Crean unos cristales fotónicos 3D con propiedades electrónicas y ópticas

Unos innovadores cristales fotónicos 3D, capaces de incorporar propiedades ópticas manteniendo al mismo tiempo activas sus propiedades electrónicas, han sido desarrollados en el marco de una investigación llevada a cabo en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, en Estados Unidos. El universo de aplicaciones de este adelanto incluye las células solares, los rayos láser y los metamateriales.

El hallazgo consiste básicamente en una manera efectiva de cambiar la estructura tridimensional de un material semiconductor, para permitir el desarrollo de nuevas propiedades ópticas, conservando al mismo tiempo las propiedades eléctricas. El descubrimiento fue difundido a través de artículos publicados ayer en los medios especializados Science Daily y EurekAlert.

Además, la investigación ha sido resumida en un artículo publicado también ayer en la edición online de la revista especializada Nature Materials. El profesor de ciencias de los materiales, ingeniería y química en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Paul Braun, dirigió al grupo de investigación que ha realizado este avance.

Problemas resueltos

Los cristales fotónicos son materiales que pueden controlar o manipular a la luz de manera inusual, gracias a su especial estructura física. Por ejemplo, estos cristales son capaces de inducir fenómenos inusitados y afectar el comportamiento de los fotones de una forma que los materiales y dispositivos ópticos tradicionales no pueden.

Cabe recordar que se trata de materiales habitualmente empleados para el desarrollo y la investigación en áreas como las aplicaciones de láser, la energía solar, las tecnologías LED, los metamateriales y otras especialidades. Sin embargo, los intentos anteriores en este campo se habían topado hasta ahora con un importante impedimento.

El desarrollo de cristales fotónicos 3D ha dado lugar, hasta el momento, a dispositivos que sólo son ópticamente activos, o sea que pueden dirigir la luz pero no se encuentran activos desde el punto de vista electrónico y, por lo tanto, no pueden convertir la electricidad en luz o viceversa.

El nuevo enfoque de los especialistas de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign permitirá la fabricación de cristales fotónicos con un gran potencial para optimizar las propiedades electrónicas y ópticas de forma simultánea. Estos dispositivos podrán controlar la manera en que se emite, se absorbe o se propaga la luz, sin perder su potencial eléctrico.

Para crear un cristal fotónico 3-D que mantenga activas sus propiedades electrónicas y ópticas al unísono, los investigadores comenzaron trabajando con diminutas esferas empaquetadas, empleando también arseniuro de galio (GaAs) como semiconductor. El GaAs es utilizado en la actualidad en la industria como semiconductor en el proceso de creación de cristales de dos dimensiones.

Un enfoque renovador

Sin embargo, el arseniuro de galio ha logrado ser aplicado en este caso en complejas estructuras tridimensionales, a través de un enfoque epitaxial que elimina muchos de los defectos introducidos por los métodos de fabricación tradicionales, abriendo un auspicioso camino para la creación masiva de estructuras fotónicas 3-D.

Otra ventaja de este novedoso sistema es la facilidad para crear heteroestructuras en los cristales, a través de distintas capas. Con súbitos cambios podría ser factible variar los materiales introducidos en el cristal fotónico, permitiendo así nuevas aplicaciones y usos para estos dispositivos.

Para poner a prueba su técnica, el grupo de investigación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign construyó un cristal fotónico LED en 3D, el primer dispositivo de este tipo destinado a esta clase de aplicaciones. Ahora, los ingenieros e investigadores trabajan para optimizar la estructura pensando en aplicaciones específicas.

El cristal fotónico LED está demostrando que este avance puede propiciar el desarrollo de dispositivos funcionales, que al ajustar la estructura o el uso de otros materiales semiconductores podrían permitir a los investigadores optimizar la recolección de energía solar o alcanzar longitudes de onda específicas para aplicaciones como metamateriales o láseres de bajo umbral.

A partir de ahora, el propósito es cambiar la geometría del dispositivo para obtener las propiedades deseadas en cada caso. En realidad, se abre una nueva área de investigación en el terreno de este tipo de dispositivos con propiedades ópticas y electrónicas y aplicaciones destinadas a mejorar la eficiencia energética.