Encontrar nuevos materiales semiconductores que emitan luz es fundamental para desarrollar una amplia gama de dispositivos electrónicos. Pero hacer estructuras artificiales que emitan luz a la medida de nuestras necesidades específicas es una propuesta aún más atractiva. Sin embargo, La emisión de luz en un semiconductor solo ocurre cuando se cumplen ciertas condiciones. Hoy dia, investigadores de la Universidad de Ginebra (UNIGE), Suiza, 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 juntos, estos cristales atómicamente delgados son capaces de formar estructuras que emiten luz personalizable en el color deseado. Esta investigación, publicado en la revista Materiales de la naturaleza , marca un paso importante hacia la futura industrialización de materiales bidimensionales.

Los materiales semiconductores capaces de emitir luz se utilizan en sectores tan diversos como las telecomunicaciones, dispositivos emisores de luz (LED) y diagnósticos médicos. La emisión de luz ocurre cuando un electrón salta dentro del semiconductor desde un nivel de energía más alto a un nivel más bajo. Es la diferencia de energía la que determina el color de la luz emitida. Para que se produzca luz, la velocidad del electrón antes y después del salto debe ser exactamente la misma, una condición que depende del material semiconductor específico considerado. Solo algunos semiconductores se pueden utilizar para la emisión de luz:por ejemplo, El silicio, que se utiliza para fabricar nuestras computadoras, no se puede utilizar para fabricar LED.

"Nos preguntamos si se podrían utilizar materiales bidimensionales para hacer estructuras que emitan luz con el color deseado, "explica Alberto Morpurgo, profesor del Departamento de Física de la Materia Cuántica, en la Facultad de Ciencias de UNIGE. Los materiales bidimensionales son cristales perfectos que, como el grafeno, tienen uno o unos pocos átomos de espesor. Gracias a los avances técnicos recientes, Se pueden apilar diferentes materiales bidimensionales uno encima del otro para formar estructuras artificiales que se comportan como semiconductores. La ventaja de estos "semiconductores artificiales" es que los niveles de energía se pueden controlar seleccionando la composición química y el espesor de los materiales que componen la estructura.

"Los semiconductores artificiales de este tipo se fabricaron 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

"Nuestro objetivo era lograr combinar diferentes materiales bidimensionales para emitir luz sin tener limitaciones, "prosigue el profesor Morpurgo. Los físicos pensaban que, si pudieran encontrar una clase de materiales donde la velocidad de los electrones antes y después del cambio en el nivel de energía fuera cero, sería un escenario ideal que siempre cumpliera las condiciones para la emisión de luz, independientemente de los detalles de las celosías cristalinas y su orientación relativa.

Un gran número de semiconductores bidimensionales conocidos tienen una velocidad de electrones cero en los niveles de energía relevantes. 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 necesarios para implementarlo, "agrega el profesor Vladimir Fal'ko de la Universidad de Manchester. Los materiales que se utilizaron en la investigación incluyeron varios dicalcogenuros de metales de transición (como MoS2, MoSe2 y WS2) e 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.

Luz a medida para la industrialización masiva

"La gran ventaja de estos materiales 2-D, gracias a que no existen más condiciones previas para la emisión de luz, es que proporcionan nuevas estrategias para manipular la luz como mejor nos parezca, con la energía y el color que queremos tener, "continúa Ubrig. Esto significa que es posible idear aplicaciones futuras a nivel industrial, dado que la luz emitida es robusta y ya no hay necesidad de preocuparse por la alineación de los átomos.