La nanofotónica considera cómo la luz y la materia a nanoescala interactúan entre sí, siendo los hallazgos en el campo importantes para las técnicas de nanofabricación y en futuros dispositivos fotónicos. Hasta hace poco, Las nanopartículas metálicas se han utilizado predominantemente en dispositivos nanofotónicos. Sin embargo, hoy en día Se están considerando materiales semiconductores como el silicio para las nanopartículas.

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (TU / e) y la Universidad de Kyoto han publicado dos artículos clave en relación con las configuraciones nanofotónicas basadas en silicio. Con motivo del Día Internacional de la Luz 2020, un papel, publicado en la revista Fotónica ACS , ha sido seleccionado como uno de los mejores trabajos en el campo de la fotónica durante el año pasado.

El campo de la nanofotónica considera la interacción de las nanopartículas con la luz cuando el tamaño de las nanopartículas es aproximadamente el mismo que la longitud de onda de la luz. El control de esta llamada respuesta resonante puede tener implicaciones positivas para el desarrollo de nuevas técnicas de nanofabricación y para aplicaciones prácticas como mejorar la eficiencia de las células solares y los LED y las sensibilidades de los fotodetectores.

Enfoque cambiado al silicio

Históricamente, la comunidad nanofotónica empleó nanopartículas metálicas, donde las cargas libres en las partículas oscilan después de la interacción con el campo eléctrico de la onda electromagnética entrante (luz). En años recientes, el foco se ha desplazado a nanopartículas hechas de materiales semiconductores, como el silicio, donde la luz interactúa con los electrones unidos al átomo, a diferencia de los cargos gratuitos. En cuanto a las nanopartículas metálicas, las interacciones entre la luz y las nanopartículas semiconductoras pueden manifestar una respuesta oscilatoria o resonante.

Investigadores del Instituto de Integración Fotónica (IPI) y del Departamento de Física Aplicada que dirige el Prof.Jaime Gómez Rivas, en colaboración con la Universidad de Kioto, están investigando activamente el uso de nanoestructuras semiconductoras para nanofotónica. Recientemente, publicaron dos hallazgos clave en las revistas Materiales ópticos avanzados y Fotónica ACS .

Fuerte acoplamiento entre materiales orgánicos y nanopartículas de silicio

Una nueva vía de investigación se relaciona con el régimen de acoplamiento fuerte, donde las interacciones entre la luz y los materiales de nanopartículas son lo suficientemente fuertes como para cambiar las propiedades fundamentales del material. De hecho, se produce una hibridación en la que la materia adquiere algunas propiedades de la luz y la luz adquiere algunas de las propiedades de la materia. Cuando se utilizan materiales orgánicos en dispositivos optoelectrónicos, una cuestión clave es la degradación de los materiales cuando se iluminan y la corta distancia sobre la que se pueden propagar las cargas. Un fuerte acoplamiento ayudaría a limitar estos efectos negativos.

En su primer artículo, que se publica en Fotónica ACS , Gabriel Castellanos y sus colaboradores lograron un fuerte acoplamiento de oscilaciones eléctricas y magnéticas entre materiales orgánicos y matrices de nanopartículas de silicio policristalino. Este hallazgo allana el camino para el uso de materiales a base de silicio en dispositivos orgánicos optoelectrónicos, lo que podría conducir a un rendimiento mejorado. Con motivo del Día Internacional de la Luz (16 de mayo de 2020), este artículo fue seleccionado por la revista Fotónica ACS , que es publicado por la American Chemical Society, como uno de los 24 artículos más relevantes en el campo de la fotónica entre mayo de 2019 y mayo de 2020.

Emisión de luz mejorada

En el segundo artículo, Shunsuke Murai y sus colaboradores demostraron que las matrices regulares de nanopartículas de silicio policristalino (de diferentes formas y tamaños) que se acoplan entre sí pueden aislar oscilaciones eléctricas y magnéticas. Como resultado, cuando las moléculas de tinte están cerca de las matrices, un acoplamiento más fuerte entre las moléculas de colorante y las matrices de nanopartículas de silicio da como resultado una mayor emisión de luz de las moléculas. Por ejemplo, se observa una mejora de 20 veces en ciertas direcciones cuando se acopla al campo eléctrico de las matrices de nanopartículas, mientras que se obtiene una mejora de cinco veces cuando hay acoplamiento con el campo magnético. Esto puede tener implicaciones para el diseño de futuros LED.