Diminuto, partículas fáciles de producir, llamados puntos cuánticos, pronto puede ocupar el lugar de los semiconductores monocristalinos más caros en la electrónica avanzada que se encuentra en los paneles solares, sensores de cámara y herramientas de imágenes médicas. Aunque los puntos cuánticos han comenzado a irrumpir en el mercado de consumo, en forma de televisores de puntos cuánticos, se han visto obstaculizados por las incertidumbres de larga data sobre su calidad. Ahora, una nueva técnica de medición desarrollada por investigadores de la Universidad de Stanford finalmente puede disolver esas dudas.

"Los semiconductores tradicionales son monocristales, cultivado al vacío en condiciones especiales. Estos podemos hacer en grandes cantidades, en frasco, en un laboratorio y hemos demostrado que son tan buenos como los mejores monocristales, "dijo David Hanifi, estudiante de posgrado en química en Stanford y coautor principal del artículo escrito sobre este trabajo, publicado el 15 de marzo en Ciencias .

Los investigadores se centraron en la eficacia con la que los puntos cuánticos reemiten la luz que absorben. una medida reveladora de la calidad de los semiconductores. Si bien los intentos anteriores de averiguar la eficiencia de los puntos cuánticos insinuaban un alto rendimiento, este es el primer método de medición que demuestra con seguridad que pueden competir con los monocristales.

Este trabajo es el resultado de una colaboración entre los laboratorios de Alberto Salleo, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford, y Paul Alivisatos, el Profesor Distinguido de Samsung de Nanociencia y Nanotecnología en la Universidad de California, Berkeley, quien es un pionero en la investigación de puntos cuánticos y autor principal del artículo. Alivisatos enfatizó cómo la técnica de medición podría conducir al desarrollo de nuevas tecnologías y materiales que requieran conocer la eficiencia de nuestros semiconductores en un grado minucioso.

"Estos materiales son tan eficientes que las mediciones existentes no fueron capaces de cuantificar qué tan buenos son. Este es un gran paso adelante, ", dijo Alivisatos." Algún día puede permitir aplicaciones que requieran materiales con una eficiencia de luminiscencia muy por encima del 99 por ciento, la mayoría de los cuales aún no se han inventado ".

Entre 99 y 100

Poder prescindir de la necesidad de costosos equipos de fabricación no es la única ventaja de los puntos cuánticos. Incluso antes de este trabajo, había indicios de que los puntos cuánticos podrían acercarse o superar el rendimiento de algunos de los mejores cristales. También son altamente personalizables. Cambiar su tamaño cambia la longitud de onda de la luz que emiten, una función útil para aplicaciones basadas en colores, como el etiquetado de muestras biológicas, Televisores o monitores de computadora.

A pesar de estas cualidades positivas, el pequeño tamaño de los puntos cuánticos significa que pueden ser necesarios miles de millones de ellos para hacer el trabajo de uno grande, cristal único perfecto. Hacer tantos de estos puntos cuánticos significa más posibilidades de que algo crezca incorrectamente, más posibilidades de un defecto que pueda obstaculizar el rendimiento. Las técnicas que miden la calidad de otros semiconductores sugirieron anteriormente que los puntos cuánticos emiten más del 99 por ciento de la luz que absorben, pero eso no fue suficiente para responder preguntas sobre su potencial de defectos. Para hacer esto, los investigadores necesitaban una técnica de medición más adecuada para evaluar con precisión estas partículas.

"Queremos medir la eficiencia de las emisiones en el ámbito del 99,9 al 99,999 por ciento porque, si los semiconductores son capaces de reemitir como luz cada fotón que absorben, puedes hacer ciencia realmente divertida y crear dispositivos que no existían antes, "dijo Hanifi.

La técnica de los investigadores implicó verificar el exceso de calor producido por puntos cuánticos energizados, en lugar de solo evaluar la emisión de luz porque el exceso de calor es una señal de emisión ineficiente. Esta tecnica, comúnmente utilizado para otros materiales, nunca se había aplicado para medir puntos cuánticos de esta manera y era 100 veces más preciso que lo que otros han usado en el pasado. Descubrieron que los grupos de puntos cuánticos emitían de manera confiable alrededor del 99,6 por ciento de la luz que absorbían (con un error potencial del 0,2 por ciento en cualquier dirección), que es comparable a las mejores emisiones de monocristal.

"Fue sorprendente que una película con muchos defectos potenciales sea tan buena como el semiconductor más perfecto que puedas hacer, "dijo Salleo, quien es coautor del artículo.

Contrariamente a las preocupaciones, los resultados sugieren que los puntos cuánticos son sorprendentemente tolerantes a los defectos. La técnica de medición también es la primera en resolver firmemente cómo se comparan las diferentes estructuras de puntos cuánticos entre sí:los puntos cuánticos con exactamente ocho capas atómicas de un material de recubrimiento especial emiten luz más rápido, un indicador de calidad superior. La forma de esos puntos debe guiar el diseño de nuevos materiales emisores de luz, dijo Alivisatos.

Tecnologías completamente nuevas

Esta investigación es parte de una colección de proyectos dentro de un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas financiado por el Departamento de Energía, llamada fotónica en límites termodinámicos. Dirigido por Jennifer Dionne, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en Stanford, El objetivo del centro es crear materiales ópticos, materiales que afectan el flujo de luz, con la mayor eficiencia posible.

Un siguiente paso en este proyecto es desarrollar mediciones aún más precisas. Si los investigadores pueden determinar que estos materiales alcanzan eficiencias del 99,999 por ciento o más, que abre la posibilidad de tecnologías que nunca antes habíamos visto. Estos podrían incluir nuevos tintes brillantes para mejorar nuestra capacidad de observar la biología a escala atómica, Concentradores solares luminiscentes de refrigeración y luminiscentes, que permiten que un conjunto relativamente pequeño de células solares absorba energía de un área grande de radiación solar. Dicho todo esto, las medidas que ya han establecido son un hito en sí mismas, probablemente fomente un impulso más inmediato en la investigación y aplicaciones de puntos cuánticos.

"Las personas que trabajan con estos materiales de puntos cuánticos han pensado durante más de una década que los puntos podrían ser tan eficientes como los materiales de monocristales". "dijo Hanifi, "y ahora finalmente tenemos pruebas".