Conversión espín-carga y la estructura de bandas de un gas bidimensional de electrones

Como alternativa a la espintrónica dependiente de materiales ferromagnéticos, el presente trabajo se orienta hacia la orbitrónica de espínes que aprovecha la interconversión espín-carga que ocurre de manera muy eficiente  en materiales no-magnéticos, debido  al acoplamiento espín-órbita.  Investigadores de Europa, demostraron la alta conversión espín-carga que ocurre en una interface, al diseñar un gas de electrones bidimensional de SrTiO₃(STO) con alta densidad de portadores de carga y correlacionar el cambio de voltaje de compuerta con su estructura de bandas. El gas de electrones en 2D se preparó depositando Al (1 nm) sobre el óxido de titanio (TiO₂) de la superficie del STO.  Después se depositó una película delgada de NiFe. La composición química de las películas se determinó in situpor XPS.

Estos resultados indican que los gases de electrones bidimensionales generados con óxidos deben considerarse como candidatos muy fuertes para el transporte de espines en nuevos dispositivos como memorias y transistores.

Los resultados fueron publicados recientemente en Nature Materials.

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Heteroestructuras de puntos cuánticos de perovskitas híbridas mejoran la eficiencia de celdas solares

Las perovskitas híbridas de haluros metálicos han adquirido gran interés en las aplicaciones optoelectrónicas como las fotovoltaicas. En celdas solares, las películas delgadas de perovskitas híbridas se fabrican a partir de precursores moleculares solvatados como adsorbentes de los fotoportadores. Sin embargo, presentan algunos inconvenientes relacionados con su comportamiento de bulto, inestabilidad ambiental y de fase.

Un grupo de investigadores de China y Estados Unidos ha desarrollado una nueva celda solar basada en puntos cuánticos (QD, del inglés quantum dot) de perovskitas híbridas. Empleando soluciones coloidales de QDs, lograron crecer capa a capa una heteroestructura de QDs acoplados entre sí a través de un ligando conductivo que a su vez provee rigidez de sólido y mayor estabilidad ambiental y de fase. Esta nueva arquitectura mejora la separación y extracción de los fotoportadores e incrementa la corriente de corto-circuito y el factor de llenado, cruciales para el rendimiento del dispositivo. Con el control de la composición de cada capa se obtiene una distribución heterogénea de QDs que facilita la separación de los portadores en la interfaz interna y su migración hacia los electrodos respectivos. Utilizando estas heterostructuras, una de sus celdas solares prototipo alcanza 17.4% de eficiencia de conversión de potencia a la salida.

Los resultados fueron publicados recientemente en Nature Communications.

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Tecnología del siglo XIX: los matices de las primeras fotografías se deben a nanoestructuras

El daguerrotipo, inventado por L. Daguerre (1787-1851) en el siglo XIX, fue uno de los primeros procesos que se dieron a conocer para producir imágenes fotográficas. Utilizaba placas de cobre recubiertas con plata pulida, que tratadas con vapores de I₂/Br₂formaba una capa superior de haluros de plata que, al ser expuesta a la luz, provocaba la formación de cúmulos de plata de 1 a 2 nm de diámetro. Luego, la capa resultante se trataba con vapor de mercurio dando como resultado una variedad de cristales de plata-mercurio de escala nanométrica. Cada nanocristal dispersaba un color que consistía en una combinación de tonos rojos y azules. En conjunto, la luz dispersada por los nanocristales formaba la imagen. 

Un equipo de científicos de la Universidad de Nuevo México analizó daguerrotipos usando modelado e imágenes microscópicas.  Descubrieron que la forma oblonga de las nanopartículas de plata-mercurio tiende a dispersar la luz azul a lo largo del eje vertical de la nanopartícula y la luz roja hacia afuera. Las nanopartículas de las fotografías antiguas dispersan una combinación de estos colores, creando los tonos característicos de la imagen. Los autores señalan que estos resultados pueden contribuir al desarrollo de las tecnologías de impresión que utilizan nanopartículas metálicas para formar imágenes a color. 

Los resultados fueron publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)

El grafeno es bidimensional y tridimensional

Este trabajo aborda una pregunta fundamental: ¿en qué medida se puede considerar al grafeno como grafito?

Un grupo de investigadores de la Universidad Queen Mary de Londres encontró que el grafeno, además de ser un material bidimensional, presenta propiedades de un material tridimensional. El grosor del grafeno se debe a los enlaces químicos que sobresalen por encima y por debajo del plano 2-D de los átomos de carbono. De ahí que el grafeno en realidad es un material 3-D, aunque muy delgado.

