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Mejorado un nuevo material clave para la optoelectrónica del futuro

Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid, el CSIC y la Universidad de Alabama han logrado perfeccionar las propiedades luminiscentes del disulfuro de molibdeno. Este novedoso material bidimensional podría mejorar las aplicaciones ópticas de la próxima generación de dispositivos electrónicos.

Imagen de microscopía electrónica de un copo de MoS2 cubierto con nanopartículas y simulación del campo eléctrico en un sistema zafiro/MoS2/nanopartícula de galio. / UAM

Durante la última década, distintos grupos de investigación se han focalizado en el estudio de materiales bidimensionales alternativos al grafeno que posean una propiedad de la que este carece: la emisión de luz.

El disulfuro de molibdeno (MoS2) es un semiconductor que, al igual que el grafeno, puede sintetizarse fácilmente en monocapas atómicas, pero que además tiene una alta conductividad eléctrica y la capacidad para emitir luz en el rojo.

Esto lo convierte en un fuerte rival del grafeno, y en un candidato ideal para mejorar las aplicaciones ópticas en dispositivos optoelectrónicos como diodos emisores de luz, fotodetectores, transistores, células fotovoltaicas e incluso biosensores. Sin embargo, debido al espesor atómico del disulfuro de molibdeno (0.65 nm), su absorción de la luz del es baja y la luz que emite es débil.

El disulfuro de molibdeno es un fuerte rival del grafeno y podría mejorar las aplicaciones ópticas en los futuros dispositivos electrónicos

Ahora, investigadores del Grupo de Electrónica y Semiconductores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), en colaboración con la Universidad de Alabama y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), han desarrollado un método que permite mejorar hasta cinco veces la luminiscencia nativa del disulfuro de molibdeno.

La ayuda de nanopartículas de galio

La estrategia se basa en el uso de nanopartículas de galio (Ga), un metal líquido a 30ºC que en forma de nanopartícula presenta propiedades únicas para mejorar la absorción de la luz, gracias a las oscilaciones colectivas de sus electrones (conocidas como plasmones). Este efecto óptico se ha utilizado como un refuerzo para mejorar la luminiscencia del disulfuro de molibdeno.

“Los plasmones de las nanopartículas actúan como si de antenas se tratasen, produciendo un aumento del campo eléctrico muy localizado en sus alrededores, permitiendo que el material bidimensional sea más eficiente en su emisión de luz”, explican los autores.

El trabajo, publicado en la revista Nanoscale Advances, no sólo demuestra una mejora experimental del rendimiento óptico del disulfuro de molibdeno. También analiza su origen por medio de láseres de distinta energía y mapas microscópicos de luminiscencia.

Resonancia plasmónica e inyección de electrones

“El origen de la mejora de la luminiscencia es una combinación de dos factores: la sintonización de la resonancia plasmónica con la energía del láser y la inyección de electrones desde las nanopartículas de Ga hacia el disulfuro de molibdeno”, detallan los autores.

Los investigadores además inciden en la sencillez del método. De hecho, las nanopartículas de galio se depositan mediante evaporación térmica, una técnica de un único paso, rápida y aplicable a nivel industrial.

Aunque aún existe margen de mejora y quedan muchas investigaciones por realizar, este trabajo supone una prueba de concepto que indica los pasos a seguir en investigaciones venideras para optimizar las propiedades ópticas, no sólo del disulfuro de molibdeno, sino de otros materiales bidimensionales.

Referencia bibliográfica:

S. Catalán-Gómez, S. Garg, A. Redondo-Cubero, N. Gordillo, A. de Andrés, F. Nucciarelli, S. Kim, P. Kung, J. L. Pau. "Photoluminescence enhancement of monolayer MoS2 using plasmonic gallium nanoparticles". Nanoscale Advances 1, 884-893 (2019). DOI: 10.1039/C8NA00094H.

Fuente: UAM
Derechos: Creative Commons

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