04/11/2013 - Nanotubos defectuosos convertidos en emisores de luz

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Normalmente, los científicos buscan nano-estructuras libres de defectos. En este caso, sin embargo, el investigador de la UPV/EHU Angel Rubio y sus colaboradores han sacado el máximo partido a los defectos estructurales de los nanotubos de nitruro de boro. El resultado de su estudio es una nueva fuente emisora de luz, fácilmente integrable en la tecnología microelectrónica actual. La investigación, ha dado lugar, además, a una patente.

El nitruro de boro es un material prometedor en el ámbito de la nanotecnología, gracias a sus excelentes propiedades aislantes, resistencia y estructura bidimensional parecida al grafeno. Y concretamente, las propiedades de nitruro de boro hexagonal, objeto de esta investigación, son muy superiores a las de otros metales y semiconductores usados en la actualidad como emisores de luz, por ejemplo, en aplicaciones ligadas con el almacenamiento óptico (DVD) o comunicaciones. "Tiene una eficiencia de emisión de luz ultravioleta altísima, una de las mejores que hay en el mercado actualmente", comenta Angel Rubio, catedrático de Física de Materiales de la UPV/EHU.

Sin embargo, la emisión de luz de los nanotubos de nitruro de boro se produce en un rango muy limitado del espectro ultravioleta, por lo que no pueden ser usados en aplicaciones en las que es necesario que la emisión se produzca en un rango más amplio de frecuencias, y de forma controlada (por ejemplo en aplicaciones con luz visible).

El estudio desarrollado por el Grupo NanoBio Espectroscopia de la UPV/EHU ha dado con una solución para poder superar esa limitación, y abrir la puerta al uso de nanotubos de nitruro de boro hexagonal en aplicaciones comerciales.

Han demostrado que aplicando un campo eléctrico perpendicular al nanotubo, se puede conseguir y controlar de manera sencilla que éste emita luz en todo el espectro que va desde el infrarrojo al ultravioleta lejano. Esta facilidad de control se presenta solo en los nanotubos dada su geometría cilíndrica (se trata de estructuras tubulares con longitudes del orden de los micrómetros y diámetros del orden del nanómetro).

Rubio lleva trabajando casi 20 años con nanotubos de nitruro de boro: "Los propusimos nosotros teóricamente, y luego se encontraron experimentalmente. Todas nuestras predicciones teóricas se han confirmado hasta ahora, y eso es muy gratificante", explica. Conocidas las propiedades del nitruro de boro hexagonal laminar, y su altísima eficiencia en la emisión de luz, el objeto de esta investigación ha sido demostrar que esas propiedades no se perdían en los nanotubos. "Sabíamos que al enrollar una hoja, y formar un tubo, se producía un acople fuerte con el campo eléctrico, y que eso nos permitiría cambiar la emisión de luz. Queríamos demostrar -y han demostrado- que la eficiencia de emisión de luz no se perdía por el hecho de formar el nanotubo, y que, además, era controlable".

Vacantes de boro

El funcionamiento del dispositivo se basa en la utilización de los defectos naturales (o inducidos) de los nanotubos de nitruro de boro. En particular, los defectos que posibilitan la emisión controlada son aquellos huecos producidos en la pared del nanotubo debidos a la falta de un átomo de boro, que es el defecto más común en su fabricación. "Todos los nanotubos son muy parecidos, pero el hecho de que tengas estos defectos hace que el sistema sea operativo y eficiente, y, además, cuantos más defectos tenga, mejor funciona".

Este docente destaca "la sencillez" del dispositivo propuesto. "Es un dispositivo que funciona con defectos, que no tiene que ser puro, y que es muy fácil de construir y controlar". Los nanotubos se pueden sintetizar mediante métodos que son estándar en la comunidad científica para la producción de nanotubos inorgánicos, las estructuras así sintetizadas tienen defectos naturales, y se pueden introducir más, si se quisiera, mediante procesos sencillos de irradiación post-síntesis. "Tiene una configuración de transistor tradicional, y esto que proponemos, funcionaría en los dispositivos electrónicos actuales", subraya. La parte "menos atractiva", como la define Angel Rubio, es que los nanotubos de nitruro de boro se producen todavía en cantidades muy pequeñas, y no existe aún un proceso de síntesis económicamente viable a escala comercial.

Más allá del grafeno

Rubio no duda del potencial de los nuevos materiales basados en sistemas bidimensionales, y específicamente, de aquellos compuestos alternativos al grafeno, como, por ejemplo, el nitruro de boro hexagonal. Sin perjuicio del grafeno, Angel Rubio considera que el campo alternativo quizás tenga mayor potencial a largo plazo, y debe ser estudiado: "Es un campo que ha sido activo desde hace mas de quince años, aunque haya tenido menor visibilidad. Nosotros llevamos trabajando con el nitruro de boro hexagonal desde 1994, es como nuestro hijo, y yo creo que ha abierto un campo de investigación atractivo, al que cada vez se suman más grupos".

Información adicional:

Está investigación ha sido desarrollada por el grupo NanoBio Espectroscopia (Centro de Desarrollo Científico ETSF, Departamento de Física de Materiales, Facultad de Química de la UPV/EHU), dirigido por el profesor Ángel Rubio, en colaboración con el Dr. Ludger Wirtz (Universidad de Luxemburgo), el Dr. Claudi Attaccalite (Universidad de Grenoble) y el Dr. Andrea Marini (CNR Consejo Italiano de Investigación - Roma), tres antiguos investigadores del grupo.

El profesor Ángel Rubio es catedrático de Física de Materiales de la UPV/EHU, director del grupo NanoBio Espectroscopia y presidente de la Infraestructura Europea de Espectroscopia Teórica ETSF de la UPV/EHU, así como director externo del Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck.

Ángel Rubio, catedrático de Física de Materiales de la UPV/EHU, director del grupo NanoBio Espectroscopia y presidente de la Infraestructura Europea de Espectroscopia Teórica ETSF de la UPV/EHU

Publicaciones:

1. Claudio Attaccalite, Ludger Wirtz, Andrea Marini, Angel Rubio. Efficient Gate-tunable light-emitting device made of defective boron nitride nanotubes: from ultraviolet to the visible. Scientific Reports 3, 2698 (2013) (Nature Publishing Group) http://dx.doi.org/10.1038/srep02698

Patentes obtenidas:

1. "Gated-controlled light-emitting device made of BN nanotubes with defects", UPV/EHU Patente PCT/ES2012/070098.

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UPV/EHU

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