Encontrar nuevos materiales semiconductores que emitan luz es esencial para desarrollar un amplia gama de dispositivos electrónicos. Pero hacer estructuras artificiales que emitan luz adaptadas a nuestras necesidades específicas es una propuesta aún más atractiva. Sin embargo, la emisión de luz en un semiconductor sólo se produce cuando se cumplen ciertas condiciones. Investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE), en colaboración con la Universidad de Manchester, han descubierto toda una clase de materiales bidimensionales que tienen el grosor de uno o unos pocos átomos. Cuando se combinan entre sí, estos cristales atómicamente finos son capaces de formar estructuras que emiten luz personalizable en el color deseado. La investigación, publicada en la revista Nature Materials, marca un importante paso hacia la futura industrialización de los materiales bidimensionales.
Los materiales semiconductores capaces de emitir luz se utilizan en diversos sectores más allá de la iluminación en LEDs, utilizándose también en las telecomunicaciones o el desarrollo de diagnósticos médicos. La emisión de luz se produce cuando un electrón salta dentro del semiconductor de un nivel de energía más alto a un nivel más bajo. Es la diferencia de energía lo que determina el color de la luz emitida. Para que se produzca la luz, la velocidad del electrón antes y después del salto debe ser exactamente la misma, condición que depende del material semiconductor específico considerado. Sólo algunos semiconductores pueden ser utilizados para la emisión de luz: por ejemplo, el silicio – utilizado para fabricar nuestros ordenadores – no puede ser empleado por sí solo para la fabricación de LEDs.
“Nos preguntamos si los materiales bi-dimensionales podrían utilizarse para hacer estructuras que emitan luz en un color deseado”, explica Alberto Morpurgo, profesor del Departamento de Física de la Materia Cuántica de la Facultad de Ciencias de la UNIGE. Los materiales bidimensionales son cristales perfectos que, como el grafeno, tienen uno o pocos átomos de espesor. Gracias a los recientes avances técnicos, diferentes materiales bidimensionales pueden apilarse unos sobre otros para formar estructuras artificiales que se comportan como semiconductores. La ventaja de estos “semiconductores artificiales” es que los niveles de energía pueden ser controlados seleccionando la composición química y el grosor de los materiales que componen la estructura.
“Semiconductores artificiales de este tipo se hicieron por primera vez hace solo dos o tres años”, explica Nicolas Ubrig, investigador del equipo dirigido por el profesor Morpurgo. “Cuando los materiales bidimensionales tienen exactamente la misma estructura y sus cristales están perfectamente alineados, este tipo de semiconductor artificial puede emitir luz. Pero es muy raro. Estas condiciones son tan estrictas que dejan poca libertad para controlar la luz emitida”.
Luz personalizada y a medida
Con el objetivo de conseguir emitir luz sin restricciones a partir de la combinación de diferentes materiales bidimensionales, los físicos evaluaron sin podían encontrar una clase de material en el que las velocidades de los electrones antes y después del cambio de nivel de energía fuera cero, ya que sería una escenario ideal que siempre cumpliría las condiciones para la emisión de luz, independientemente de los detalles de las redes cristalinas y su orientación relativa.
Un gran número de semiconductores bidimensionales conocidos tienen una velocidad de electrones cero en los niveles de energía pertinentes. Gracias a esta diversidad de compuestos, se pueden combinar muchos materiales diferentes, y cada combinación es un nuevo semiconductor artificial que emite luz de un color específico.
“Una vez que tuvimos la idea, fue fácil encontrar los materiales a utilizar para llevarla a cabo”, afirma el profesor Vladimir Fal’ko de la Universidad de Manchester. Entre los materiales que se utilizaron en la investigación se encontraban varios dicalcogenuros de metales de transición (como el MoS2, el MoSe2 y el WS2) y el InSe. Se han identificado otros posibles materiales que serán útiles para ampliar la gama de colores de la luz emitida por estos nuevos semiconductores artificiales.
“La gran ventaja de estos materiales 2D, gracias a que ya no hay condiciones previas para la emisión de luz, es que proporcionan nuevas estrategias para manipular la luz como nos parezca, con la energía y el color que queremos tener”, continúa Ubrig. “Esto significa que es posible concebir futuras aplicaciones a nivel industrial, ya que la luz emitida es robusta y ya no hay que preocuparse por la alineación de los átomos”.
Créditos de imagen: “Vista artística de una unión de diferentes materiales emisores de luz en 2D.” © Xavier Ravinet