Los investigadores reportaron por primera vez espectros Raman de grafeno aislado sometido a un esfuerzo. Cuantificaron los valores de la rigidez del grafeno en la dirección perpendicular al plano y encontraron que es consistente con la del grafito, es decir, sus resultados implican que la rigidez del grafeno y la del grafito  son similares.   

Tomar en cuenta que son materiales tridimensionales es importante para comprender sus propiedades mecánicas y para desarrollar nuevos dispositivos. 

Este estudio fue publicado recientemente en la revista Physical Review Letters.

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Conversión de carga a espín en heteroestructuras bidimensionales a temperatura ambiente

La generación de corriente  de espín sin electrodos ferromagnéticos, provee nuevas rutas para la generación de dispositivos espintrónicos controlados por medios totalmente eléctricos en materiales bidimensionales.

En este trabajo, un grupo de investigadores holandeses demostraron experimentalmente la conversión de carga a espín en una heteroestructura de monocapas de WS2-grafeno con enlace Van der Waals. Se midió la polarización del espín inducida por la corriente, hasta la temperatura ambiente,  controlada por el campo eléctrico de la compuerta. Mediante medidas del Efecto Hall de Espín (SHE, por sus siglas en inglés) se comprobó la presencia del efecto Rashba–Edelstein (REE, por sus siglas en inglés) y del efecto inverso IREE, los cuales explican el proceso de conversión de carga a espín. 

Estos resultados tendrán implicaciones significativas en aplicaciones de la espintrónica empleando materiales bidimensionales.

Los resultados fueron publicados recientemente en ACS Nano Letters.

Nanopartículas bimétalicas de Cu-Pt para controlar la selectividad en aldehídos no saturados.

La selectividad en catálisis es muy difícil de controlar, sin embargo, es clave para muchos procesos en la fabricación de productos químicos. Investigadores de la Universidad Nacional Autónoma de México, de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Este de China y de la Universidad de California en Estados Unidos demostraron vía estudios teórico-experimentales que las nanopartículas de cobre con incrustaciones de átomos de platino favorecen la selectividad en la hidrogenación de los enlaces C=O en presencia de enlaces C=C en aldehídos no saturados.

Con el uso de experimentos que determinan la cinética de reacciones catalíticas se explicó que las superficies de las nanopartículas de cobre favorecen la hidrogenación de C=O sobre la de C=C con hidrógeno atómico, pero requieren la intervención de los átomos de platino impregnados para la activación de las moléculas de hidrógeno. Además, se determinó con cálculos de primeros principios, que esta selectividad se puede explicar en parte por la preferencia de las moléculas a formar enlaces Cu-O, lo que promueve barreras de menor energía para la hidrogenación de los enlaces C=O. 

Los resultados fueron publicados recientemente en la revista ACS Catalysis.

Observación 4D a escala atómica de la nucleación cristalina

La nucleación es un fenómeno extendido en muchos procesos físicos, químicos y biológicos. Sin embargo, en su etapa inicial es extremadamente difícil de estudiar. Un grupo de investigadores de Estados Unidos y Corea desarrolló una metodología para observar las etapas iniciales del crecimiento cristalino en cuatro dimensiones (4D), es decir, en tres dimensiones (3D) y en diferentes tiempos del proceso, usando la tomografía electrónica de los átomos (AET, del inglés atomic electron tomography)

Los investigadores usaron nanopartículas de FePt como sistema modelo y descubrieron que, en la etapa inicial, los núcleos tienen una forma irregular. Con imágenes de AET muestran la estructura y la dinámica de los núcleos y observan que los procesos de crecimiento, fluctuaciones, disoluciones, de fusión y/o de división están regulados por la distribución del parámetro de orden y su gradiente. Las observaciones experimentales se corroboraron mediante simulaciones de dinámica molecular de nucleación heterogénea y homogénea en transiciones de fase líquida a sólida de Pt. Sus  resultados experimentales y de dinámica molecular indican que se necesita una teoría diferente a la clásica para describir la nucleación en la primera etapa a escala atómica.

Esta metodología teórico-experimental de análisis 4D en resolución atómica permitirá resolver problemas fundamentales en la ciencia de los materiales como estudios de  transición de fase, difusión atómica, dinámica de límite de grano, movimiento de interfaz, dinámica de defectos y reconstrucción de superficie, entre otros.

Los resultados fueron publicados recientemente en la revista Nature