Los diodos emisores de luz (LEDs) de infrarrojo de onda corta (SWIR, por sus siglas en inglés), que emiten en longitudes de onda de entre 1000 y 2500 nanómetros (nm), podrían abrir la puerta a aplicaciones fuera del alcance de los LEDs convencionales de luz visible o de infrarrojo cercano, en campos 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 infrarrojo de onda corta 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 interfase 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 Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Castelldefels, Barcelona, Cataluña, España, acaba de proponer un nuevo enfoque. Este equipo incluye a Taewan Kim, Manuela De Franco, Miguel Dosil, Jae Taek Oh, Rajesh Bera, Marta Martos Valverde y Gaurav Kumar, y lo ha dirigido Gerasimos Konstantatos, científico contratado por la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA).
Al averiguar cómo exactamente crece una coraza de seleniuro de zinc (ZnSe) sobre puntos cuánticos de arseniuro de indio y controlar cuidadosamente este proceso, los autores del nuevo estudio han mejorado notablemente la eficiencia de emisión de luz de los puntos cuánticos. Concretamente, el equipo ha obtenido un rendimiento cuántico de fotoluminiscencia superior al 55%, por encima de los valores que suelen registrarse en sistemas comparables, y ha utilizado estos puntos cuánticos para fabricar LEDs de infrarrojo de onda corta basados en arseniuro de indio que se sitúan en la vanguardia del campo.
Para sintetizar los puntos, los investigadores prepararon primero núcleos de arseniuro de indio y los trataron con cloruro de zinc (ZnCl₂). Este tratamiento atacó ligeramente la superficie del núcleo y liberó algunos átomos de indio y arsénico, que después pudieron incorporarse al crecimiento de la coraza de seleniuro de zinc. 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 Taewan Kim, primer firmante del estudio.
El equipo también introdujo una pequeña oxidación en la superficie del núcleo de arseniuro de indio. Esta interfaz oxidada ayudó a reducir las tensiones que aparecen a medida que la coraza de seleniuro de zinc 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 LEDs usando los puntos cuánticos de arseniuro de indio / seleniuro de zinc como capa emisora. Los dispositivos lograron tanto emitir en longitudes de onda largas, como una alta eficiencia, una alta radiancia y una buena estabilidad de funcionamiento. Así, produjeron unos LEDs de infrarrojo de onda corta basados en puntos cuánticos libres de metales pesados, y 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 Manuela De Franco, quien dirigió el trabajo con los nuevos LEDs.
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 infrarrojo de onda corta libre de metales pesados y ofrecen una visión más clara sobre cómo la interfase entre núcleo y coraza determina el rendimiento final de los puntos cuánticos.
El estudio se titula “Controlling the shell growth mechanism and interfacial oxidation of InAs/ZnSe quantum dots for shortwave infrared emission”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Communications.
