Nanotubos monocapa de WS2 muestran un novedoso comportamiento luminiscente

Autor: José Ignacio Martínez, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)

Avances en el campo de la Nanotecnología han permitido alcanzar un control sin precedentes en la reducción de la dimensionalidad de materiales de interés tecnológico e industrial, lo que ha llevado al descubrimiento de propiedades emergentes sólo accesibles en la nanoescala. Un ejemplo paradigmático lo constituyen materiales laminares como MoS2 y WS2, que experimentan una transición desde un gap electrónico indirecto a un gap directo en el límite de una única capa. Imaginemos entonces el desafío de poder “enrollar” estas monocapas sobre si mismas para obtener nanotubos y poder así analizar y aprovechar sus excelentes propiedades luminiscentes, únicamente vislumbradas hasta la fecha mediante predicciones teóricas.

Recientemente, el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid del CSIC y la Universidad de Valladolid, respectivamente, en una colaboración multidisciplinar con los Institutos Holon y Weizmann de Israel, y los Institutos de Física y de Ciencia de Plasmas de Greifswald en Alemania, han obtenido la primera evidencia experimental, confirmada mediante cálculos de primeros-principios, de los efectos del confinamiento cuántico en nanotubos WS2 monocapa en comparación con nanotubos de varias capas, mediante medidas de catodoluminiscencia (Applied Physics Reviews, DOI: 10.1063/5.0019913). A pesar de las dificultades para obtener nanotubos monocapa de este material, debido al estrés que experimentan debido a su curvatura, se ha desarrollado un novedoso protocolo para obtener nanotubos monocapa mediante un reactor de plasma capaz de cortar y arrancar fragmentos de nanotubos multicapa que después se enrollan espontáneamente sobre sí mismos. Este protocolo produce nanotubos monocapa con diámetros de 3 a 7 nm, donde los efectos de confinamiento electrónico comienzan a adquirir relevancia, y permite obtener cantidades masivas de nanotubos.

Se llevaron a cabo experimentos de catodoluminiscencia sobre regiones con abundancia de nanotubos formados, localizadas mediante microscopía electrónica de transmisión, sometiendo la muestra a bombardeo con electrones, lo que produce fotones en la zona visible del espectro. Los resultados revelan los efectos de confinamiento cuántico en nanotubos WS2 monocapa en comparación con nanotubos multicapa, mediante la observación de un “corrimiento hacia el azul” de 110 meV del pico principal del espectro de emisión. Simultáneamente se produce un efecto opuesto de “corrimiento hacia el rojo” del gap electrónico debido a la curvatura de los nanotubos en comparación con láminas planas del material. Cálculos teóricos han confirmado ambos desplazamientos hacia el azul y el rojo en las propiedades de emisión de nanotubos WS2 de distintos tamaños y quiralidades. La capacidad para seleccionar a la carta la estructura electrónica por su relación con la morfología y número de capas abre la puerta al diseño de dispositivos catalíticos, transistores de efecto campo, sensores y, en definitiva, una plétora de nuevas tecnologías y aplicaciones.

Figura 1. Esquema del proceso de catodoluminiscencia en nanotubos de WS2, donde se observa un “corrimiento hacia el azul” desde nanotubos multicapa a medida que disminuye el número de capas hasta el límite de los nanotubos monocapa.

Contacto

José Ignacio Martínez, Investigador del grupo ESISNA del programa FotoArt-CM.

Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

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