Trovare nuovi materiali semiconduttori che emettono luce è essenziale per lo sviluppo di un'ampia gamma di dispositivi elettronici. Ma realizzare strutture artificiali che emettono luce su misura per le nostre esigenze specifiche è una proposta ancora più attraente. Però, l'emissione di luce in un semiconduttore si verifica solo quando sono soddisfatte determinate condizioni. Oggi, ricercatori dell'Università di Ginevra (UNIGE), Svizzera, in collaborazione con l'Università di Manchester, hanno scoperto un'intera classe di materiali bidimensionali che hanno lo spessore di uno o pochi atomi. Quando combinati insieme, questi cristalli atomicamente sottili sono in grado di formare strutture che emettono luce personalizzabile nel colore desiderato. Questa ricerca, pubblicato sulla rivista Materiali della natura , segna un passo importante verso la futura industrializzazione dei materiali bidimensionali.

i materiali semiconduttori in grado di emettere luce sono utilizzati in settori diversi come le telecomunicazioni, dispositivi emettitori di luce (LED) e diagnostica medica. L'emissione di luce si verifica quando un elettrone salta all'interno del semiconduttore da un livello di energia superiore a un livello inferiore. È la differenza di energia che determina il colore della luce emessa. Per produrre luce, la velocità dell'elettrone prima e dopo il salto deve essere esattamente la stessa, una condizione che dipende dallo specifico materiale semiconduttore considerato. Solo alcuni semiconduttori possono essere utilizzati per l'emissione di luce:ad esempio, il silicio, utilizzato per realizzare i nostri computer, non può essere impiegato per la produzione di LED.

"Ci siamo chiesti se i materiali bidimensionali potessero essere utilizzati per realizzare strutture che emettono luce con il colore desiderato, " spiega Alberto Morpurgo, professore presso il Dipartimento di Fisica della Materia Quantistica, presso la Facoltà di Scienze dell'UNIGE. I materiali bidimensionali sono cristalli perfetti che, come il grafene, hanno uno o pochi atomi di spessore. Grazie ai recenti progressi tecnici, diversi materiali bidimensionali possono essere impilati uno sopra l'altro per formare strutture artificiali che si comportano come semiconduttori. Il vantaggio di questi "semiconduttori artificiali" è che i livelli energetici possono essere controllati selezionando la composizione chimica e lo spessore dei materiali che compongono la struttura.

"Semiconduttori artificiali di questo tipo sono stati realizzati per la prima volta solo due o tre anni fa, " spiega Nicolas Ubrig, un ricercatore nel gruppo guidato dal professor Morpurgo. "Quando i materiali bidimensionali hanno esattamente la stessa struttura e i loro cristalli sono perfettamente allineati, questo tipo di semiconduttore artificiale può emettere luce. Ma è molto raro." Queste condizioni sono così rigide che lasciano poca libertà di controllare la luce emessa.

Luce personalizzata

"Il nostro obiettivo era riuscire a combinare diversi materiali bidimensionali per emettere luce pur essendo liberi da tutti i vincoli, "continua il professor Morpurgo. I fisici pensavano che, se potessero trovare una classe di materiali in cui la velocità degli elettroni prima e dopo la variazione del livello di energia fosse zero, sarebbe uno scenario ideale che soddisfi sempre le condizioni per l'emissione di luce, indipendentemente dai dettagli dei reticoli cristallini e dal loro orientamento relativo.

Un gran numero di semiconduttori bidimensionali noti hanno una velocità di elettroni zero nei relativi livelli energetici. Grazie a questa diversità di composti, molti materiali diversi possono essere combinati, e ogni combinazione è un nuovo semiconduttore artificiale che emette luce di un colore specifico. "Una volta che abbiamo avuto l'idea, è stato facile trovare i materiali da utilizzare per realizzarlo, " aggiunge il professor Vladimir Fal'ko dell'Università di Manchester. I materiali utilizzati nella ricerca includevano vari dicalcogenuri di metalli di transizione (come MoS2, MoSe2 e WS2) e InSe. Sono stati individuati altri possibili materiali che saranno utili per ampliare la gamma di colori della luce emessa da questi nuovi semiconduttori artificiali.

Luce su misura per l'industrializzazione di massa

"Il grande vantaggio di questi materiali 2-D, grazie al fatto che non ci sono più i presupposti per l'emissione di luce, è che forniscono nuove strategie per manipolare la luce come meglio crediamo, con l'energia e il colore che vogliamo avere, " continua Ubrig. Questo significa che è possibile ideare applicazioni future a livello industriale, poiché la luce emessa è robusta e non c'è più bisogno di preoccuparsi dell'allineamento degli atomi.