El píxel ideal: Nanocubos de plata distribuidos al azar sobre una nanocapa de oro recubierta de polímero

Dibujo20121205 Silver nanocubes - Nature

El píxel ideal para una célula fotovoltaica o el sensor CCD de una cámara digital debe ser eficiente, selectivo y barato de fabricar a gran escala. Los mejores absorbentes de luz son metamateriales, pero son difíciles de fabricar debido a su peculiar geometría. David Smith (Univ. Duke, Durham, Carolina del Norte) y sus colegas han fabricado el píxel ideal distribuyendo al azar nanocubos de plata (74 nm de lado recubiertos de 3 nm de oro) encima de una nanocapa de oro (50 nm de grosor) recubierta a su vez de una fina nanocapa de un polímero transparente (de solo unos nanómetros de grosor). El tamaño de los nanocubos y el grosor de la nanocapa de polímero determinan el rango de frecuencias ópticas que absorbe el píxel. El secreto es que cada nanocubo actúa como una nanoantena que produce plasmones en el metal, cuya relación de dispersión depende del ratio entre el grosor de la nanocapa de polímero y el lado del cubo de plata. La gran ventaja de la nueva propuesta nanotecnológica es que no importa la geometría de la distribución de los nanocubos, caigan donde caigan al fabricar el píxel sus propiedades no se ven afectadas. Una ida realmente sugerente y curiosa que se publica hoy en Nature. Nos lo cuenta Katharine Sanderson, “Sprinkled nanocubes hold light tight. Device based on scattered silver cubes could scale up light absorption for solar power,” Nature News, 05 Dec. 2012. El artículo técnico es Antoine Moreau et al., “Controlled-reflectance surfaces with film-coupled colloidal nanoantennas,” Nature 492: 86-89, 06 Dec 2012.

Dibujo20121205 ideal absorber theory

El material ideal para absorber luz debe tener una baja reflectancia y una baja transmitancia. Lograr que ambos factores sean muy pequeños en un mismo material es muy difícil (por ejemplo, los materiales opacos como los metales tienen una baja transmitancia, pero su reflectancia es grande y actúan como espejos). Los metamateriales, que alternan en una geometría regular materiales con ambas propiedades, permiten diseñar absorbentes ideales para la luz, pero su fabricación utilizando técnicas litográficas es difícil debido a su geometría compleja; además, lograr que absorban luz visible requiere una geometría en la nanoescala, difícil de controlar, por lo que su uso práctico en la industria se limita a microondas y al infrarrojo lejano. Alcanzar el infrarrojo cercano y el visible con píxeles de metamateriales de fácil fabricación industrial requiere nuevos conceptos nanotecnológicos.

Dibujo20121205 An ideal absorber can be formed by adding resonant nanoantennas a distance g above a conducting film

Un absorbente de luz ideal debería combinar un conductor eléctrico y un conductor magnético que compensen el campo electromagnético de la onda incidente impidiendo que se refleje y que se transmita; el problema es que los conductors magnéticos no existen. Sin embargo, podemos colocar una nanoantena resonante a una distancia g (gap) sobre una película conductora; en el gap se confinará el campo electromagnético en una serie de modos resonantes. Para los modos en los que el campo eléctrico es máximo en las aristas del cubo se produce una densidad de corriente superficial de campo magnético que fluye en el gap. Con un número suficiente de nanoantenas sobre un conductor eléctrico se logra que la densidad de corriente superficial del campo magnético sea suficiente para compensar la densidad de corriente eléctrica de la onda incidente. Esta compensación ocurrirá con preferencia a cierta frecuencia óptica del espectro que dependerá del cociente entre el lado de la nanoantena y el grosor del gap.

Dibujo20121205 effective absorption efficiency - Reflectance spectrum - Modulus magnetic field

El nuevo artículo propone usar nanocubos como nanoantenas sobre una nanopelícula de oro recubierta de un polímero como dieléctrico (con índice de refracción 1,54). La eficiencia como absorbente de estas nanoantenas ha sido calculada numéricamente utilizando el software comercial COMSOL en Matlab (para las simulaciones en dos dimensiones) y un método espectral basado en series de Fourier para las simulaciones en tres dimensiones. La figura de arriba (abajo, derecha) muestra el campo magnético de un modo guiado de tipo plasmón en el gap entre el nanocubo y la superficie metálica. El índice de refracción del dieléctrico se reduce al reducir el grosor del gap, incrementando la frecuencia (longitud de onda) del modo resonante del plasmón. La eficiencia de absorción de un nanocubo es bastante alta, del orden del 97%, por lo que para lograr una absorción ideal (100%) basta recubrir el 3% de la superficie del conductor con nanocubos.

 Dibujo20121205 Dark-field images nanocubes randomly adsorbed nanoscale polymer spacer on gold film

Los autores del estudio han fabricado los píxeles con los nanocubos distribuidos de forma aleatoria y diferentes grosores para el gap calculando el espectro de absorción de los píxeles y verificando que la banda de absorción es bastante estrecha (algo deseable en la mayoría de las aplicaciones). Para lograr un banda de absorción más ancha habría que controlar durante la fabricación la distancia de separación entre los nanocubos, garantizando una separación mínima entre ellos.

Dibujo20121205 absorption resonances for nanorods coupled to gold film - periodic array 74 nm

Quizás algún lector que haya llegado hasta aquí se preguntará por qué los autores usan nanocubos en lugar de nanoesferas, en apariencia más difíciles de fabricar. La razón es que el plasmón entre la nanoantena y la superficie metálica cambia mucho su forma y propiedades cuando la cavidad que lo confina no tiene paredes planas. Con nanoesferas es difícil logra un buen absorbente para luz incidente en la dirección normal al conductor. Además, la clave de la absorción está en el efecto de las bordes del cubo, mucho menor en el caso de las nanoesferas. En cuanto a la fabricación de los nanocubos, en la actualidad hay técnicas de síntesis química capaces de fabricarlos a escala industrial (que nacieron hace 10 años con el artículo de Yugang Sun, Younan Xia, “Shape-Controlled Synthesis of Gold and Silver Nanoparticles,” Science 298: 2176-2179, 13 Dec 2002). El mayor problema es lograr que todos los nanocubos tengan el mismo radio. La combinación de nanocubos de tamaño ligeramente diferente reduce la absorción de cada uno, lo que se puede compensar colocando un mayor número de nanocubos sobre la superficie del conductor.

En resumen, un trabajo técnico muy interesante y bastante prometedor.

3 pensamientos en “El píxel ideal: Nanocubos de plata distribuidos al azar sobre una nanocapa de oro recubierta de polímero

  1. Muy interesante, aunque supongo que todavia el costo de fabricacion de estos materiales a esa escala no es competitivo con el CCD o el CMOS (insisto con el todavia, todo llegara supongo, jajaja) Que la distribucion no afecte sus propiedades es muy loco e interesante, ¿exactamente porque sucede esto (no alcanzo a imaginarlo ya demas seguro la pifio al tratar de explicarmelo)

    • Andres, porque el efecto es debido a cada cubo individual y no a como están distribuidos (en plasmónica ocurren estas cosas); se usan muchos cubos solo para potenciar el efecto.

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