Un grupo de investigadores de la Universidad de Minnesota ha desarrollado una forma económica de fabricar de forma repetida un tipo de película fina muy lisa y hecha con patrones a escala nanométrica. Este avance podría tener implicaciones en la fabricación de dispositivos—tales como células solares eficientes, microscopios de más alta resolución, y ordenadores ópticos—que utilizan la luz de forma no convencional.

Las ondas de luz de superficie llamadas plasmones son capaces de hacer cosas que las ondas de luz convencionales no pueden hacer—entrar en espacios más reducidos para conseguir imágenes de alta resolución o circuitos ópticos en miniatura, por ejemplo. Estas ondas de superficie se pueden generar y controlar mediante el brillo de la luz en películas de metal finas, lisas y estampadas. Sin embargo los plasmones se reúnen rápidamente, por lo que las películas metálicas que los guían deben ser muy lisas. No obstante, no resulta fácil fabricar patrones metálicos tan lisos.

“Se han podido demostrar los efectos útiles de los plasmones, pero el problema reside en hacerlo en un substrato que se pueda reproducir de forma económica,” afirma David Norris, profesor de química en la Universidad de Minnesota. Hasta ahora, los investigadores han estado fabricando dispositivos con plasmones de uno en uno, utilizando técnicas tales como el estampado de los patrones metálicos mediante haces de iones o electrones de alta energía. Puesto que cada uno de estos dispositivos está “hecho a medida,” afirma Norris, cada uno es diferente, por lo que la estandarización se hace difícil. Y mientras que estos métodos son buenos para esculpir características a escala nanométrica en el metal, también provocan que la superficie sea menos lisa. Como resultado, la utilización de los plasmones ha sido hasta ahora una curiosidad de laboratorio, más que una tecnología práctica.

La forma en que los plasmones se mueven a través de una película metálica se puede controlar mediante el estampado de la película. Los plamones viajan a través de la superficie de las películas metálicas de igual modo que las ondas viajan sobre la superficie de un estanque. Una rugosidad en el metal es como una hoja en la superficie del estanque, lo que provoca que las ondas se dispersen. El grupo de Norris describe hoy en la revista Science una forma de fabricar patrones metálicos muy lisos utilizando moldes de silicio. Estas superficies son increíblemente lisas—si fueran estanques, las hojas sólo serían de un grosor de cuatro décimas de nanómetro.

Los investigadores de Minnesota utilizan técnicas de litografía provenientes de la industria de los semiconductores para hacer unos patrones de silicio con los que fabricar un molde extremadamente liso, que después cubren con una película metálica. “La superficie de arriba del metal es rugosa, pero la superficie en contacto con el silicio es bastante lisa,” afirma Norris. Después cubren la película con un fuerte adhesivo y desprenden el metal estampado para que el lado liso quede expuesto. Los moldes de silicio se pueden utilizar una y otra vez. Los investigadores de Minnesota han utilizado esta técnica para fabricar estructuras circulares como las ventanas con configuración de diana, cadenas de bultos y pirámides, así como largas crestas.

Existen muchos procesos competitivos para fabricar películas lisas, afirma Nicholas Fang, profesor asistente de ciencia mecánica e ingeniería en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. El método de Norris para alisar las superficies de metal es “bastante único,” afirma Fang, y debería resultar útil para la fabricación de estructuras plasmónicas, particularmente si los moldes resultan ser duraderos a largo plazo. Sin embargo, la rugosidad de la superficie es sólo uno de los problemas existentes con los plasmónicos, afirma Fang. Lo que necesitamos ahora es desarrollar métodos para hacer que los bordes de estas películas metálicas estampadas sean lisos.

Harry Atwater, profesor de física aplicada y ciencia de los materiales en Caltech, está de acuerdo. “Cuando fabricas guías de ondas, los bordes son tan importantes como las superficies.” Atwater está desarrollando unos concentradores plasmónicos para células solares. Las células solares de silicio tienen normalmente un grosor de 100 micrómetros; si las células fuesen más finas serían más baratas, aunque su rendimiento se vería afectado. Atwater ha descubierto que si se añade una capa estampada de metal que pueda interactuar con los plasmones, esto hace posible que se pueda recoger y concentrar la luz desde ángulos más amplios y mejorar el rendimiento en las células solares de silicio. Las técnicas para imprimir plasmónicos en células solares tendrán que ser económicas y escalables puesto que el coste por unidad de área es un factor muy importante dentro de la industria fotovoltaica. La técnica de Norris es “una idea útil,” señala Atwater, pero sólo el paso del tiempo dirá si es capaz de funcionar de forma repetida en las grandes áreas que requieren las células solares.

El futuro de los plasmónicos, afirma Atwater, pobablemente se dará en nuevos materiales al margen del metal. Otros metales como el oro y la plata, que se llevan usando en plasmónicos desde hace una década, poseen una resistencia eléctrica intrínseca que hace que los plasmones se dispersen, sin importar la suavidad de la superficie y los bordes. El grafeno, un material de carbono que posee una baja resistencia, puede que acabe funcionando bien. Atwater señala que los científicos también tendrán que “desempolvar los libros de texto de metalurgia” para buscar otros materiales.