La capacidad de los materiales metálicos o semiconductores para absorber, Reflejar y actuar sobre la luz es de primordial importancia para los científicos que desarrollan optoelectrónica, dispositivos electrónicos que interactúan con la luz para realizar tareas. Los científicos de la Universidad de Rice han producido un método para determinar las propiedades de materiales delgados como átomos que prometen refinar la modulación y manipulación de la luz.

Los materiales bidimensionales han sido un tema de investigación candente desde el grafeno, una red plana de átomos de carbono, fue identificado en 2001. Desde entonces, los científicos se han apresurado a desarrollar ya sea en teoría o en el laboratorio, nuevos materiales 2-D con una gama de ópticas, Propiedades físicas y electrónicas.

Hasta ahora, han carecido de una guía completa de las propiedades ópticas que ofrecen esos materiales como reflectores ultrafinos, transmisores o absorbentes.

El laboratorio de Rice de teórico de materiales Boris Yakobson aceptó el desafío. Yakobson y sus coautores, estudiante de posgrado y autora principal Sunny Gupta, la investigadora postdoctoral Sharmila Shirodkar y el científico investigador Alex Kutana, utilizó métodos teóricos de vanguardia para calcular las propiedades ópticas máximas de 55 materiales 2-D.

"Lo importante ahora que entendemos el protocolo es que podemos usarlo para analizar cualquier material 2-D, ", Dijo Gupta." Este es un gran esfuerzo computacional, pero ahora es posible evaluar cualquier material a un nivel cuantitativo más profundo ".

Su trabajo, que aparece este mes en la revista American Chemical Society ACS Nano , detalla la transmitancia de las monocapas, absorbancia y reflectancia, propiedades que colectivamente denominaron TAR. A nanoescala, la luz puede interactuar con los materiales de formas únicas, provocando interacciones electrón-fotón o activando plasmones que absorben luz en una frecuencia y la emiten en otra.

La manipulación de materiales 2-D permite a los investigadores diseñar dispositivos cada vez más pequeños, como sensores o circuitos impulsados ​​por luz. Pero primero ayuda saber qué tan sensible es un material a una determinada longitud de onda de luz, de infrarrojos a colores visibles a ultravioleta.

"Generalmente, la sabiduría común es que los materiales 2-D son tan delgados que deberían parecer esencialmente transparentes, con reflexión y absorción insignificantes, ", Dijo Yakobson." Sorprendentemente, descubrimos que cada material tiene una firma óptica expresiva, con una gran parte de la luz de un color particular (longitud de onda) absorbida o reflejada ".

Los coautores anticipan que los dispositivos fotodetectores y moduladores y los filtros polarizadores son posibles aplicaciones para materiales 2-D que tienen propiedades ópticas direccionalmente dependientes. "Los revestimientos multicapa pueden proporcionar una buena protección contra la radiación o la luz, como de los láseres, "Dijo Shirodkar." En el último caso, Es posible que se necesiten películas heteroestructuradas (de múltiples capas), recubrimientos de materiales complementarios. Mayores intensidades de luz podrían producir efectos no lineales, y contabilizarlos sin duda requerirá más investigación ".

Los investigadores modelaron tanto pilas 2-D como capas individuales. "Las pilas pueden ampliar el rango espectral o generar nuevas funciones, como polarizadores, ", Dijo Kutana." Podemos pensar en usar patrones de heteroestructura apilados para almacenar información o incluso para criptografía ".

Entre sus resultados, los investigadores verificaron que las pilas de grafeno y borofeno son altamente reflectantes de la luz del infrarrojo medio. Su descubrimiento más sorprendente fue que un material hecho de más de 100 capas de boro de un solo átomo, que aún tendría un grosor de solo 40 nanómetros, reflejaría más del 99 por ciento de la luz del infrarrojo al ultravioleta. superando al grafeno dopado y la plata a granel.

Hay un beneficio secundario que también encaja con la sensibilidad artística de Yakobson. "Ahora que conocemos las propiedades ópticas de todos estos materiales, los colores que reflejan y transmiten cuando son golpeados por la luz, podemos pensar en hacer vidrieras de estilo Tiffany a nanoescala, ", dijo." ¡Eso sería fantástico! "