Un material altamente absorbente de la luz y sintonizable

Nuevo enfoque para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos

13.08.2020 - Suiza

Mediante la estratificación de diferentes materiales bidimensionales, los físicos de la Universidad de Basilea han creado una novedosa estructura con la capacidad de absorber casi toda la luz de una longitud de onda seleccionada. El logro se basa en una doble capa de disulfuro de molibdeno. Las propiedades particulares de la nueva estructura la convierten en un candidato para aplicaciones en componentes ópticos o como fuente de fotones individuales, que desempeñan un papel clave en la investigación cuántica.

Los nuevos materiales bidimensionales son actualmente un tema de investigación candente en todo el mundo. De especial interés son las heteroestructuras de van der Waals, que están formadas por capas individuales de diferentes materiales mantenidas juntas por las fuerzas de van der Waals. Las interacciones entre las diferentes capas pueden dar al material resultante propiedades completamente nuevas.

La doble capa desbloquea propiedades cruciales

Ya existen heteroestructuras de van der Waals que absorben hasta el 100 por ciento de la luz. Las capas individuales de disulfuro de molibdeno ofrecen capacidades de absorción en este rango. Cuando la luz es absorbida, un electrón deja su posición original en la banda de valencia, dejando atrás un agujero cargado positivamente. El electrón se mueve a un nivel de energía más alto, conocido como la banda de conducción, donde puede moverse libremente.

El agujero resultante y el electrón se atraen entre sí de acuerdo con la ley de Coulomb, dando lugar a pares de agujeros de electrones unidos que permanecen estables a temperatura ambiente. Sin embargo, con el disulfuro de molibdeno de una sola capa no hay forma de controlar qué longitudes de onda de luz se absorben. "Sólo cuando se añade una segunda capa de disulfuro de molibdeno se obtiene la afinabilidad, una propiedad esencial a efectos de aplicación", explica el profesor Richard Warburton del Departamento de Física de la Universidad de Basilea y del Instituto Suizo de Nanociencia.

Absorción y afinabilidad

Trabajando en estrecha colaboración con investigadores en Francia, Warburton y su equipo han logrado crear tal estructura. Los físicos utilizaron una doble capa de disulfuro de molibdeno intercalada entre un aislante y el grafeno conductor eléctrico de cada lado.

"Si aplicamos un voltaje a las capas externas de grafeno, esto genera un campo eléctrico que afecta las propiedades de absorción de las dos capas de disulfuro de molibdeno", explica Nadine Leisgang, estudiante de doctorado en el equipo de Warburton y autora principal del estudio. "Ajustando el voltaje aplicado, podemos seleccionar las longitudes de onda en las que los pares electrón-hueco se forman en estas capas."

"Esta investigación podría allanar el camino para un nuevo enfoque en el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos como los moduladores", añade Richard Warburton. Los moduladores se utilizan para cambiar selectivamente la amplitud de una señal. Otra posible aplicación es la generación de fotones individuales, con importantes implicaciones para la tecnología cuántica.

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Publicación original

Nadine Leisgang, Shivangi Shree, Ioannis Paradisanos, Lukas Sponfeldner, Cedric Robert, Delphine Lagarde, Andrea Balocchi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Xavier Marie, Richard J. Warburton, Iann C. Gerber and Bernhard Urbaszek; "Giant Stark splitting of an exciton in bilayer MoS2"; Nature Nanotechnology; 2020

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