ARTÍCULO DESTACADO ABRIL-JUNIO 2018: CONTROL AVANZADO DE EMISORES DE LUZ CUÁNTICA A ESCALA NANOSCÓPICA

Artículo seleccionado como artículo destacado del GEFES en la convocatoria correspondiente a artículos publicados entre abril y junio de 2018.

Por Pablo Merino

En este trabajo se demuestra una nueva forma de controlar fuentes de luz cuánticas bimodales. Estas fuentes pueden emitir luz por dos mecanismos diferentes y complementarios: la recombinación de pares electrón-hueco (excitones) y el decaimiento de oscilaciones de carga (plasmones). Utilizando la punta afilada de un microscopio de efecto túnel como un electrodo de precisión sub-nanométrica demostramos la posibilidad de controlar la emisión bimodal a voluntad de forma muy precisa.

Las fuentes de luz modernas dependen de la conversión de carga eléctrica a radiación electromagnética a escalas en las que los efectos cuánticos son los que normalmente dominan [1]. Dispositivos con tecnologías como la OLEDs o QLED, que están en nuestros móviles y televisores, están basados en gran medida en una conversión eficiente entre electricidad y luz a escala nanoscópica. Normalmente, cuando el tamaño del emisor se acerca al de un sistema cuántico individual, hay dos mecanismos de emisión que dominan. Por un lado, la recombinación de pares electrón-hueco (excitones), que es el mecanismo principal de emisión en moléculas y puntos cuánticos. Por el otro, para nanopartículas y nanoestructuras metálicas la desexcitación de oscilaciones de carga (plasmones) mediante su acoplamiento a fotones libres domina. Actualmente, estos dos mecanismos son el sujeto de una intensa actividad científica.

En el artículo del trimestre [2], los autores demuestran que la generación de excitones y plasmones puede ser controlada a la escala de moléculas individuales. Para ello se han hecho uso de capas delgadas de moléculas orgánicas (fulerenos C60) y de microscopia de sonda local en ultra alto vacío (ver Fig. b). Este sistema puede ser visto como un análogo a un OLED de primera generación [3]. Usando la punta de un microscopio para inyectar cargas eléctricas de forma muy precisa, llegando incluso a ser posible inyectar electrones de uno en uno [4], y explotando el tamaño y aspecto de los orbitales moleculares se ha identificado y separado el origen de los dos mecanismos de emisión.

Este hallazgo se ha logrado mediante el uso de un avanzado microscopio que combina la microscopía de efecto túnel con la detección de luz originaria de la unión túnel en condiciones de ultra-alto vacío y de criogenia. Usando este instrumento ha sido posible enfocar la inyección de cargas por debajo del Ångstrom -lo que confiere una resolución electrónica lateral sin parangón- mientras se colectan los fotones originados en las moléculas de C60 en un espectrómetro óptico. Se ha podido comprobar que el decaimiento de plasmones da lugar a un espectro con una gran anchura espectral, alrededor de 200 nm, mientras que la recombinación excitones es responsable de emisión de líneas muy definidas (ver Fig. a).

Usando esta instrumentación se ha podido comprobar que excitones y plasmones están generados por caminos de carga muy diferentes. La inyección de huecos y su confinamiento en trampas de carga originadas por defectos estructurales en la capa de C60 induce la formación de excitones y su posterior decaimiento radiativo –del orden de nanosegundos- mientras que el transporte de electrones a través de las moléculas y un posterior proceso inelástico túnel produce una trasferencia de energía muy rápida –del orden de picosegundos- a los modos plasmónicos del sistema. Aprovechándose de la diferencia entre las dinámicas y el tiempo de vida medio de excitones [5] y plasmones, se ha podido controlar la cantidad de luz originaria de cada mecanismo y controlar el número de excitones y plasmones generados.

Figura

(a) Espectros ópticos de los mecanismos de luminiscencia de excitón (arriba), bimodal (medio) y de plasmón (abajo). Los datos se registraron en condiciones optimizadas para cada caso y se volvieron a escalar para hacerlos comparables (U = -3,0 V e I = 100 pA). (b) Mapas de fotones (13.7 nm × 9.3 nm, U = -3 V) de una terraza de C60 en Au(111) que contiene una región con luminiscencia excitónica y una región con luminiscencia plasmónica, entre medias se obtiene luminiscencia bimodal. Los mapas de corriente constante han sido apilados como capas en una presentación tridimensional semitransparente. Las corrientes correspondientes se indican para cada capa en el lado derecho de la imagen. Para corrientes superiores a 1.5 nA, las intensidades plasmónica y excitónica se vuelven comparables. Todos los mapas de fotones comparten la misma escala de colores que va de 0 a 10 kcts / s.

1. Kuhnke, K. et al. Atomic-Scale Imaging and Spectroscopy of Electroluminescence at Molecular Interfaces. Chem. Rev. 117, 5174-5222 (2017).
2. Artículo destacado: Merino, P. et al. Bimodal exciton-plasmon light sources controlled by local charge carrier injection. Sci. Adv. 4, (2018). http://advances.sciencemag.org/content/4/5/eaap8349.full
3. Große, C. et al. Submolecular Electroluminescence Mapping of Organic Semiconductors. ACS Nano 11, 1230-1237 (2017)
4. Rosławska, A. et al. Single Charge and Exciton Dynamics Probed by Molecular-Scale-Induced Electroluminescence. Nano Lett. 18, 4001–4007 (2018).
5. Merino, P. et al. Exciton dynamics of C60-based single-photon emitters explored by Hanbury Brown–Twiss scanning tunnelling microscopy. Nat. Commun. 6, 8461 (2015).