La conexión química covalente entre materiales 2D mejora su respuesta optoelectrónica
13.01.2025
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Ilustración de una capa de disulfuro de molibdeno unida a una capa de paladio a través de una molécula funcional. Crédito: Ramiro Quirós. |
- Investigadores unen químicamente materiales 2D utilizando un "velcro" molecular, lo que da como resultado un dispositivo con propiedades optoelectrónicas mejoradas.
- El dispositivo hecho de nanoláminas de paladio unidas covalentemente con MoS2 muestra una respuesta optoelectrónica mejorada en el rango infrarrojo.
- La próxima generación de heteroestructuras 2D-2D va más allá de van der Waals gracias a los fuertes enlaces covalentes entre materiales 2D.
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Madrid, 13 de enero, 2025. 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 IMDEA Nanociencia, INMA-Zaragoza, ICMM y Fundación ARAID, investigadores de 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 y una buena 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 su último trabajo, los investigadores han 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 de van der Walls con los mismos componentes. Los investigadores demostraron 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 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 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).
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
Enlace al Repositorio de IMDEA Nanociencia: https://hdl.handle.net/20.500.12614/3819
Contacto:
Emilio M. Pérez
Emilio.perez (at)imdea.org
Chemistry of Low Dimensional Materials Group
https://nanociencia.imdea.org/chemistry-of-low-dimensional-materials/home
@emiliomperezlab.bsky.social
Juan Cabanillas
juan.cabanillas (at) imdea.org
Pump-probe Photoinduced Absorption Spectroscopies Group
https://nanociencia.imdea.org/pump-probe-and-photoinduced-absorption-spectroscopies/home
Oficina de Divulgación y Comunicación en IMDEA Nanociencia
divulgacion.nanociencia [at]imdea.org
Fuente: IMDEA Nanociencia.
El Instituto IMDEA Nanociencia es un centro de investigación interdisciplinar en Madrid dedicado a la exploración de la nanociencia y el desarrollo de aplicaciones de la nanotecnología en relación con industrias innovadoras. IMDEA Nanociencia es un centro de Excelencia Severo Ochoa desde 2017, máximo reconocimiento a la excelencia investigadora a nivel nacional.
Información relacionada:
Beyond van der Waals: next generation of covalent 2D-2D heterostructures https://nanociencia.imdea.org/outreach/press-releases-scientific-advances/item/beyond-van-der-waals-next-generation-of-covalent-2d-2d-heterostructures?category_id=1480