Cristales 2D de GaSe: nuevos nanomateriales semiconductores

Una investigación confirma que el cristal 2D de Seleniuro de Galio es uno de los materiales cuyo gap local de energías puede ser mayormente modificado por deformaciones elásticas, lo que le confiere gran relevancia en aplicaciones fotovoltaicas, fotónicas y optoelectrónicas

Un grupo de investigadores experimentales y teóricos del departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) ha conseguido encontrar la ruta para modificar las propiedades de materiales semiconductores de espesor nanométrico a partir de deformaciones mecánicas fuertemente localizadas a escala micrométrica, concretamente en muestras de Seleniuro de Galio (GaSe).

Los resultados, publicados en la revista Nanotechnology, confirman que el cristal 2D de GaSe es uno de los materiales cuyo gap local de energías puede ser mayormente modificado por deformaciones elásticas, lo que le confiere gran relevancia en el campo de la straintrónica y la optoelectrónica.

Concretamente, los investigadores utilizaron la técnica de micro-exfoliación, o schotch tape method, para aislar láminas delgadas de Seleniuro de Galio de apenas siete capas de espesor y propiedades mecánicas y ópticas considerablemente distintas respecto a su estado tridimensional.

“Gracias a una técnica ingeniosa de deposición sobre un sustrato elastomérico previamente estirado y relajado, conseguimos aplicar una elevada tensión periódica sobre el cristal que produce deformaciones elásticas tanto de compresión como de tracción de tipo sinusoidal”, detalla David Maeso, el primer autor de este trabajo. 

Dichas deformaciones varían de forma local la distancia entre los átomos de la estructura cristalina del GaSe, lo que modifica su espectro de energías,  en particular su gap local. El cambio electrónico en el material a su vez produce una variación de sus propiedades ópticas, en particular de su coeficiente de absorción.

“De esta forma pudimos estudiar el acoplo entre las deformaciones elásticas a las que se somete a un cristal bidimensional y su estructura electrónica y óptica, lo que se conoce en materia condensada como los campos de la straintrónica y la optoelectrónica, de gran interés en la actualidad”, comenta Hernán Santos, coautor del artículo.

Cambio colosal del coeficiente de absorción

Los investigadores encontraron evidencia experimental y teórica de un “cambio colosal” del coeficiente de absorción en función de la deformación elástica aplicada a escala micrométrica en las muestras de Seleniuro de Galio.

“El cambio en el coeficiente de absorción que hemos observado experimentalmente y explicado teóricamente en nuestras muestras de GaSe es el más grande que se ha presentado en la literatura hasta la fecha en cristales 2D semiconductores”, asegura Hernán Santos.

“Para medir el coeficiente de absorción, que es dado por el cociente entre la energía que un material transmite respecto de la energía incidente, utilizamos un microscopio óptico. De esta forma fue posible iluminar el material y realizar medidas de la energía transmitida a través de éste”, explica David Maeso.

Según el trabajo, la modificación de las propiedades ópticas en función de la deformación del cristal se estudió combinando las medidas en regiones deformadas y sin deformar. Los resultados fueron completados con cálculos teóricos de primeros principios, apoyados en la teoría del funcional de la densidad (Density functional theory,  DFT). Estos cálculos permiten simular la estructura de bandas electrónicas del material, y ver cómo varía cuando se deforma su red cristalina por las tensiones aplicadas.

“Los resultados teóricos obtenidos concuerdan a la perfección con la evidencia experimental”, concluyen los autores.


Referencia bibliográfica:

D. Maeso, S. Pakdel, H. Santos, N. Agraït, J.J. Palacios, E. Prada, G. Rubio-Bollinger, 2019. “Strong modulation of optical properties in rippled 2D GaSe via strain engineering”. Nanotechnology, 30 24LT01.

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