La capacidad que tiene los materiales metálicos o semiconductores para absorber, reflejar y actuar sobre la luz es fundamental para los científicos que desarrollan dispositivos optoelectrónicos. Investigadores de la Universidad de Rice han logrado establecer un nuevo método para determinar las propiedades de materiales con espesores a escala atómica que promete redefinir la modulación y manipulación de la luz.

Los materiales bidimensionales han sido un tema de investigación estrella desde que el grafeno fue identificado en 2001. Desde entonces, los científicos han competido para desarrollar, ya sea en teoría o en el laboratorio, novedosos materiales 2D con un rango óptico, y diferentes propiedades electrónicas y físicas.

Hasta ahora, estas investigaciones carecían de una guía completa de las propiedades ópticas que ofrecen estos materiales como ultradelgados reflectores, transmisores o absorbedores de luz.  

El laboratorio de materiales del profesor Boris Yokobson recogió el guante, y junto con los coautores Suny Gupta, Sharmila Shirodkar y Alex Kutana, utilizaron métodos teóricos de última generación para calcular las propiedades ópticas de 55 materiales 2D.

“Lo importante ahora que entendemos el protocolo es que puede ser usado para analizar materiales 2D”, declaró Gupta. “Este es un gran esfuerzo computacional, pero ahora es posible evaluar cualquier material a un nivel cuantitativo más profundo”.

El trabajo, que apareció el mes septiembre en la revista ACS NANO de la American Chemical Society, detalla la transmitancia, absorbancia y reflectancia de las monocapas, propiedades que colectivamente denominaron TAR. A escala nanométrica, la luz puede interactuar con los materiales de maneras únicas, lo que provoca interacciones electrón-fotón o desencadena plasmones que absorben luz en una frecuencia y la emiten en otra.

La manipulación de materiales 2D permite a los investigadores diseñar dispositivos cada vez más pequeños, como sensores o circuitos de luz. Pero en un primer momento ayuda a saber qué tan sensible es un material a una determinada longitud de onda de la luz, desde el infrarrojo a colores visibles y el ultravioleta.

“Generalmente, la creencia común es que los materiales 2D son tan delgados que deberían parecer esencialmente transparentes, con una reflexión y absorción insignificantes” dice Yakobson. “Sorprendentemente, encontramos que cada material tiene una expresiva firma óptica, con una gran porción de luz de un color particular (longitud de onda) que se absorbe o se refleja”.

Los autores anticipan que los dispositivos de fotodetección y modulación, así como los filtros de polarización son posibles aplicaciones de estos materiales 2D que tienen propiedades ópticas dependientes de la dirección. “Los recubrimientos multicapa podrían proporcionar una buena protección contra la radiación o la luz, como los rayos láser”, añade Shirodkar. “En este último caso, pueden ser necesarias capas heteroestructuras (multicapa), con un recubrimiento complementario de materiales. Grandes intensidades de luz puede producir efectos no lineales, y para comprender estos se necesita una mayor investigación”

Los investigadores modelaron pilas de capas 2D, así como capas individuales. “Las agrupaciones de capas pueden ampliar el rango espectral o generar nuevas funcionalidades, como los polarizadores”, dice Kutana. “Podemos pensar en el uso de patrones de heteroestructuras apiladas que sirvan para almacenar información o incluso para la criptografía”.

Entre los resultados conseguidos, los investigadores verificaron que agrupamientos de grafeno y boropheno son altamente reflectantes de la luz en el infrarrojo medio. El descubrimiento más sorprendente fue que un material compuesto por más de 100 capas de boro de un solo átomo – que en conjunto solo sería un grosor de 40 nanómetros – reflejaría más del 99% de la luz del infrarrojo al ultravioleta, superando al  grafeno dopado y la plata a granel.

“Ahora que conocemos las propiedades ópticas de estos materiales – los colores que reflejan y transmiten al ser impactados por la luz – podemos pensar en hacer vidrieras estilo Tiffany a nanoescala”.

Créditos imágen portada: Yakobson Research Group/Rice University