Una nueva química de superficie acerca los detectores infrarrojos de puntos cuánticos al rendimiento comercial

Los puntos cuánticos coloidales son diminutos cristales semiconductores cuyas propiedades ópticas y electrónicas pueden ajustarse con precisión controlando su tamaño. A diferencia de los semiconductores cristalinos convencionales, se sintetizan en disolución y pueden depositarse sobre distintos sustratos mediante métodos de procesado relativamente sencillos, además de integrarse fácilmente con la electrónica CMOS. Su versatilidad, escalabilidad y bajo coste los convierten en piezas muy atractivas para todo tipo de tecnologías, desde células solares y dispositivos emisores de luz hasta fotodetectores infrarrojos y sistemas de imagen.

Sin embargo, pese a décadas de avances, a los semiconductores de puntos cuánticos les ha costado igualar la calidad electrónica de sus homólogos monocristalinos, como el arseniuro de galio e indio (InGaAs). Una de las principales razones tiene que ver con su superficie, donde los enlaces químicos imperfectos generan defectos electrónicos que limitan el rendimiento del dispositivo final.

El problema se agrava especialmente en los puntos cuánticos de sulfuro de plomo (PbS) de mayor tamaño, necesarios para absorber luz en longitudes de onda infrarrojas más largas. A medida que crecen, los puntos cuánticos exponen facetas distintas, entre ellas superficies no polares (es decir, sin carga eléctrica neta), que son difíciles de proteger con los tratamientos químicos convencionales.

Ahora, los investigadores del ICFO, el Dr. Debranjan Mandal, el Dr. Yongjie Wang, la Dra. Carmelita Rodà, el Dr. Miguel Dosil, el Dr. Gaurav Kumar y el Dr. Lucheng Peng, dirigidos por el Prof. ICREA Gerasimos Konstantatos, han desarrollado una nueva estrategia de pasivación para neutralizar estos defectos superficiales que, en lugar de recurrir a los tratamientos tradicionales basados en haluros, se apoya en la química de los tiolatos metálicos. Tal como demuestran en el estudio publicado en Nature Communications, los tiolatos permiten pasivar de forma más eficaz las facetas no polares de los puntos cuánticos grandes de PbS, sin dejar de actuar sobre sus superficies polares. Como resultado, los puntos cuánticos presentan una calidad electrónica y una estabilidad térmica muy superiores a las de los materiales tratados de forma convencional.

“Durante años, uno de los grandes retos de la tecnología de puntos cuánticos coloidales ha sido entender por qué estos materiales, a pesar de sus atractivas propiedades, siguen sufriendo pérdidas electrónicas mucho mayores que las de los semiconductores convencionales”, explica el profesor ICREA Gerasimos Konstantatos, investigador principal del artículo. “Ahora hemos identificado que la pasivación incompleta de las superficies no polares contribuye significativamente a producir estas pérdidas”.

De materiales mejorados a fotodetectores infrarrojos de alto rendimiento, y más allá

Para demostrar el impacto tecnológico de su enfoque, los investigadores incorporaron los puntos cuánticos de PbS tratados en fotodiodos de infrarrojo de onda corta (SWIR). Los dispositivos mostraron corrientes de oscuridad y niveles de ruido eléctrico excepcionalmente bajos, con un rendimiento muy superior al de los fotodetectores SWIR de puntos cuánticos descritos hasta ahora. Y, sobre todo, alcanzaron una sensibilidad comparable a la de los fotodiodos comerciales de InGaAs.

El alcance de este logro va, sin embargo, mucho más allá de la detección infrarroja. En concreto, la nueva estrategia de pasivación podría mejorar el rendimiento de las tecnologías fotovoltaicas basadas en puntos cuánticos, en las que las pérdidas de voltaje siguen siendo una limitación importante.

“Lo que hace especialmente relevante este resultado es que estamos abordando una limitación fundamental del propio material semiconductor, y no simplemente optimizando un dispositivo concreto”, explica el Dr. Debranjan Mandal, primer autor del estudio. “Por eso, las mejoras en calidad electrónica y estabilidad podrían beneficiar a varias tecnologías de puntos cuánticos, como la fotovoltaica y la optoelectrónica infrarroja”, destaca.

En conjunto, el estudio muestra cómo los avances en el control químico a escala nanométrica pueden traducirse en semiconductores con mejores prestaciones y mejorar así las tecnologías de puntos cuánticos procesados en disolución para que se acerquen a los estándares de los materiales cristalinos convencionales. En última instancia, esto podría facilitar la incorporación de los fotodetectores SWIR y otros dispositivos optoelectrónicos al mercado comercial e industrial.

Referencia

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

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 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.