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La plasmónica de campo cercano sirvió como sistema de apoyo para explorar la espectroscopia de una sola molécula, el procesamiento de información cuántica y la electrodinámica cuántica de cavidades, cuyo estudio requiere de manera crítica el control de la luz, el calor y la carga a nanoescala.
Estudio: Nanocalentamiento y nanoconducción con plasmónicos de campo cercano: perspectivas para aprovechar los efectos Moiré y Seebeck en películas ultrafinas. Crédito: Yurchanka Siarhei/Shutterstock.com
Las nanocavidades y los convertidores de campo cercano (NFT) permiten la difracción de la luz por debajo del límite de difracción clásico mediante el acoplamiento de modos fotón-plasmón. Un artículo publicado en la revista Advanced Optical Materials demostró teóricamente la posibilidad de modular la luz, el calor y la electricidad utilizando NFT al incidir sobre capas de fósforo negro (BP).
Además, se investigó la física Moiré de dos películas con rotaciones relativas y el efecto Seebeck, en el que los gradientes de temperatura fueron inducidos por un voltaje eléctrico. Los resultados mostraron que estos métodos podían regular efectivamente la distribución de temperatura con valores entre 101 y 102 Kelvin, lo cual es crítico en muchos nanodispositivos. Además, se ha manipulado el flujo direccional de la corriente, lo que ayuda en la conmutación eléctrica y en el control del suministro de energía.
Efecto Moiré y Seebeck
La nanoplasmónica es un tema de investigación emergente y un enfoque conveniente para fabricar dispositivos cuánticos ruidosos de escala intermedia (NISQ) a temperatura ambiente. Aprovecha su dinámica ultrarrápida y las bajas tasas de decoherencia del emisor cuántico acoplado plasmónico. Estas propiedades son requisitos previos para la fabricación de redes cuánticas, incluidas puertas lógicas, memorias y más.
El efecto muaré es un fenómeno físico de la óptica lineal. Los patrones de muaré son el resultado de la superposición de dos (o más) plantillas similares pero ligeramente desplazadas sobre superficies planas (o curvas), donde una (o más) se gira, se traslada o se somete a algún tipo de modificación desde su posición original. Esto da como resultado una serie de franjas oscuras/claras periódicas cuyas propiedades están determinadas por el período, la orientación y la forma de las muestras modeladas.
Cuando se superponen dos conjuntos de períodos similares, el período del patrón resultante actúa como una lupa sobre el período original. El efecto muaré se ha utilizado en varios campos, incluida la microscopía, la criptografía, la perfilometría y la evaluación de la tensión del material.
Recientemente, las superredes moiré, que se forman debido al orden de apilamiento particular entre capas adyacentes en heterouniones 2D, representan una modulación regular de las interacciones entre capas y aportan un grado adicional de libertad en la manipulación de la estructura electrónica de materiales 2D.
El efecto Seebeck induce voltaje y genera corriente eléctrica debido a un gradiente de temperatura. Este efecto es ampliamente utilizado en dispositivos de biodetección y generación de energía solar a escala industrial para estudiar este efecto a nanoescala.
Efectos Moiré y Seebeck en películas ultrafinas
Los avances en los tratamientos contra el cáncer, los dispositivos de almacenamiento de datos y la tecnología de células solares y fotovoltaicas requerirán la manipulación del calor y la energía a nanoescala. En el presente trabajo, se informaron dos métodos para ajustar la corriente y el calor en películas ultrafinas utilizando los efectos Seebeck o Moiré realizados mediante plasmónica de campo cercano.
Debido a las excelentes conductividades óptica y térmica, las películas ultrafinas y los dicalcogenuros de metales de transición (TMDC) se han considerado sustratos interesantes con múltiples aplicaciones en nanodispositivos termoeléctricos y optoelectrónicos. Recientemente, BP y fósforos de capa de un solo átomo se han considerado como materiales para estos nanodispositivos.
Aquí, se midió que la BP de película delgada tenía coeficientes de Seebeck entre 102 y 103 microvoltios por Kelvin y era comparable a los TMDC que podían convertir los flujos de calor en corriente eléctrica. Además del efecto Seebeck, también se examinó el efecto Moiré con respecto a la dispersión de luz, calor y corriente.
Los estudios realizados en el presente trabajo examinaron cómo se utilizó el efecto muaré para controlar el nanocalentamiento y la posterior conversión en corrientes eléctricas en dos películas ultrafinas superpuestas. En particular, el trabajo actual se ha centrado en películas ultrafinas de BP con pocas capas atómicas, basándose en informes anteriores y en la comprensión de las ventajas de BP para nuevas tecnologías y el alto grado de capacidad de ajuste de sus propiedades ópticas y eléctricas.
Los cambios en la distribución espacial de corriente y temperatura observados en el presente trabajo se deben a la anisotropía intrínseca de las películas SP, junto con su fuerte respuesta termoeléctrica, que se manifiesta debido a los gradientes extremos de temperatura realizados por nanocalentamiento con NFT.
Conclusión
En resumen, se ha informado sobre el potencial de NFT para controlar la conducción de carga a nanoescala y el nanocalentamiento a través de los efectos Seebeck y Moiré. Adicionalmente, se estudió el efecto Peltier sobre la reciprocidad de Onsager y los coeficientes anisotrópicos de Seebeck utilizando un BP multicapa a altas temperaturas.
Además de los cambios en la distribución espacial de la corriente y la temperatura, los valores máximos respectivos se pueden ajustar en función de los requisitos experimentales. Además, se demostró la capacidad de controlar la salida direccional de películas ultrafinas mediante el efecto muaré.
A diferencia de las nanocavidades utilizadas anteriormente para manipular el calor a nanoescala, se enfatizó que el uso de NFT no está integrado en los medios. El presente trabajo también destacó que BP puede degradarse incluso a temperatura ambiente, alterando la respuesta de Peltier y Seebeck. Además de BP, se esperaba que otros materiales bidimensionales (2D) con parámetros de conductividad eléctrica y térmica similares fueran candidatos interesantes para futuras investigaciones.
Relación
Bello FD, Clarke DDA, Tarasenko I, Donegan JF, Hess O (2022). Nanocalentamiento y nanoconducción con plasmónica de campo cercano: perspectivas para explotar los efectos muaré y Seebeck en películas ultrafinas. Material óptico avanzado. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202201358
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