Estrés y tensión, aplicado de la manera correcta, a veces puede producir resultados sorprendentes.

Eso es lo que los investigadores, dirigido por un equipo del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación de UC Berkeley, descubrió acerca de un material semiconductor emergente, el fósforo negro (BP), que se utiliza para fabricar dos tipos de dispositivos optoelectrónicos:diodos emisores de luz (LED) y fotodetectores.

Bajo tensión mecánica, Se puede inducir a BP para que emita o detecte luz infrarroja (IR) en un rango de longitudes de onda deseables:2,3 a 5,5 micrómetros, que abarca el IR de onda corta a media, y para hacerlo de manera reversible a temperatura ambiente, según los autores del estudio Ali Javey, Catedrático Distinguido de Lam Research en Procesamiento de Semiconductores y profesor de ingeniería eléctrica, y el becario postdoctoral Hyungjin Kim. Javey también es científico senior de la facultad del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Sus hallazgos son significativos no solo por la capacidad de alcanzar estas longitudes de onda, Javey y Kim dijeron:pero hacerlo de forma sintonizada y en un solo dispositivo. La tecnología actual requeriría múltiples dispositivos voluminosos y diferentes materiales semiconductores para lograr resultados similares.

Describieron sus hallazgos en Naturaleza .

Javey y Kim dijeron que la capacidad de utilizar un rango más amplio del espectro IR, sintonizable dentro de un dispositivo, podría ayudar a satisfacer la creciente demanda de aplicaciones en comunicaciones ópticas, imagen térmica, vigilancia de la salud, espectroscopia, detección química y más. Para demostrar esta flexibilidad, los investigadores utilizaron uno de sus nuevos dispositivos para detectar múltiples gases.

El equipo dirigido por Berkeley descubrió que usar capas delgadas de BP en dispositivos optoelectrónicos y someterlos a diversos grados de tensión da como resultado longitudes de onda de salida sintonizables reversiblemente en un rango inesperadamente grande. La longitud de onda de salida de BP y otros materiales semiconductores es una propiedad conocida como banda prohibida.

El rango espectral sobre el que puede operar un dispositivo optoelectrónico está determinado en gran medida por la banda prohibida de su material semiconductor. Se pueden utilizar diferentes enfoques para lograr la longitud de onda operativa deseada para una aplicación determinada. Por ejemplo, Se pueden utilizar aleaciones (materiales de composición variable) y deformaciones para ajustar la banda prohibida. Si bien estos enfoques son realmente efectivos, dan como resultado dispositivos con longitudes de onda operativas fijas.

"En nuestro trabajo, podemos cambiar activamente la banda prohibida del fósforo negro de modo que un solo fotodetector o LED pueda cambiar sus longitudes de onda operativas dentro, aproximadamente, el rango de dos a cinco micrómetros, "Dijo Kim.

"Podemos ir y venir tantas veces como queramos, "Kim dijo sobre las longitudes de onda sintonizables reversiblemente de los dispositivos basados ​​en BP. Explotan las propiedades" mágicas "de BP, él dijo, específicamente, su banda prohibida cambia bajo tensión, que es mucho más grande que los observados con materiales semiconductores convencionales.

"Hay innovación en el dispositivo en sí, "Javey dijo, "pero el material que estamos usando, fósforo negro, también tiene propiedades inherentemente únicas [banda prohibida y sensibilidad a la tensión], y estamos combinando esas dos características clave ".

El fósforo negro es un material bidimensional como el grafeno. En un proceso llamado exfoliación, Los investigadores utilizan cinta adhesiva para levantar capas del material delgadas en nanómetros, que luego se transfiere a un sustrato de polímero flexible, en este caso polietilen tereftalato de glicol (PETG).

"Porque es mecánicamente flexible, podemos doblarlo a un radio deseado y aplicar tensión de manera controlada a BP, "Dijo Kim. Es decir, la flexión se convierte en un mando eficaz para modular la banda prohibida de BP.

En efecto, debido a su estructura de celosía arrugada, Kim dijo, BP muestra propiedades únicas dependientes de la cepa que, además de bandgap, incluyen la interacción sintonizable de van der Waals y la piezoelectricidad. La deformación se puede aplicar a BP de manera reversible debido a su naturaleza de membrana delgada, él dijo.

En una aplicación los investigadores utilizaron una técnica llamada detección de gas IR no dispersiva. Debido a que cada gas tiene su propia banda de absorción, es decir, la cantidad de luz que absorbe en una longitud de onda específica; un LED IR sintonizable con un rango de longitud de onda de salida suficiente podría detectar, por ejemplo, dióxido de carbono expulsado por la respiración humana. Eso es porque el gas absorbe la luz alrededor de 4,3 micrómetros, dentro del rango del dispositivo de 2,3 a 5,5 micrómetros. Otros gases detectables con LED BP sintonizables incluyen el metano y el agua.

Una aplicación para los fotodetectores de BP podría ser la termografía. Podría ser usado, por ejemplo, en gafas de visión nocturna para detectar cualquier fuente de calor exotérmica como cuerpos humanos. Dichos fotodetectores sintonizables serían capaces de obtener imágenes térmicas selectivas en un rango de longitudes de onda IR.

Desde el punto de vista de los materiales, hay mucho interés en identificar nuevos semiconductores que sean más eficientes en este rango de longitud de onda, Dijo Javey. "Fue entonces cuando comenzamos a mirar el fósforo negro porque ya se sabía que tenía un intervalo de banda que se superpone con el IR de longitud de onda media. A partir de ahí, vimos cómo podemos construir dispositivos eficientes como LED y fotodetectores usando este material. Pero, ¿qué es? Lo nuevo aquí es la sintonización, que puede sintonizar activamente el dispositivo con tensión en un amplio rango de longitudes de onda ".

Avanzando Javey dijo, "Creo que este concepto de dispositivo se puede aplicar a otras partes del espectro, quizás incluso fabricando dispositivos que pudieran operar en el régimen visible. Eso podría permitir nuevos tipos de pantallas, por ejemplo, si estos conceptos y materiales se pueden incorporar en un fabricable, forma escalable, con dispositivos electromecánicos miniaturizados ".