Los sensores de luz infrarroja de onda corta (SWIR) son deseables en una amplia gama de aplicaciones, particularmente en los sectores de robótica de servicios, automoción y electrónica de consumo. Los puntos cuánticos coloidales sintonizados con SWIR son prometedores para este tipo de sensores, ya que pueden integrarse fácilmente en CMOS, pero su uso en el mercado masivo se ha visto obstaculizado por el hecho de que la mayoría contiene metales pesados tóxicos como plomo o mercurio. Ahora, un equipo de científicos ha fabricado puntos cuánticos a partir de materiales no tóxicos y los ha probado en un fotodetector fabricado a escala de laboratorio, según un artículo reciente publicado en la revista Nature Photonics.
«La luz SWIR para la detección y la obtención de imágenes es de suma importancia debido a sus características únicas», escribieron los autores. «Es seguro para los ojos; puede penetrar a través de la niebla, la neblina y otras condiciones atmosféricas, lo que permite obtener imágenes en condiciones climáticas adversas para aplicaciones automotrices, ambientales y de detección remota; la presencia de brillo nocturno en el rango SWIR permite la visión nocturna pasiva; y las imágenes visuales combinadas con la espectroscopia infrarroja permiten la visión artificial, la bioimagen y la inspección de la calidad de los alimentos y procesos», entre otras aplicaciones.
Como se informó anteriormente, un punto cuántico es una pequeña perla semiconductora de unas pocas decenas de átomos de diámetro. En la cabeza de un alfiler podrían caber miles de millones, y cuanto más pequeños puedas hacerlos, mejor. En esas pequeñas escalas, los efectos cuánticos entran en acción y otorgan a los puntos propiedades eléctricas y ópticas superiores. Brillan intensamente cuando se les aplica luz, y el color de esa luz está determinado por el tamaño de los puntos cuánticos. Los puntos más grandes emiten una luz más roja; los puntos más pequeños emiten una luz más azul. De modo que es posible adaptar los puntos cuánticos a frecuencias de luz específicas simplemente cambiando su tamaño.
Los puntos cuánticos, que alguna vez se consideraron imposibles de fabricar, se han convertido en un componente común en monitores de computadora, pantallas de televisión y lámparas LED, entre otros usos. Por ejemplo, los puntos cuánticos permiten a los fabricantes de televisores sintonizar con precisión los colores emitidos, produciendo tonos más precisos en un rango más amplio, todo ello utilizando menos electricidad. Son útiles como alternativa a los tintes orgánicos utilizados para etiquetar agentes reactivos en biosensores basados en fluorescencia y se han incorporado en ventanas de vidrio para convertirlas esencialmente en energía fotovoltaica, recolectando potencialmente pequeñas cantidades de energía solar para compensar los costos de energía del hogar.
En 2013, físicos alemanes construyeron el equivalente experimental del demonio de Maxwell con un par de puntos cuánticos que interactúan. En 2015, los científicos crearon «puntos de orina» cuánticos a partir de orina reciclada y los utilizaron para obtener imágenes biológicas de células de ratón. Las aplicaciones futuras podrían incluir la incorporación de puntos cuánticos en electrónica flexible, sensores diminutos y células solares o su uso en sistemas de comunicación cuánticos cifrados.
Los autores de este último artículo provienen del Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona (BIST) y Qurv Technologies en España. El equipo del BIST estaba buscando formas de sintetizar nanocristales de telururo de bismuto de plata para dispositivos fotovoltaicos y notó que el telururo de plata era uno de los subproductos. El telururo de plata tenía propiedades ideales para los puntos cuánticos coloidales, sobre todo la sintonizabilidad. Entonces el equipo cambió de rumbo y desarrolló un proceso para producir puntos cuánticos de telururo de plata.
Los puntos cuánticos resultantes tenían una buena distribución de tamaños y eran sintonizables en un amplio rango espectral, incluido SWIR. El siguiente paso fue incorporar esos puntos cuánticos en un fotodetector a escala de laboratorio. Fue un desafío revertir la configuración habitual del dispositivo, ya que la luz brilla desde la parte inferior de la mayoría de los dispositivos a escala de laboratorio, mientras que las pilas CQD integradas con CMOS implican iluminar la luz desde la parte superior, con la electrónica CMOS en la parte inferior. El primer intento tuvo sólo un éxito moderado porque el fotodiodo resultante no funcionó tan bien como se esperaba en el rango SWIR.
Los investigadores del BIST rediseñaron el sensor con una capa de amortiguación adicional para solucionar el problema, lo que dio como resultado un sensor SWIR mucho más eficaz. Luego colaboraron con científicos de Qurv para construir un sensor de imagen SWIR de prueba de concepto hecho de puntos cuánticos no tóxicos operables a temperatura ambiente. Pudieron capturar imágenes de la transmisión de la oblea de silicio bajo luz SWIR y mirar dentro de botellas de plástico que son opacas bajo luz visible. El siguiente paso es rediseñar la pila de capas para mejorar aún más el rendimiento de los fotodiodos, además de explorar otras químicas de superficie.
Nature Photonics, 2024. DOI: 10.1038/s41566-023-01345-3 (Acerca de los DOI).
Puntos cuánticos no tóxicos para sensores de imagen infrarroja de onda corta CMOS para electrónica de consumo.