Controlar el crecimiento de la coraza de puntos cuánticos permite obtener LED infrarojos más eficientes

Los diodos emisores de luz (LED) de infrarrojo de onda corta (SWIR, por sus siglas en inglés), que emiten en longitudes de onda de entre 1000 y 2500 nm, podrían abrir la puerta a aplicaciones fuera del alcance de los LED convencionales de luz visible o de infrarrojo cercano, como la visión artificial, la obtención de imágenes biológicas o las comunicaciones ópticas. Los puntos cuánticos de arseniuro de indio (InAs) se han posicionado recientemente como fuentes de luz de SWIR prometedoras, sobre todo porque no contienen metales pesados, lo que los hace respetuosos con el medio ambiente, y porque pueden procesarse en solución, lo que simplifica la fabricación de dispositivos.

Sin embargo, la emisión de luz de los puntos cuánticos puede debilitarse, principalmente porque su superficie es propensa a presentar defectos. Para evitarlo, se añade otro material alrededor del núcleo a modo de coraza. Esta solución, no obstante, plantea un nuevo reto: dado que el núcleo y la coraza suelen estar hechos de materiales distintos, y por lo tanto el espacio entre sus átomos no es el mismo, se acumulan tensiones en la interfaz entre ambos. Con el tiempo, estas tensiones también acaban generando defectos que reducen el rendimiento cuántico de fotoluminiscencia (PLQY), una medida de la eficiencia con la que un material emite luz.

La comunidad científica busca maneras de aumentar este parámetro al máximo, y un equipo del ICFO, formado por el Dr. Taewan Kim, la Dra. Manuela De Franco, el Dr. Miguel Dosil, el Dr. Jae Taek Oh, el Dr. Rajesh Bera, Marta Martos Valverde, el Dr. Gaurav Kumar, y dirigido por el Prof. ICREA Gerasimos Konstantatos, acaba de proponer un nuevo enfoque. Al comprender cómo crece una coraza de seleniuro de zinc (ZnSe) sobre puntos cuánticos de InAs y controlar cuidadosamente este proceso, han mejorado notablemente la eficiencia de emisión de luz de los puntos. En un estudio publicado en Nature Communications, el equipo ha obtenido un PLQY superior al 55 %, por encima de los valores que suelen registrarse en sistemas comparables, y ha utilizado estos puntos cuánticos para fabricar LED de SWIR basados en InAs que se sitúan en la vanguardia del campo.

Para sintetizar los puntos, los investigadores prepararon primero núcleos de InAs y los trataron con cloruro de zinc (ZnCl₂). Este tratamiento atacó ligeramente la superficie del núcleo y liberó algunos átomos de In y As, que después pudieron incorporarse al crecimiento de la coraza de ZnSe. Como resultado, la interfaz entre núcleo y coraza se formó de manera más gradual, lo que atenuó las tensiones y favoreció el crecimiento de la última. “Los estudios anteriores se habían centrado sobre todo en la estructura final de la coraza. Nuestro trabajo, en cambio, demuestra que la fase inicial de crecimiento también es crucial”, afirma el Dr. Taewan Kim, primer autor del artículo.

El equipo también introdujo una pequeña oxidación en la superficie del núcleo de InAs. Esta interfaz oxidada ayudó a reducir las tensiones que aparecen a medida que la coraza de ZnSe se vuelve más gruesa. “Normalmente, la oxidación se considera perjudicial para los puntos cuánticos, porque puede generar defectos y reducir la emisión de luz”, explica Kim. “Pero, en este caso, una oxidación pequeña y controlada resultó ser beneficiosa”.

Por último, los investigadores fabricaron LED usando los puntos cuánticos de InAs/ZnSe como capa emisora. Los dispositivos lograron tanto emitir en longitudes de onda largas, como una alta eficiencia, alta radiancia y estabilidad de funcionamiento. Así, produjeron unos LED de SWIR basados en puntos cuánticos libres de metales pesados pioneros en el campo. “Conseguir una alta eficiencia de fotoluminiscencia era solo una parte del reto. También teníamos que trasladar estas propiedades a un dispositivo funcional, donde la inyección y el transporte de carga cobran la misma importancia”, señala la Dra. Manuela De Franco, quien dirigió el trabajo con los dispositivos.

Sumados a una emisión dentro del rango de longitudes de onda de las telecomunicaciones (en torno a 1,5 micrómetros), estos resultados abren interesantes oportunidades para la optoelectrónica de SWIR libre de metales pesados y ofrecen una visión más clara sobre cómo la interfaz entre núcleo y coraza determina el rendimiento final de los puntos cuánticos.

Referencia:

Kim, T., De Franco, M., Dosil, M. et al. Controlling the shell growth mechanism and interfacial oxidation of InAs/ZnSe quantum dots for shortwave infrared emission. Nat Commun 17, 9969 (2026).

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-77896-0 

Agradecimientos:

G.K. discloses support for the research of this work from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme [grant agreement no. 101002306], Project PID2024-161119OB-I00 funded by MICIU/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE, MCIN with funding from the European Union NextGenerationEU (PRTR-C17.I1), and the Generalitat de Catalunya. Support was also provided by the Fundació Privada Cellex, the CERCA programme, and the ‘Severo Ochoa’ Centre of Excellence [CEX2024-001490-S; MICIU/AEI/10.13039/501100011033]. T.K. discloses support for the research of this work from the Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea, funded by the Ministry of Education [RS-2024-00413533]. M.D.F. discloses support for the research of this work from MCIU/AEI/10.13039/501100011033 [JDC2024-053091-I] and FSE+ (Fondo Social Europeo Plus). R.B. discloses support for the research of this work from the European Union’s Horizon research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No. 101151468. M.M.V. discloses support for the research of this work from the European Union’s Horizon research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No. 101081441.