Producción avanzada de puntos cuánticos de antimoniuro de indio para detectar luz infrarroja

Los puntos cuánticos, pequeños semiconductores que se comportan como un solo átomo, pueden absorber y emitir luz en diferentes longitudes de onda según su tamaño (cuanto más grandes son los puntos, mayor es la longitud de onda). En particular, los puntos cuánticos hechos de antimoniuro de indio presentan múltiples ventajas. Son respetuosos con el medio ambiente, cumplen con las restricciones de sustancias peligrosas (normativa RoHS) y pueden integrarse con tecnología CMOS (la principal tecnología utilizada para fabricar chips de circuitos integrados).

Más importante aún, pueden acceder al régimen de infrarrojo de onda corta (SWIR), que puede utilizarse para generar imágenes a través de humo y niebla, así como de noche y desde una ubicación remota, todo ello manteniendo la seguridad ocular. Pero para poder obtener puntos cuánticos de antimoniuro de indio de alta calidad adecuados para aplicaciones optoelectrónicas avanzadas, es crucial comprender los mecanismos que gobiernan su formación y crecimiento.

Ahora, se ha conseguido desarrollar un método de síntesis llamado enfoque controlado por concentración de monómeros (MCCA) que produce puntos cuánticos de antimoniuro de indio lo suficientemente grandes como para absorber luz SWIR.

El logro es obra de un equipo que incluye a Lucheng Peng, Miguel Dosil, Debranjan Mandal, Hao Wu, Aditya Malla y Gerasimos Konstantatos, todos del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels, Barcelona, Cataluña, España. Konstantatos es además un profesor contratado por la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA).

Puntos cuánticos de antimoniuro de indio, vistos mediante microscopio electrónico de transmisión. (Imagen: Nature Communications)

La nueva técnica de fabricación produce una distribución de tamaño homogénea, lo que permite que los puntos cuánticos absorban una longitud de onda muy precisa dentro del rango SWIR (de 950 a 1900 nanómetros). Basándose en este enfoque, los investigadores también construyeron fotodetectores SWIR cuya eficiencia cuántica externa supera a la de todos los dispositivos anteriores basados en puntos cuánticos sin metales pesados.

En cambio, métodos anteriores como el de inyección continua producen puntos cuánticos que, en general, son demasiado pequeños o, cuando crecen más, sufren una distribución de tamaño muy amplia. La razón, según ha demostrado el equipo del ICFO, es la inyección constante de precursores químicos, que reaccionan para formar moléculas de antimoniuro de indio (monómeros).

Tradicionalmente, se ha creído que la inyección continua es esencial porque se necesita una alta concentración de moléculas para que estas se unan entre sí y formen pequeños núcleos (las semillas que luego crecen hasta convertirse en puntos cuánticos). "Esto es útil al principio, para obtener un gran número de semillas. Pero llega un momento en que no quieres más núcleos, sino que los núcleos allí presentes crezcan más", explica Lucheng Peng. Sin embargo, la inyección continua satura el medio con moléculas de antimoniuro de indio, que tienden a agruparse formando nuevos núcleos en lugar de unirse a los existentes.

El cambio conceptual propuesto por el equipo es bastante sencillo: reemplazar la inyección continua por un proceso de inyección en dos pasos. En la primera fase (fase de nucleación), que dura solo 30 segundos, los precursores se introducen continuamente en grandes cantidades, igual que en el método anterior. Luego, la velocidad de inyección se reduce drásticamente, ralentizando la concentración de nuevas moléculas para que “prefieran” unirse a los núcleos ya formados (fase de crecimiento).

Como resultado, los puntos cuánticos logran tamaños grandes y uniformemente distribuidos. Estos puntos cuánticos de antimoniuro de indio de alta calidad se encapsularon posteriormente en una capa de fosfuro de indio, lo que mejoró la estabilidad y el rendimiento del dispositivo y condujo a fotodetectores SWIR (hasta 1,7 µm) con altas eficiencias cuánticas externas. Según Konstantatos: "Este hallazgo no solo ofrece una plataforma adecuada para investigar más a fondo la fotofísica de esta clase de puntos cuánticos, sino que también desencadena muchas aplicaciones para la optoelectrónica SWIR, como los fotodetectores, los LEDs e incluso los láseres".

Peng y sus colegas exponen los detalles técnicos de su innovación en la revista académica Nature Communications, bajo el título “Synthesis of monodisperse InSb colloidal quantum dots by monomer concentration control for short-wave infrared photodetectors”. (Fuente: ICFO)