Una nova química de superfície acosta els detectors infrarojos de punts quàntics al rendiment comercial

Els punts quàntics col·loidals són cristalls semiconductors diminuts amb unes propietats òptiques i electròniques que es poden ajustar amb precisió controlant-ne la mida. A diferència dels semiconductors cristal·lins convencionals, se sintetitzen en dissolució i es poden dipositar sobre diferents substrats mitjançant mètodes de processament relativament senzills, a més d’integrar-se fàcilment amb l’electrònica CMOS. La seva versatilitat, escalabilitat i baix cost els converteixen en peces molt atractives per a tota mena de tecnologies, des de cèl·lules solars i dispositius emissors de llum fins a fotodetectors infrarojos i sistemes d’imatge.

Tanmateix, malgrat dècades d’avenços, als semiconductors de punts quàntics els ha costat igualar la qualitat electrònica dels seus homòlegs monocristal·lins, com l’arsenur de gal·li i indi (InGaAs). Un dels motius principals té a veure amb la seva superfície, on els enllaços químics imperfectes generen defectes electrònics que limiten el rendiment del dispositiu final.

El problema s’agreuja especialment en els punts quàntics de sulfur de plom (PbS) de mida més gran, els quals són necessaris per absorbir llum en longituds d’ona infraroges més llargues. A mesura que creixen, els punts quàntics exposen facetes diferents, entre les quals hi ha superfícies no polars (és a dir, sense càrrega elèctrica neta), que són difícils de protegir amb els tractaments químics convencionals.

Ara, els investigadors de l’ICFO el Dr. Debranjan Mandal, el Dr. Yongjie Wang, la Dra. Carmelita Rodà, el Dr. Miguel Dosil, el Dr. Gaurav Kumar i el Dr. Lucheng Peng, dirigits pel Prof. ICREA Gerasimos Konstantatos, han desenvolupat una nova estratègia de passivació per neutralitzar aquests defectes superficials que, en lloc de recórrer als tractaments tradicionals basats en halurs, es fonamenta en la química dels tiolats metàl·lics. Tal com demostren en l’estudi publicat a Nature Communications, els tiolats permeten passivar de manera més eficaç les facetes no polars dels punts quàntics grans de PbS, sense deixar d’actuar sobre les seves superfícies polars. Com a resultat, els punts quàntics presenten una qualitat electrònica i una estabilitat tèrmica molt superiors a les dels materials tractats de manera convencional.

“Durant anys, un dels grans reptes de la tecnologia de punts quàntics col·loidals ha estat entendre per què aquests materials, malgrat les seves propietats atractives, continuen patint pèrdues electròniques molt més grans que les dels semiconductors convencionals”, explica el professor ICREA Gerasimos Konstantatos, investigador principal de l’article. “Ara hem identificat que la passivació incompleta de les superfícies no polars contribueix de manera significativa a generar aquestes pèrdues”.

De materials millorats a fotodetectors infrarojos d’alt rendiment, i més enllà

Per demostrar l’impacte tecnològic del seu plantejament, els investigadors van incorporar els punts quàntics de PbS tractats en fotodíodes d’infraroig d’ona curta (SWIR). Els dispositius van mostrar corrents fosques i nivells de soroll elèctric excepcionalment baixos, amb un rendiment molt superior al dels fotodetectors SWIR de punts quàntics descrits fins ara. I, sobretot, van assolir una sensibilitat comparable a la dels fotodíodes comercials d’InGaAs.

Ara bé, l’abast d’aquest assoliment va molt més enllà de la detecció infraroja. En concret, la nova estratègia de passivació podria millorar el rendiment de les tecnologies fotovoltaiques basades en punts quàntics, en què les pèrdues de voltatge continuen sent una limitació important.

“El que fa especialment rellevant aquest resultat és que estem abordant una limitació fonamental del mateix material semiconductor, i no simplement optimitzant un dispositiu concret”, explica el Dr. Debranjan Mandal, primer autor de l’estudi. “Per això, les millores en qualitat electrònica i estabilitat podrien beneficiar diverses tecnologies de punts quàntics, com la fotovoltaica i l’optoelectrònica infraroja”, destaca.

En conjunt, l’estudi mostra com els avenços en el control químic a escala nanomètrica es poden traduir en semiconductors amb millors prestacions, la qual cosa podria millorar les tecnologies de punts quàntics processats en dissolució per tal que s’acostin als estàndards dels materials cristal·lins convencionals. En última instància, això podria facilitar la incorporació dels fotodetectors SWIR i altres dispositius optoelectrònics al mercat comercial i industrial.

Referència

Mandal, D., Wang, Y., Rodà, C. et al. "Non-polar surface passivation of PbS Quantum Dots using metal thiolates enables photodiodes rivaling InGaAs performance." Nature Communications (2026).

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-78740-1

Agraïments

G.K. acknowledges financial support from the European Research Council (ERC) under the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement no. 101002306), the Fundació Privada Cellex, the CERCA programme and the Severo Ochoa Center of Excellence CEX2019-000910-S funded by the Spanish State Research Agency.

C.R. acknowledges MCIU/AEI/10.13039/501100011033 and the European Union NextGenerationEU/PRTR under the Juan de la Cierva fellowship JDC2022-049722-I.