Los científicos de la Universidad de Rice calculan que la película de boro de un átomo de espesor conocida como borofeno podría ser el primer material bidimensional puro naturalmente capaz de emitir luz visible e infrarroja cercana mediante la activación de sus plasmones. El equipo de Rice probó modelos de tres polimorfos y encontró que el borofeno triangular, a la izquierda era capaz de emitir luz visible, mientras que los otros dos alcanzaron el infrarrojo cercano. Crédito:Sharmila Shirodkar
Una película de boro de un átomo de espesor podría ser el primer material bidimensional puro capaz de emitir luz visible e infrarroja cercana activando sus plasmones. según los científicos de la Universidad de Rice.
Eso haría que el material conocido como borofeno sea un candidato para dispositivos plasmónicos y fotónicos como sensores de biomoléculas, guías de ondas, recolectores de luz a nanoescala y nanoantenas.
Los plasmones son excitaciones colectivas de electrones que fluyen a través de la superficie de los metales cuando se activan por una entrada de energía, como luz láser. Significativamente, entregar luz a un material plasmónico en un color (determinado por la frecuencia de la luz) puede provocar la emisión de luz en otro color.
Los modelos del físico teórico de Rice Boris Yakobson y sus colegas predicen que el borofeno sería el primer material 2-D conocido en hacerlo de forma natural. sin modificaciones.
Las simulaciones del laboratorio se detallan en un artículo de Yakobson con los autores principales Yuefei Huang, un estudiante graduado, y Sharmila Shirodkar, un investigador postdoctoral, en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .
El boro es un semiconductor en tres dimensiones pero un metal en forma bidimensional. Eso llevó al laboratorio a analizar su potencial para la manipulación plasmónica.
"Esto fue algo anticipado, pero tuvimos que hacer un trabajo cuidadoso para probarlo y cuantificarlo, "dijo Yakobson, cuyo laboratorio a menudo predice posibles materiales que los experimentadores fabrican más tarde, como el borofeno o el buckyball de boro. Con sus colegas Evgeni Penev, profesor asistente de investigación en Rice, y ex alumno Zhuhua Zhang, Recientemente publicó una extensa revisión del estado de la investigación del boro.
De izquierda a derecha:Yuefei Huang, Boris Yakobson y Sharmila Shirodkar. Crédito:Jeff Fitlow
En el nuevo estudio, los investigadores utilizaron una técnica de modelado computacional llamada teoría funcional de la densidad para probar el comportamiento plasmónico en tres tipos de borofeno independiente. La estructura cristalina básica del material es una cuadrícula de triángulos; piense en el grafeno, pero con un átomo extra en el medio de cada hexágono.
El laboratorio estudió modelos de borofeno simple y dos polimorfos, sólidos que incorporan más de una estructura cristalina que se forman cuando se eliminan algunos de esos átomos intermedios. Sus cálculos mostraron que el borofeno triangular tenía las frecuencias de emisión más amplias, incluida la luz visible, mientras que los otros dos alcanzaron el infrarrojo cercano.
"No tenemos suficientes datos experimentales para determinar qué mecanismos contribuyen en qué medida a las pérdidas en estos polimorfos, pero anticipamos e incluimos la dispersión de plasmones contra defectos y la excitación de electrones y huecos que conducen a su amortiguación, "Dijo Shirodkar.
Los investigadores dijeron que sus resultados presentan la interesante posibilidad de manipular datos en longitudes de onda de subdifracción.
"Si tiene una señal óptica con una longitud de onda mayor que un circuito electrónico de unos pocos nanómetros, hay un desajuste, ", dijo." Ahora podemos usar la señal para excitar plasmones en el material que empaquetan la misma información (transportada por la luz) en un espacio mucho más pequeño. Nos da una forma de exprimir la señal para que pueda entrar en el circuito electrónico ".
"Resulta que eso es importante porque, Mas o menos, puede mejorar la resolución 100 veces, en algunos casos, "Dijo Yakobson." La resolución está limitada por la longitud de onda. Al usar plasmones, puede almacenar información o escribir en un material a una resolución mucho mayor debido a la contracción de la longitud de onda. Esto podría tener grandes beneficios para el almacenamiento de datos ".
Los experimentales han fabricado borofeno solo en cantidades muy pequeñas hasta ahora y carecen de métodos para transferir el material de las superficies en las que crece. Dijo Yakobson. Todavía, hay mucho que estudiar para los científicos teóricos y mucho progreso en los laboratorios.
"Uno debe explorar otros polimorfos y buscar el mejor, "Sugirió Yakobson." Aquí, nosotros no lo hicimos. Solo consideramos tres porque es un trabajo bastante pesado, pero otros necesitan ser evaluados antes de saber qué se puede lograr ".
