Un nuevo microscopio puede obtener imágenes de un material 2D invisible

Aspectos clave

• Un material fascinante: El nitruro de boro hexagonal (hBN) es un material muy importante para el amplio y floreciente campo de la investigación de materiales bidimensionales (2D) y los nuevos dispositivos emergentes.
• El reto: Las monocapas -de sólo un átomo de grosor- de hBN han sido muy difíciles de utilizar en estructuras 2D porque son muy difíciles de ver.
• El enfoque novedoso: Las monocapas de hBN se iluminan gracias a la microscopía de frecuencia de suma que impulsa resonantemente una vibración de la red de hBN.

¿Por qué estudiar materiales 2D?

Los materiales 2D son sustancias cristalinas formadas por una sola capa de átomos y tienen propiedades muy inusuales derivadas de su extrema delgadez. La ciencia de materiales conoce los materiales de capas finas desde hace más de cien años, pero no fue hasta 2004 cuando se consiguieron producir las primeras capas 2D, concretamente de grafeno. Desde entonces, se han desarrollado continuamente nuevos materiales 2D y han surgido aplicaciones novedosas. Estas finas capas son demandadas para aplicaciones en muchas tecnologías del futuro, desde la electrónica y los sistemas energéticos hasta los componentes ópticos. Por ello, estos fascinantes materiales son objeto de numerosas investigaciones.

El reto del nitruro de boro hexagonal

El nitruro de boro (BN) -también conocido como "grafeno blanco"- es un material en capas compuesto por los elementos boro (B) y nitrógeno (N), y puede existir en varias formas, entre ellas el nitruro de boro hexagonal (hBN). Similar al grafeno, el hBN tiene una estructura reticular hexagonal y sus capas 2D se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones, como la óptica cuántica o la nanofotónica infrarroja, o simplemente como sustrato o material encapsulante. Para estas aplicaciones es fundamental una caracterización precisa de las capas de h-BN. Sin embargo, aparte de la pronunciada resonancia en el infrarrojo medio, como monocapa, el hBN es transparente en todo el rango espectral del infrarrojo cercano y el visible. Por tanto, no puede estudiarse con microscopios ópticos convencionales.

Esta restricción ha dificultado hasta ahora su uso en el desarrollo de nuevos materiales. Por ejemplo, para identificar posibles distorsiones y límites de grano en capas 2D, hay que cartografiarlas con precisión. Además, los investigadores apilan monocapas de materiales 2D unas sobre otras para crear "estructuras de van der Waals" que pueden exhibir propiedades completamente nuevas e interesantes. Lo ideal sería que esta estratificación pudiera observarse en directo al microscopio y que se visualizara la orientación de cada una de las capas. El desarrollo de estas capacidades para el hBN es, por tanto, muy deseable.

El microscopio de suma de frecuencias

El equipo de investigadores del Instituto Fritz Haber ha superado este reto gracias a un microscopio desarrollado recientemente que utiliza un truco de óptica no lineal para hacer visible el hBN, un material que de otro modo sería invisible. Su método, denominado "microscopía de suma de frecuencias con resolución de fase", mezcla dos rayos láser, uno en el infrarrojo medio y otro en el rango visible, para generar una señal de suma de frecuencias en la muestra que se mide. Al conducir resonantemente la vibración de una red de hBN, la señal de suma de frecuencias medida se vuelve muy intensa, lo que no sólo permite obtener imágenes de grandes áreas de muestra de 100 × 100 μm2 en menos de 1 s, sino incluso visualizar la orientación del cristal.

Gracias a su nuevo microscopio, los investigadores revelaron que las capas 2D de hBN que crecen en dominios triangulares muestran bordes en zigzag terminados en nitrógeno. Además, la elevada no linealidad observada en el rango de frecuencias de la resonancia vibracional destaca al hBN monocapa como un material prometedor para la conversión ascendente de frecuencias -del infrarrojo al visible- en nuevos dispositivos optoelectrónicos.

Fructífera cooperación entre dos departamentos del FHI y socios internacionales

Este estudio es un testimonio de la filosofía de investigación altamente colaborativa del Instituto Fritz Haber, que combina la experiencia de múltiples grupos de investigación de sus diferentes departamentos, así como de sus numerosos socios internacionales, en proyectos conjuntos para abordar los principales retos de la ciencia. Las muestras de monocapas de hBN se sintetizaron en la Universidad de Vanderbilt y posteriormente se analizaron mediante microscopía de suma frecuencia en el Departamento de Química Física del Instituto Fritz Haber. Para apoyar la caracterización avanzada de las muestras, los socios colaboradores del Departamento de Física de la Universidad Libre de Berlín registraron imágenes de microscopía de fuerza atómica (AFM). Por último, la incorporación de los conocimientos del Departamento de Teoría del Instituto Fritz Haber permitió extraer los detalles cristalográficos.

Perspectivas del nuevo método experimental

El microscopio recién desarrollado ofrece claras ventajas sobre otros métodos existentes. En primer lugar, puede hacer visibles materiales ópticamente transparentes en un microscopio óptico. Las imágenes resultantes tienen un contraste mucho mayor que las tradicionales de AFM, y el uso de la mejora de la resonancia vibracional permite obtener "imágenes en vivo" del hBN, incluida información en línea sobre su orientación cristalina. Estas capacidades avanzadas hacen factible la fabricación controlada de estructuras van der Waals estratificadas en aplicaciones futuras. Por último, los autores también prevén la ampliación de esta nueva herramienta de imagen como método no invasivo y libre de etiquetas para estudiar una gama más amplia de materiales 2D apilados, así como sus combinaciones con ensamblajes moleculares anisótropos.