Una investigación liderada por la Universidad de Granada y la Università di Pisa (Italia), publicada en la portada de la prestigiosa revista Nanoscale Horizons, estudia un tipo especial de partículas, llamadas excitones, que generadas en las estructuras de determinados dispositivos electrónicos son capaces de aumentar su velocidad y capacidad de respuesta.

Este estudio propone emplear los excitones en estructuras basadas en un tipo específico de materiales 2D, los dicalcogenuros de metales de transición o TMDC, para conseguir fotodetectores rápidos y con gran responsividad, es decir, con gran amplitud de las señales eléctricas generadas para una determinada potencia de luz recibida, lo que facilita la detección y el procesamiento de esas señales. Los fotodetectores son un dispositivo electrónico capaz de convertir la luz en corriente eléctrica, muy parecido a una placa solar fotovoltaica, pero con una aplicación distinta. La consecución simultánea de una respuesta rápida y de señales suficientemente fuertes es el gran desafío, y también el gran objetivo, de la investigación en fotodetectores basados en materiales 2D, como esta que encabeza la Universidad de Granada.

Los excitones son cuasipartículas formadas por un electrón y un hueco electrónico.

Dicho avance en la velocidad y responsividad de los fotodetectores resultaría fundamental para aumentar el rendimiento en diferentes áreas que utilizan este tipo de dispositivos: el procesamiento de imagen, la instrumentación médica, las telecomunicaciones a través de fibra óptica o los sistemas de vigilancia, entre otros.

El profesor Enrique González Marín, del Departamento de Electrónica y Tecnología de Computadores de la UGR, que participa en esta investigación, explica que los excitones son “cuasipartículas formadas por un electrón y un hueco electrónico que, en el caso de las heteroestucturas de TMDC que proponemos, pueden estar localizadas en láminas distintas, una encima de la otra. Estos excitones intercapa son fácilmente separables mediante la aplicación de un campo eléctrico lateral y permiten obtener respuestas eléctricas de mayor amplitud en el fotodetector”, especifica.

Las heteroestructuras basadas en TMDC están siendo investigadas en numerosos campos de la electrónica, desde la electrónica reconfigurable, que pretende diseñar dispositivos con una funcionalidad eléctrica cambiable, a electrónica neuromórfica, cuyo objetivo es imitar la muy eficiente (desde un punto de vista energético) arquitectura de procesado y memoria del cerebro humano.

Materiales 2D y electrónica

Los materiales bidimensionales son estructuras cristalinas, es decir, estructuras de átomos que se repiten periódicamente en el espacio. A diferencia de los materiales cristalinos comunes, de los que están hechos la casi totalidad de los dispositivos electrónicos que manejamos día a día, en los materiales 2D los átomos se distribuyen solo a lo largo y ancho de láminas muy delgadas, de solo uno o varios átomos de espesor.

Estás láminas presentan características únicas desde el punto de vista electrónico y se han convertido en objeto de intensa investigación para aplicaciones optoelectrónicas y, en particular, en fotodetectores. Los materiales 2D pueden apilarse unos encima de otros, dando lugar a las llamadas heteroestructuras de “van der Waals”, que reciben este nombre en atención al tipo de fuerzas que unen las láminas de los distintos materiales.

Estas heteroestructuras se caracterizan por tener respuestas eléctricas enormemente rápidas (del orden de una millonésima de millonésima de segundo) al interactuar con la luz, por lo que resultan muy interesantes en aplicaciones optoelectrónicas muy sensibles al tiempo, como pueden ser las empleadas en la visión artificial en redes neuronales.

En el campo particular de la optoelectrónica, al que se circunscribe este trabajo, las heteroestructuras se están usando para diseñar, no solo fotodetectores, sino nuevas arquitecturas de dispositivos convencionales y conocidos por todos como células solares, diodos emisores de luz o láseres.

“Pero, probablemente, las aplicaciones más revolucionarias de estas heteroestructuras, y de los materiales bidimensionales en general, se encuentran en áreas de la física que aún no hemos trasladado al ámbito tecnológico, como los aislantes topológicos, la espintrónica, los patrones de Moiré o la valleytrónica”, detalla el profesor Enrique González Marín.

Visión artificial 

En el campo de la visión artificial es importante que los fotodetectores sean capaces de captar la luz y convertirla en una señal eléctrica de la manera más rápida posible. Esto viene determinado por la velocidad de fotorespuesta, y en el caso de las heteroestructuras TMDC, aprovechando la formación de excitones intercapa, según predice la investigación, se podrían alcanzar tiempos de respuesta de una millonésima de millonésima de segundo. Además, es importante que los sistemas de visión artificial tengan un bajo consumo energético, lo que implica que los fotodetectores deben ser capaces de trabajar en modo fotovoltaico y mantener una alta sensibilidad a la luz. Las heteroestructuras basadas en TMDC que explotan excitones intercapa pueden alcanzar estos dos requisitos que generalmente son contrapuestos.

Referencia bibliográfica: 

Lopriore, Edoardo, Enrique G. Marin, y Gianluca Fiori. «An Ultrafast Photodetector Driven by Interlayer Exciton Dissociation in a van Der Waals Heterostructure». Nanoscale Horizons 7, n.º 1 (20 de diciembre de 2021): 41-50. https://doi.org/10.1039/D1NH00396H.