Los puntos cuánticos son una especie de átomo artificial:de sólo unos pocos nanómetros de tamaño y hechos de materiales semiconductores, pueden emitir luz de un color específico o incluso fotones individuales, lo cual es importante para las tecnologías cuánticas. Los descubridores y pioneros de la producción comercial de puntos cuánticos recibieron el Premio Nobel de Química en 2023.
En los últimos años, los puntos cuánticos formados por perovskitas han atraído especial atención. Las perovskitas pertenecen a una clase de materiales que tienen una estructura similar a la del mineral perovskita (titanato de calcio). Los puntos cuánticos hechos de estos materiales fueron producidos por primera vez por ETH Zurich en 2015.
Estos puntos cuánticos hechos de nanocristales de perovskita se pueden mezclar con líquidos para formar una dispersión, lo que facilita su procesamiento posterior. Además, sus propiedades ópticas especiales los hacen brillar más que muchos otros puntos cuánticos. También se pueden producir a menor precio, lo que los hace interesantes para aplicaciones en pantallas, por ejemplo.
Un equipo de investigadores dirigido por Maksym Kovalenko en ETH Zurich y Empa, en colaboración con sus homólogos de Ucrania y Estados Unidos, ha demostrado cómo estas prometedoras propiedades de los puntos cuánticos de perovskita se pueden mejorar aún más. Utilizaron métodos químicos para el tratamiento de superficies y efectos de la mecánica cuántica que nunca antes se habían observado en los puntos cuánticos de perovskita. Los investigadores publicaron recientemente sus resultados en dos artículos en Nature. .
Los átomos infelices reducen el brillo
El brillo es una medida importante para los puntos cuánticos y está relacionado con la cantidad de fotones que el punto cuántico emite por segundo. Los puntos cuánticos irradian fotones de un color específico (y por tanto de una frecuencia) después de ser excitados, por ejemplo, por luz ultravioleta de una frecuencia más alta.
Esto conduce a la formación de un excitón compuesto por un electrón, que ahora puede moverse más libremente, y un agujero (en otras palabras, un electrón faltante) en la estructura de bandas energéticas del material. El electrón excitado puede volver a caer a un estado de menor energía y así recombinarse con el agujero. Si la energía liberada durante este proceso se convierte en un fotón, el punto cuántico emite luz.
Sin embargo, esto no siempre funciona. "En la superficie de los nanocristales de perovskita se encuentran átomos 'infelices' a los que les falta un vecino en la red cristalina", explica el investigador principal Gabriele Raino. Estos átomos marginales alteran el equilibrio entre los portadores de carga positivos y negativos dentro del nanocristal y pueden hacer que la energía liberada durante una recombinación se convierta en vibraciones de la red en lugar de emitirse como luz. Como resultado, el punto cuántico "parpadea", lo que significa que no brilla continuamente.
Para evitar que esto suceda, Kovalenko y su equipo han desarrollado moléculas hechas a medida conocidas como fosfolípidos. "Estos fosfolípidos son muy similares a los liposomas en los que, por ejemplo, se incrusta la vacuna de ARNm contra el coronavirus de tal manera que se estabiliza en el torrente sanguíneo hasta que llega a las células", explica Kovalenko.
Una diferencia importante:los investigadores optimizaron sus moléculas para que la parte polar (eléctricamente sensible) de la molécula se adhiera a la superficie de los puntos cuánticos de perovskita y se asegure de que los átomos "descontentos" reciban una pareja de carga.
La parte apolar del fosfolípido que sobresale del exterior también permite convertir los puntos cuánticos en una dispersión dentro de soluciones no acuosas, como los disolventes orgánicos. La capa lipídica de la superficie de los nanocristales de perovskita también es importante para su estabilidad estructural, como subraya Kovalenko:"Este tratamiento de superficie es absolutamente esencial para cualquier cosa que queramos hacer con los puntos cuánticos".
Hasta ahora, Kovalenko y su equipo han demostrado el tratamiento para puntos cuánticos hechos de perovskitas de haluro de plomo, pero también se puede adaptar fácilmente a otros puntos cuánticos de haluro metálico.
Aún más brillante gracias a la superradiancia
Con la superficie lipídica fue posible reducir el parpadeo de los puntos cuánticos hasta tal punto que en el 95% de los eventos de recombinación de huecos de electrones se emite un fotón. Sin embargo, para hacer que el punto cuántico sea aún más brillante, los investigadores tuvieron que aumentar la velocidad de la recombinación misma, y eso requiere mecánica cuántica.
Un estado excitado, como un excitón, decae cuando un dipolo (las cargas positivas y negativas se desplazan entre sí) interactúa con el campo electromagnético del vacío. Cuanto mayor sea el dipolo, más rápida será la desintegración. Una posibilidad de crear un dipolo más grande implica acoplar coherentemente varios dipolos más pequeños entre sí. Esto se puede comparar con los relojes de péndulo que están conectados mecánicamente y funcionan al mismo tiempo después de un cierto período de tiempo.
Los investigadores pudieron demostrar experimentalmente que el acoplamiento coherente también funciona en puntos cuánticos de perovskita, con un solo dipolo de excitón que, mediante efectos de la mecánica cuántica, se extiende por todo el volumen del punto cuántico, creando así varias copias de sí mismo, como estaba. Cuanto más grande sea el punto cuántico, más copias se podrán crear. Estas copias pueden provocar un efecto conocido como superradiancia, por el cual el excitón se recombina mucho más rápido.
Por lo tanto, el punto cuántico también está listo más rápidamente para absorber un nuevo excitón y, por lo tanto, puede emitir más fotones por segundo, lo que lo hace aún más brillante. Un detalle importante a tener en cuenta es que el punto cuántico más rápido continúa emitiendo fotones individuales (no varios fotones a la vez), lo que lo hace adecuado para tecnologías cuánticas.
Los puntos cuánticos de perovskita mejorados no sólo son de interés para la producción y visualización de luz, dice Kovalenko, sino también en otros campos menos obvios. Por ejemplo, podrían utilizarse como catalizadores activados por luz en química orgánica. Kovalenko está llevando a cabo investigaciones sobre dichas aplicaciones y varias otras, incluso dentro del marco de NCCR Catalysis.
Más información: Chenglian Zhu et al, Superrradiancia de fotón único en puntos cuánticos individuales de haluro de plomo y cesio, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-07001-8. www.nature.com/articles/s41586-023-07001-8
Viktoriia Morad et al, diseñador de ligandos protectores de fosfolípidos para nanocristales de halogenuros metálicos blandos, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06932-6
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por ETH Zurich
