemisores directamente en sus superficies cónicas y fueron montadas en 
un transductor piezoeléctrico (PZT). 
 
Figura 2-8.- Experimento en fibra óptica [25]. 
 
En esta Figura 2.8 se muestra un diagrama del experimento conducido por Masazumi. Las 
abreviaturas correspondientes son: 
 OBJ: material. 
 BS: parte haz dicroico. 
 SMF: fibra monomodo. 
 APD: foto diodo de avalancha. 
28 
 
La fibra cónica se montó sobre un sustrato de vidrio usando un adhesivo UV, después el 
sustrato se montó sobre el transductor piezoeléctrico. Para poder medir el espectro de 
fluorescencia, las fibras conectadas al APDs, se cambiaron al espectrómetro. Un láser de 
He-Ne, con longitud de onda de 543.5 nm, polarizado circularmente fue utilizado para 
excitar los puntos cuánticos [25]. 
 
Figura 2-9.- Exploración de puntos cuánticos en fibra cónica [25]. 
 
La Figura 2.9 muestra la exploración de puntos cuánticos en fibra cónica, la cual se miden a 
través del (a) material y (b) de la fibra cónica. La intensidad de excitación fue de 28 W / 
cm
2
. Un único QD (punto cuántico, indicado por flechas blancas) es visible en ambas 
imágenes. Las manchas borrosas de baja intensidad que aparecieron en la parte inferior de 
(a) son otros puntos cuánticos, que no son claros en (b) simplemente porque su intensidad 
relativa para el recuento de fotones del punto más brillante es más pequeña en (b). En la 
imagen (c), se muestra el histograma de la correlación de fotones, de este QD. Finalmente 
en la imagen (d) se muestra la excitación dependiente de intensidad, gráfica del recuento de 
fotones de este QD [25]. 
 
 
29 
 
 
 
Figura 2-10.- Dependencia de la eficacia de acoplamiento contra diámetro [25]. 
 
La Figura 2.10, muestra la dependencia de la eficacia de acoplamiento de fluorescencia en 
el diámetro cónico. La eficacia de acoplamiento se normaliza a la de un diámetro de 300 
nm. Los triángulos negros y rectángulos denotan puntos de fluoruro y puntos cuánticos, 
respectivamente. La línea continua es un ajuste exponencial único a los datos [25], se 
observa que la eficiencia disminuye a medida que aumenta el diámetro. 
Rabeau y Huntington publicaron en su artículo: “Diamond chemical-vapor deposition on 
optical fibers for fluorescence waveguiding”, la inserción de cristales de diamante en los 
extremos de una fibra óptica, observando la fluorescencia generada por la vacancia en la 
estructura del diamante. Se reporta en dicho artículo que el diamante por medio de una 
deposición química de vapor (CVD) se cultivó con concentraciones variables de centros de 
color N-V mediante el ajuste de los niveles de dopaje de nitrógeno en un proceso CVD 
estándar [26]. 
 
 
 
30 
 
 
Figura 2-11.- Espectro de fotoluminiscencia de colección y de transmisión de fotoluminiscencia, en el panel 
superior se muestra todo el espectro y en el panel inferior un acercamiento a las longitudes de onda cercanas a 
componentes Raman de grafito y diamante. Tomada del articulo [26]. 
 
La Figura 2.11, se muestra el espectro de fotoluminiscencia colección y de transmisión de 
diamante acoplado a una fibra óptica, utilizando el espectro de fotoluminiscencia de una 
fibra sin diamante (expuesta) como comparación. El espectro de la fibra expuesta y el 
espectro de la fibra revestida de diamante se normalizaron usando la intensidad de la banda 
lateral del láser de excitación. Se reporta que los espectros directos y transmitidos fueron 
aproximadamente normalizados usando la intensidad de la transición Raman del diamante a 
552 nm. Finalmente de la Figura 2.11 podemos apreciar el espectro de fotoluminiscencia 
completa en la imagen superior, y ampliación de los componentes Raman del diamante en 
la imagen inferior [26].En resumen, el crecimiento controlado de diamante en fibras ópticas se ha demostrado que 
indica un fuerte potencial para la fabricación de una gama de dispositivos fotónicos; 
eficientes y robusto. También, se reitera que mediante el ajuste de los parámetros de dopaje 
en el proceso de crecimiento se logró el control sobre la densidad de centros ópticamente 
activos en el diamante [26]. 
31 
 
Finalmente, investigadores alemanes han publicado en su artículo “Fiber-Integrated 
Diamond-Based Single Photon Source”, el uso de un microscopio de fuerza atómica para 
colocar un solo emisor de fotones hecho de diamante, a una medida de 30 nm. El 
ensamblaje es un proceso de montaje de abajo hacia arriba, también conocido en inglés 
como “bottom-up assembly”. Este proceso brinda libertad al preseleccionar un emisor con 
características requeridas y propiedades como: longitud de onda a emitir, brillo, tipo de 
defecto, entre otras características físicas deseadas [27]. 
El proceso que realizaron consistió en levantar y recolocar el diamante en la región del 
centro de una fibra fotónica cristalina comercial, por sus siglas en inglés (PCf, Comercial 
photonic cristal fiber), con un diámetro de 90 µm, una región céntrica de 1.5 µm y una 
longitud de 10 cm [27]. 
 
Figura 2-12.- Sección transversal de una fibra con un nanodiamante montado [27]. 
 
