Una alternativa al grafeno en óptica dependiente de la polarización

Francisco R. Villatoro17DEC140 Comentarios

El grafeno ha puesto de moda los (nano)materiales bidimensionales. Parecía imposible superar al grafeno, pero en ciertas aplicaciones lo logran las membranas de un átomo de grosor de dicalcogenuros de metales de transición, que se fabrican por exfoliación. Se publica en Scientific Reports que capas monoatómicas de disulfuro de molibdeno (MoS2) presentan una absorción óptica dependiente de la polarización. Gracias a ello se pueden fabricar nuevos sensores ópticos, polarizadores ópticos y circuitos fotónicos.

El gran problema del grafeno monocapa, desde el punto de vista optoelectrónico, es que no tiene bandgap al ser un semimetal (el grafeno bicapa y tricapa resuelve este problema). Los dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales tienen un bandgap finito. Por ello estos materiales superan al grafeno en el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos, como transistores completamente ópticos. El artículo técnico es Yang Tan, Ruiyun He, Chen Cheng, Dong Wang, Yanxue Chen, Feng Chen, “Polarization-dependent optical absorption of MoS2 for refractive index sensing,” Scientific Reports 4: 7523, 17 Dec 2014.

 

Una membrana monoatómica de disulfuro de molibdeno tiene una estructura en red hexagonal formada por la unión de dos redes triangulares, una con átomos de molibdeno (Mo) y otra con átomos de azufre (S) unidos entre sí por enlaces covalentes. Recuerda que el grafeno también tiene una estructura hexagonal de átomos de carbono que se comporta como la unión de dos redes triangulares, de ahí que se trate de un semimetal y que propage cuasipartículas de tipo fermión sin masa. Pero como la red hexagonal del MoS2 está formado por dos elementos químicos presenta menos simetría que la del grafeno, lo que induce un acoplamiento fuerte entre espines que lo hace muy interesante en espintrónica.

Una monocapa plana de MoS2 tiene un grosor entre 0,6 nm y 0,7 nm. Una multicapa de MoS2 de entre 9 y 11 monocapas tiene un grosor máximo de 6,486 nm. Por ello, no puede propagar la luz directamente (la luz visible está en el rango de los cientos de nanómetros). En óptica la solución es colocar este material bidimensional en la superficie de una guía de ondas, para que afecte a sus modos evanescentes gracias a la componente imaginaria de su conductividad dinámica, σ(ω), una magnitud compleja.

La conductividad dinámica del MoS2 tiene parte imaginaria positiva para la luz visible, cuando en el grafeno es negativa. En el grafeno este valor negativo permite una absorción dependiente de la polarización: absorbe la luz polarizada verticalmente (modos TM en una fibra óptica), pero no afecta a la luz polarizada horizontalmente (modos TE en una guía de ondas). Gracias a ello se pueden desarrollar múltiples dispositivos ópticos integrados que responden a la polarización de la luz. Con el MoS2 ocurre justo lo contrario. Los experimentos de Yang Tan y sus colegas han estudiado multicapas de entre ~1,9 nm y ~39 nm de grosor, en una guía de ondas de 10 mm, una absorción mínima de −3.4 dB m para los modos TE y una máxima de −0.4 dB m para los modos TM.

Lograr absorber modos TE en el visible y el infrarrojo cercano hasta 4,9 dB/cm, valor similar al obtenido con el grafeno para modos TM, nos muestra que el MoS2 es un material complementario al grafeno. Además de poderlo sustituir en muchas aplicaciones, ofrece muchas nuevas (recuerda que los TE son más usados que los TM). Pero además, su absorción en el visible es mucho mejor que la del grafeno, lo que permite desarrollar nuevos sensores y dispositivos ópticos.

La revolución del grafeno va más allá del propio grafeno, es la revolución de los nanomateriales bidimensionales.