De esfera a tetraedro: una nueva estrategia de crecimiento para detectar luz infraroja con puntos cuánticos
Investigadores del ICFO han propuesto un nuevo método para sintetizar puntos cuánticos coloidales de arseniuro de indio para la detección de luz SWIR. Presentada en Advanced Materials, esta alternativa, segura y económica, supera las limitaciones anteriores y, como tal, allana el camino hacia la optoelectrónica SWIR de alto rendimiento.
La luz infrarroja de onda corta (SWIR, por sus siglas en inglés) puede utilizarse para obtener imágenes a través del humo y la niebla, así como de noche y a distancia, manteniendo en todo momento la seguridad ocular. Pero, ¿cómo podemos desarrollar todas estas aplicaciones? Los puntos cuánticos coloidales (diminutos semiconductores que se comportan como un solo átomo) hechos de arseniuro de indio (InAs CQD, por sus siglas en inglés) podrían contener la respuesta. Estos nanomateriales tienen una alta capacidad de ajuste, cumplen con las restricciones sobre sustancias peligrosas (normativa RoHS) y resisten relativamente bien el calor y los cambios de temperatura. Sin embargo, los métodos existentes para sintetizarlos plantean grandes desafíos.
La dificultad surge de una propiedad fundamental de los puntos cuánticos: cuanto más grandes son, mayor es la longitud de onda que absorben. Eso provoca que alcanzar el rango SWIR (900-2.500 nanómetros) sea experimentalmente complicado, ya que se necesitan puntos cuánticos considerablemente grandes.
Algunas estrategias de crecimiento se basan en ligandos de oleato que se unen de manera uniforme a la superficie de la nanopartícula. Dado que el material se añade al mismo ritmo en todas las direcciones, este método produce partículas esféricas, que crecen rápida y uniformemente, pero solo hasta cierto punto. Más allá de un determinado tamaño, el crecimiento se ralentiza, lo que normalmente restringe el rango práctico del método al infrarrojo cercano.
Otras estrategias emplean ligandos de cloruro y amina, que se acumulan selectivamente en cuatro facetas de la nanopartícula, produciendo una forma que se asemeja a un tetraedro. Un punto cuántico con esta forma contiene mucho menos material que uno esférico del mismo ancho, por lo que, en principio, CQDs más pequeños podrían alcanzar el rango SWIR. Esto, sin embargo, tiene un coste asociado, ya que hacer crecer un tetraedro de esta manera es lento, un obstáculo que normalmente se evita aumentando la temperatura por encima de los 300ºC y/o prolongando los tiempos de reacción, algo poco práctico para alcanzar el rango SWIR profundo.
Una metodología novedosa: crecer rápidamente primero, dar forma después
Investigadores del ICFO, el Dr. Taewan Kim, el Dr. Jae Taek Oh, Hao Wu, Marta Martos Valverde, y el Dr. Debranjan Mandal, dirigidos por el Prof. ICREA Gerasimos Konstantatos, han superado ahora estas limitaciones combinando lo mejor de ambos mundos. Su método al principio favorece el crecimiento esférico, lo que permite que la nanopartícula crezca considerablemente a temperaturas moderadas (260-280 °C) en menos de una hora. Una vez que la partícula ha alcanzado un tamaño suficiente, su forma va derivando gradualmente hacia el tetraedro, que es más eficiente, llegando finalmente a absorber longitudes de onda SWIR superiores a 1.700 nanómetros con un volumen casi cuatro veces menor que su equivalente esférico.
Los resultados, publicados en Advanced Materials, se obtuvieron utilizando precursores amino-arsénico y ligandos de cloruro, que favorecen la forma tetraédrica, junto con ácido oleico y ligandos de trioctilfosfina (TOP), que suprimen temporalmente esa unión selectiva a ciertas facetas, sobre todo al principio de la reacción.
"Nuestra estrategia induce un crecimiento inicial esférico y rápido, pero, debido a la presencia de ligandos de cloruro, la tendencia hacia las facetas tetraédricas nunca desaparece, simplemente se retrasa", explica el Dr. Taewan Kim, primer autor del artículo. "Con el tiempo, el cloruro termina imponiéndose y la forma se va asemejando al tetraedro", añade.
El método desarrollado en el ICFO cuenta con beneficios adicionales más allá de los asociados al cambio de forma. Por un lado, los precursores elegidos ofrecen ventajas prácticas tanto en términos de seguridad como de accesibilidad. Por otro lado, los ligandos empleados mejoran la conversión de los puntos en tintas, lo que facilita considerablemente la fabricación de fotodetectores.
Finalmente, los dispositivos resultantes mostraron un alto rendimiento optoelectrónico y una velocidad de respuesta rápida a la hora de detectar luz SWIR, evidenciando el gran potencial de la estrategia. El estudio ofrece así información crucial sobre cómo la forma puede superar los límites intrínsecos de los CQD en cuanto a volumen, ofreciendo una vía alternativa para la comercialización industrial de fotodetectores SWIR.
Referencia:
- Kim, J. T. Oh, H. Wu, M. M. Valverde, D. Mandal, and G. Konstantatos, “ Ligand-Mediated Shape Engineering of SWIR InAs Colloidal Quantum Dots for Photodetector Applications.” Advanced Materials (2026): e74004.
DOI: https://doi.org/10.1002/adma.74004
Agradecimientos:
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 European Union under grant agreement No 101119489 (2DNeuralvision) and Project PID2024-161119OB-I00 funded by MICIU/AEI/ 10.13039/501100011033/FEDER, UE. We also acknowledge support from the Fundació Privada Cellex, the program CERCA and ‘Severo Ochoa’ Centre of Excellence.
European Research Council (ERC) under the European Union's Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement no. 101002306), the European Union under grant agreement No 101119489 (2DNeuralvision) and Project PID2024-161119OB-I00 funded by MICIU/AEI/ 10.13039/501100011033/FEDER, UE, the Fundació Privada Cellex, the program CERCA and ‘Severo Ochoa’ Centre of Excellence CEX2024-001490-S [MICIU/AEI/10.13039/501100011033].