La Figura 2.12 muestra la sección transversal de fibra con un nanodiamante montado. En 
(a) se muestran las imágenes obtenida de un microscopio electrónico de barrido de una 
fibra de cristal fotónica con un diámetro de 90 μm. El cuadro blanco indica un 
acercamiento en un extremo de la fibra. En (b) se muestra la imagen tomada por el 
microscopio de fuerza atómica (AFM) de la región núcleo de la fibra. El diamante en el 
centro del núcleo (marcado por una flecha) tiene un diámetro de aproximadamente 30 nm y 
se colocó a través de una técnica de levantamiento y colocación con el microscopio de 
fuerza atómica (AFM pick-and-place). El diamante colocado contiene un centro N-V como 
único emisor de fotones [27]. 
 
 
 
32 
 
 
Figura 2-13.- Excitación, esquema de detección y características fluorescentes de la luz, de un nanodiamante 
montado en la fibra óptica [27]. 
 
En la Figura 2.13, 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[27] . 
 
33 
 
 
Figura 2-14.- Acoplamiento fibra – diamante [27]. 
 
La Figura 2.14 muestra el acoplamiento fibra - diamante. La gráfica de las propiedades de 
polarización de la fluorescencia el centro NV detectado a través de la fibra se muestra en 
(a). La modulación observada representa la simetría del centro de NV se asemeja a un 
patrón de emisión de dos emisores dipolares fija de 12.5 nm al extremo de la fibra[27]. En 
(b) y (c) imágenes en dos dimensiones con el dipolo ortogonal y paralelo al eje óptico de la 
fibra, respectivamente, se representan gráficamente mientras que (d) muestra el 
acoplamiento a lo largo de la línea de negro en la (b) y (c). Cruces representan la 
orientación del dipolo en la dirección Y, círculos en la dirección X, y las marcas de 
orientación "×” perpendicular al plano (xy). Se observó que la máxima eficiencia de 
acoplamiento se consigue en el centro del núcleo [27]. 
 
Figura 2-15.- Caracterización de la emisión fluorescente del diamante montado en la fibra óptica [27]. 
34 
 
En esta última imagen, Figura 2.15, se presentan los resultados de la caracterización de la 
emisión fluorescente. En (a y b) se muestra la auto-correlación de la función causante del 
efecto fluorescente de los centros de NV, en las configuraciones I y II de la imagen previa 
(acoplamiento fibra – diamante), respectivamente, bajo una excitación continua. En (c y d) 
se muestra las mediciones de saturación de los centros de fluorescencia NV en 
configuraciones I y II. En (e y f) se muestra la auto-correlación de las funciones que causan 
las N-V, bajo excitación pulsada.[27] 
De la información presentada, podemos concluir que los métodos utilizados para guiar las 
ondas, son varios. También, podemos añadir a esto la importancia que cada artículo resalta, 
y es el poder manipular un solo fotón, con el fin de aplicarlo a las comunicaciones 
cuánticas. 
Haciendo una breve reflexión hasta el momento, podemos de manera segura, decir que no 
tiene que haber una sola forma de cómo conducir la onda/partícula a través del sistema de 
comunicación, limitado por únicamente por el estado actual de la tecnología. 
 
 
 2.4 Nano antenas 
 
El objetivo de esta sección es explorar soluciones que faciliten el diseño y construcción de 
nano antenas. Esto significa revisar los estudios ya hechos y encontrar las formas 
apropiadas de estructura en un sentido análogo al concepto de las antenas de radio clásicas, 
y al mismo tiempo mostrar los logros alcanzados con nanotecnología [28]. 
Las antenas clásicas se utilizan para emitir o recibir ondas de radiofrecuencia (RF). De 
manera general, un sistema que interactúa al nivel de las radiofrecuencias, requiere un 
dispositivo de magnitud en el orden de metros, para poder conducir radiación 
electromagnética, tanto en el modo de emisión como en el modo de recepción. 
Antenas ópticas, por otra parte, en su mayoría operan sobre el principio de absorción o 
emisión de luz. [29]. Debido a los resultados proporcionados por varios grupos de 
investigadores de todo el mundo, se aspira la incorporación de antenas ópticas a circuitos 
optoelectrónicos para el procesamiento de información, así como la evolución de sistemas 
fotovoltaicos [30], la detección de fotones [31] y excitación de plasmones superficiales[32]. 
En esta sección nos enfocaremos a los resultados de investigaciones ya disponibles. 
35 
 
En el artículo “Antennas for light”, Lukas Novotny y colegas, hacen un breve recuento 
histórico sobre el nacimiento de las antenas ópticas, para poder después desarrollar un 
ingenioso reporte que propone parámetros para antenas ópticas. Novotny postula que el 
concepto de la antena óptica tiene sus raíces en la óptica de campo cercano. En 1928, 
Edward Synge propuso el uso de una partícula de oro para la localización de las radiaciones 
ópticas en una superficie. En 1985, John Wessel propuso por primera vez que una partícula 
de oro podría funcionar como una antena. Diez años después, en 1995 se hizo la primera 
demostración experimentalmente, por Dieter Pohl y Ulrich Fischer, quienes usaron una 
partícula de poliestireno cubierta de oro. En los años siguientes, se utilizaron antenas 
ópticas en forma puntiaguda en la microscopía de campo cercano y espectroscopia. Estos 
experimentos dieron origen a lo que hoy es conocido como la microscopía óptica de campo 
cercano con punta mejorada. Desde entonces diversas geometrías de antena que funcionan 
en el rango de infrarrojos han sido sistemáticamente investigadas [29]. 
 
Figura 2-16.- Antenas ópticas [29]. 
 
En la Figura 2.16 se muestran ejemplos de antenas ópticas fabricadas usando el método 
“Top- down”. De la