Franco Carriel, de la carrera de Licenciatura en Física, presentó parte de su tesina denominada «Poder de frenado del SiN rico en silicio para protones de bajas energías”.
Científicos de diversos países del mundo asistieron a una nueva versión de la Conferencia Latinoamericana de Colisiones Atómicas en la Materia, XI CLACIM, realizada en Brasil, donde el estudiante de la carrera de Licenciatura en Física de la Universidad Técnica Federico Santa María, Franco Carriel, expuso algunos aspectos de su tesina de grado y compartió que, gracias a la calidad y pertinencia del proyecto, “recibí financiamiento por parte de la organización del CLACIM para cubrir los gastos de viaje a Niterói”, lugar donde se desarrolló el congreso a fines de octubre de este año (https://clacim2024.weebly.com). También, destacó que al finalizar esta conferencia el comité científico designó a Valparaíso como organizador de la XII CLACIM en 2026.
En relación a su presentación, el alumno indicó que abordó el tema «Poder de frenado del SiN (nitruro de silicio) rico en silicio para protones de bajas energías», el cual “despertó gran interés entre los asistentes debido a la relevancia de este tipo de material por sus propiedades físicas y aplicaciones y ser la primera vez que se mide. Además, este tipo de experimento presenta un gran desafío el trabajar y medir con películas delgadas cuyo espesor es del orden de 10 nm”.
El CLACIM es un congreso bianual que reúne a científicos de diferentes países para discutir avances en el área de colisiones inelásticas en la materia. El objetivo de la conferencia es presentar y discutir los recientes avances en interacción de iones y fotones con átomos, moléculas, sólidos y superficies; técnicas experimentales de haces de iones (TOF, PIXE, RBS, ERDA, NRA, etc.); caracterización de superficies y materiales implantados; fenómenos ultrarrápidos en fotoionización; irradiación de nanoestructuras y sistemas biológicos y otros temas afines.
Desde su creación, CLACIM ha tenido como sedes países como Brasil, Argentina, Chile y México, extendiendo sus invitaciones a otras naciones de Latinoamérica, como también de Europa, España y Portugal. Este año participaron destacados investigadores internacionales en el área, como el Dr. Rafael García de la Universidad de Murcia; la Dra. Isabel Abril de la Universidad de Alicante y el Dr. Paulo Limão-Vieira de la Universidade Nova de Lisboa, en Portugal.
También, indicó Franco, estuvo presente la Dra. Claudia Montanari de la Universidad de Buenos Aires, quien desde 2015 es la responsable de la recopilación de datos experimentales para la actualización de la base de datos sobre poder de frenado de materiales (Stopping Power Database) para diferentes tipos de iones (livianos y pesados) y que está bajo la tutela de International Atomic Energy Agency (IAEA) en Nuclear Data Section. Los materiales que se incluyen en esta base de datos son sólidos (amorfos, cristalinos o policristalinos), gases, elementos o compuestos, nuevos materiales como polímeros, óxidos, silicatos, nitruros y también muestras biológicas. Se trata del poder de frenado electrónico de estos materiales que el frenado debido a colisiones elásticas ha sido restado del total.
Investigación
En relación con su investigación, Franco Carriel detalló que su proyecto de tesis para optar al grado de Licenciado en Física lo realiza en el Laboratorio de Colisiones Atómicas de la USM bajo la supervisión del Dr. Jorge Valdés, académico del Departamento de Física y en conjunto con la estudiante de Doctorado Francisca Ramírez y la Dra. Marián Abellán.
En este espacio, contó el estudiante, “usamos un cañón de iones de hidrógeno (H⁺, es decir, protones) para bombardear películas delgadas de nitruro de silicio (SiN). Estas películas tienen un espesor de aproximadamente 10 nanómetros y son ricas en silicio, lo que significa que hay una proporción significativamente mayor de silicio que de nitrógeno. Este material es muy interesante a escalas nanométricas; es transparente, muy resistente a esfuerzos mecánicos y ambientes químicos, y además es un semiconductor”.
Franco agregó que “el hecho de que sea semiconductor implica que para que ocurra el transporte eléctrico (es decir, que haya corriente en el material), se necesita un mínimo de energía. Esto contrasta con los conductores, donde el transporte eléctrico ocurre sin necesidad de superar un umbral de energía”.
En tanto, para explicar parte del título que indica el “poder de frenado”, el estudiante dijo que se refiere a la energía que pierde el ion al atravesar la muestra debido a los procesos de colisiones elásticas e inelásticas. “En la literatura, el modelo clásico para este fenómeno sugiere que el poder de frenado, en el rango de energía estudiado, es proporcional a la velocidad del ion. En nuestro estudio observamos esta proporcionalidad, pero con un leve desfase respecto a la tendencia esperada. Al extrapolar los datos, encontramos que para un haz de protones viajando lentamente (muy baja velocidad), no se observaría pérdida de energía en el haz”.
Así, puntualizó que “este fenómeno se explica por la naturaleza semiconductora del material: como mencioné, “se requiere un mínimo de energía para excitar los electrones y permitir el transporte electrónico. Si el ion incidente tiene menos energía que este umbral, no alcanza a excitar electrones y, por lo tanto, no hay pérdida de energía electrónica. Este trabajo forma parte de mi tesina para la licenciatura en Física y aún está en desarrollo”.
Para atender el foco del congreso, el estudiante sostuvo que “las colisiones inelásticas se refieren a interacciones entre átomos o partículas donde sí ocurre una pérdida de energía (a diferencia de las colisiones elásticas, donde la energía total se conserva). Estas colisiones son de interés porque la energía «perdida» se transfiere al material con el que interactúa la partícula incidente. Dependiendo de factores como la energía del ion y la naturaleza de la muestra, esta transferencia de energía puede dar lugar a fenómenos como la excitación de los átomos, la ionización o incluso la formación de nanopartículas en la muestra, éste último trabajo en progreso en el mismo laboratorio”
Añadió que estos estudios son fundamentales para estudiar las propiedades de los materiales a escalas nanométricas. Entre sus aplicaciones más directas se incluyen nano fabricación para modificar la estructura superficial de los materiales o crear nuevas nanopartículas con propiedades específicas; caracterización de materiales, siendo las colisiones inelásticas clave en la microscopía electrónica y espectroscopía, técnicas que permiten obtener información sobre la composición y estructura interna de los materiales, y resistencia iónica de materiales, las que permiten evaluar el daño en materiales expuestos a radiación ionizante, lo que es relevante para la protección de dispositivos electrónicos como los satélites usados en ambientes hostiles en el espacio o reactores de fusión, cuyas paredes son diseñadas para la protección contra radiación residual del mismo combustible utilizado en la fusión nuclear.
El profesor Jorge Valdés, quien dirige la tesina de Franco, celebró que se haya reemplazado el antiguo examen de grado de las carreras de Física por un seminario de investigación, que desemboca en una tesina. “Este cambio anhelado por mucho tiempo permite acercar a los alumnos al quehacer real en investigación experimental y teórica que desarrolla el Departamento de Física. Este contexto para la graduación de nuestros alumnos es muy importante para ellos, pues, además en el periodo final de su carrera, pueden participar de simposios y congresos nacionales y/o internacionales. También permite a los alumnos orientar sus intereses como investigadores en diferentes áreas de la física que ofrece nuestro Departamento. La experiencia de Franco en este congreso ha sido muy enriquecedora y no es común que un alumno de pregrado participe de este tipo de eventos. Este es un paso muy importante y de alta motivación para nuestros egresados”.
