Un nuevo dispositivo hecho de nano-láminas de paladio y de disulfuro de molibdeno mejora su respuesta optoelectrónica en el rango infrarrojo gracias al enlace covalente entre los dos materiales 2D. La investigación ha sido desarrollada por científicos en el instituto IMDEA Nanociencia, el INMA-Zaragoza, el ICMM y la Fundación ARAID.
Combinar lo mejor de diferentes cristales para obtener el material definitivo es el lema que impulsa la investigación de materiales en dos dimensiones (2D). Las estructuras 2D se construyen típicamente por deposición atómica y se unen débilmente entre sí por interacciones de van der Waals. En los últimos años, se ha introducido un enfoque alternativo para crear estructuras 2D robustas, que implica la unión química de nano-láminas de distintos materiales. Ahora, los investigadores están aprovechando esta técnica para crear dispositivos mejorados con una respuesta optoelectrónica más rica.
En una reciente colaboración entre los institutos IMDEA Nanociencia, INMA-Zaragoza, ICMM y la Fundación ARAID, investigadores en estos centros de investigación han sintetizado y caracterizado una estructura 2D compuesta por nano-láminas de paladio y disulfuro de molibdeno (MoS2). El MoS2 es uno de los materiales 2D más populares debido a su fácil exfoliación y sus excelentes propiedades optoelectrónicas. Presenta una banda de energía prohibida (bandgap) bien definida en su tipo 2H (una de las estructuras cristalinas que puede adoptar este semiconductor) y una buena capacidad de absorber luz (absorbancia) en el rango visible del espectro. Sin embargo, una limitación notable del MoS2 es su pobre absorbancia en el infrarrojo. La capacidad de detección óptica de banda ancha, especialmente desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano, es fundamental para aplicaciones que incluyen monitoreo médico, imágenes de vídeo o comunicaciones ópticas.
En nuestro último trabajo hemos combinado MoS2 con nanoláminas de paladio para crear estructuras 2D con detección de banda ancha que proporcionan absorbancia en el infrarrojo. El prototipo del dispositivo, que consiste en una sola capa de MoS2 funcionalizada covalentemente con nanoláminas de paladio, mostró una respuesta optoelectrónica mejorada, tanto en términos de anchura como de intensidad, en comparación con una estructura basada en interacciones de van der Walls con los mismos componentes. Los resultados muestran que la mejora se debía a la interfaz químicamente unida entre los dos materiales. El análisis espectroscópico del dispositivo de paladio – MoS2 reveló una interacción electrónica entre los dos materiales que evidencia la efectividad de la conexión química.
El dispositivo presentado posee tres características clave. En primer lugar, una lámina de MoS2 de gran tamaño lateral, en el rango de micras, combinado con un grosor ultrafino de menos de 5 nanómetros. En segundo lugar, la morfología 2D de las nanoláminas de paladio que permite una fuerte absorbancia en la región infrarroja. Por último, la conexión química entre los dos nanomateriales facilitada a través de una molécula bifuncional.
El trabajo, publicado recientemente en la revista Small, destaca las ventajas de la conexión covalente. En primer lugar, el dispositivo es robusto frente a disolventes o procesos térmicos. Además, la conexión covalente entre sus componentes 2D mejora la respuesta optoelectrónica del dispositivo en comparación con su homólogo basado en enlaces de van der Waals. Estos hallazgos demuestran que los materiales 2D enlazados covalentes son prometedores para su aplicación en la fotodetección de banda ancha.
Este trabajo es el resultado de una colaboración entre científicos españoles, liderados por Emilio M. Pérez y Juan Cabanillas en el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA Nanociencia), Jesús Santamaría y Víctor Sebastián en el Instituto de Nanociencia y Materiales (INMA-CSIC-UNIZAR), Andrés Castellanos-Gómez en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) y Raúl Arenal en la Fundación ARAID, y está parcialmente financiada por la acreditación Excelencia Severo Ochoa otorgada a IMDEA Nanociencia (CEX2020-001039-S).
La imagen que acompaña el artículo es una representación artística de la estructura desarrollada por el equipo del IMDEA Nanociencia. Autora: Patricia Bondía/IMDEA Nanociencia. © Patricia Bondía/IMDEA Nanociencia
Referencia:
R. Quirós-Ovies, P. Bastante, S. Hettler, V. Vega-Mayoral, S. Aina, V. Balos, T. Pucher, A. Castellanos-Gomez, R. Arenal, J. Cabanillas-Gonzalez, E. M. Pérez, J. Santamaría, V. Sebastian, Chemically-Linked Heterostructures of Palladium Nanosheets and 2H-MoS2. Small 2024, 2406030. https://doi.org/10.1002/smll.202406030
Autores del artículo divulgativo:
Elena Alonso
IMDEA Nanociencia
Emilio M. Pérez
IMDEA Nanociencia
Fuente: Scientias
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