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.
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.
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.
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.
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.
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.
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