Consiguen detectores sensibles y rápidos mediante puntos cuánticos infrarrojos libres de metales pesados para aplicaciones LIDAR sin riesgo ocular
Investigadores del ICFO presentan una nueva estrategia que mejora significativamente el rendimiento de los puntos cuánticos coloidales de telurio de plata para la fotodetección en el infrarrojo de onda corta (SWIR, por sus siglas en inglés). Con ello, allanan el camino para la adopción generalizada de detectores SWIR en la electrónica de consumo y aplicaciones automovilísticas.
El régimen de frecuencia en el infrarrojo de onda corta (SWIR) posee propiedades únicas que lo hacen ideal para diversas aplicaciones, ya que, por ejemplo, se ve menos afectado por la dispersión atmosférica que la luz visible y es seguro para los ojos. Estas aplicaciones incluyen la detección y medición de distancias mediante láser (LIDAR), la localización y el mapeo espacial, la obtención de imágenes en condiciones meteorológicas adversas para vigilancia y seguridad automovilística, el monitoreo ambiental, entre otras.
Sin embargo, la luz SWIR sigue confinada a áreas nicho, como la instrumentación científica y el uso militar, principalmente debido a que fabricar fotodetectores SWIR es un proceso complejo que, además, requiere materiales costosos. En los últimos años, los puntos cuánticos coloidales (nanocristales semiconductores procesados en solución) han surgido como una alternativa para la electrónica de consumo. Tradicionalmente, estos puntos cuánticos han utilizado metales pesados tóxicos como plomo o mercurio, pero también pueden fabricarse con materiales ecológicos como el telurio de plata (Ag₂Te). De hecho, los puntos cuánticos coloidales de telurio de plata muestran un rendimiento comparable al de sus homólogos tóxicos. No obstante, su desarrollo aún está en sus primeras etapas y deben superarse varios desafíos antes de que dichos puntos se puedan usar en aplicaciones prácticas.
Ahora, investigadores del ICFO, el Dr. Yongjie Wang, Hao Wu, la Dra. Carmelita Rodà, el Dr. Lucheng Peng, el Dr. Nima Taghipour, y Miguel Dosil, dirigidos por el Prof. ICREA Gerasimos Konstantatos, han demostrado un nuevo método para fabricar puntos cuánticos coloidales de telurio de plata que aborda estos desafíos. Además, el equipo ha desarrollado la primera prueba de concepto de un LIDAR con luz SWIR utilizando puntos cuánticos coloidales hechos de materiales no tóxicos, logrando medir distancias de más de 10 metros con una resolución de decímetros. Este estudio, publicado en Advanced Materials, representa un paso clave hacia sistemas LIDAR prácticos, rentables y ecológicos para los mercados de electrónica de consumo y automovilístico.
Superando desafíos en puntos cuánticos coloidales no tóxicos para la fotodetección SWIR
Los puntos cuánticos coloidales de telurio de plata han enfrentado tradicionalmente tres desafíos: corriente oscura alta, rango dinámico lineal limitado y velocidad de respuesta reducida.
La corriente oscura es la pequeña corriente eléctrica que fluye a través de un fotodetector incluso en ausencia de luz. Una corriente oscura alta aumenta el ruido y limita la sensibilidad a señales débiles. En aplicaciones LIDAR, esto restringe la capacidad de detectar objetos distantes, ya que las grandes distancias o la interferencia atmosférica atenúan la señal. Por otro lado, el rango dinámico lineal se refiere al intervalo entre la intensidad mínima y máxima de luz detectable: cuanto mayor sea este rango, mejor será el contraste de la escena que el detector SWIR pueda captar. Finalmente, la velocidad de respuesta de un fotodetector mide la rapidez con la que este puede reaccionar a cambios en la intensidad de la luz incidente. Una respuesta rápida es esencial para una medición de distancia precisa y para telecomunicaciones ópticas, entre otras aplicaciones.
Los investigadores del ICFO han logrado mejorar drásticamente estas tres características en comparación con el récord anterior, que ellos mismos habían reportado en Nature Photonics hace poco más de un año. Específicamente, alcanzaron una densidad de corriente oscura inferior a 500 nA/cm², una eficiencia cuántica externa del 30 % a 1400 nanómetros, un rango dinámico lineal superior a 150 decibelios y un tiempo de respuesta de tan solo 25 nanosegundos. Estos resultados alentaron al equipo a construir un LIDAR SWIR de prueba de concepto utilizando, por primera vez, puntos cuánticos coloidales fabricados con materiales compatibles con la directiva de Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS). El dispositivo logró medir distancias de más de 10 metros con una resolución de decímetros, demostrando el prometedor potencial de los puntos cuánticos coloidales de telurio de plata para aplicaciones LIDAR.
"Al comienzo del proyecto, no esperábamos un avance tan significativo en el rendimiento final del dispositivo", recuerda el Dr. Yongjie Wang, primer coautor del artículo. El equipo comenzó optimizando la síntesis de los puntos cuánticos para eliminar defectos superficiales que reducen su eficiencia. Sin embargo, esta estrategia por sí sola no fue suficiente. "Inicialmente, el rendimiento del dispositivo no era muy satisfactorio. No fue hasta que aplicamos un tratamiento posterior con nitrato de plata a nuestra película delgada de puntos cuánticos que observamos mejoras significativas, lo que nos sugirió que esta estrategia de optimización era prometedora", añade el investigador.
La estrategia de ingeniería propuesta impulsa el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos SWIR al aprovechar las ventajas en costos y fabricación de los puntos cuánticos coloidales, al tiempo que mejora considerablemente su rendimiento como alternativa ecológica. Las futuras investigaciones se centrarán en lograr tiempos de respuesta aún más rápidos, una mayor eficiencia cuántica y una operación más confiable en condiciones realistas de temperatura y humedad. Todos estos avances, así como el estudio actual, sirven para acercarnos un paso más al objetivo final: la adopción generalizada de la luz SWIR en la electrónica de consumo.
Referencia:
- Wang, H. Wu, C. Rodà, L. Peng, N. Taghipour, M. Dosil, G. Konstantatos, Shortwave Infrared Light Detection and Ranging Using Silver Telluride Quantum Dots. Adv. Mater. 2025, 2500977.
DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202500977
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 program CERCA and ‘Severo Ochoa’ Centre of Excellence CEX2019-000910-S funded by the Spanish State Research Agency. This project has also received funding from the European Union under grant agreement No 101119489. Views and opinions expressed are however those of the author(s) only and do not necessarily reflect those of the European Union. Neither the European Union nor the granting authority can be held responsible for them. C.R. acknowledges MCIU (Ministerio de Ciencia Innovacion y Universidades)/AEI(Agencia Estatal de Investigacion)/10.13039/501100011033 and European Union “NextGenerationEU”/PRTR under the Juan de La Cierva fellowship JDC2022-049722-I.