Un nuevo paper publicado en la revista Science ofrece una visión general de casi tres décadas de investigación sobre puntos cuánticos coloidales, evaluando su progreso tecnológico y los desafíos que todavía le queda a la tecnología para su comercialización generalizada. 

“Hace treinta años, estas estructuras eran solo un tema de curiosidad científica estudiada por un pequeño grupo de entusiastas. A lo largo de los años, los puntos cuánticos se han convertido en materiales de grado industrial utilizados en una amplia gama de tecnologías, tanto tradicionales como emergentes, algunas de las cuales ya han encontrado su camino en mercados comerciales”, e xplica Víctor I. Klimov, coautor del paper y líder del equipo que lleva a cabo la investigación cuántica de puntos en el Laboratorio Nacional de Los Álamos.

Muchos avances descritos en el artículo de Science se originaron en Los Alamos, incluyendo la primera demostración de láser de puntos cuánticos coloidales, el descubrimiento de la multiplicación de portadores, la investigación pionera en diodos emisores de luz (LED)de puntos cuánticos, así como concentradores solares luminiscentes, y estudios recientes de emisores cuánticos de un solo punto.

Los materiales semiconductores cuentan con propiedades ópticas y electrónicas que se pueden diseñar a través de su composición y estructura cristalina. El uso de semiconductores como el arseniuro de silicio y galio ha impulsado el desarrollo tecnológico en las últimas décadas. Los puntos cuánticos ofrecen una palanca adicional, reduciendo el tamaño a la escala nanométrica en las tres dimensiones, haciendo que el movimiento restringido de los electrones conduzca a una estructura electrónica discreta similar al átomo, con niveles de energía dependientes del tamaño. Esto permite el diseño de nanomateriales con absorción de luz ampliamente sintonizable, emisión brillante de colores puros, control sobre el transporte electrónico y un amplio ajuste de las funciones químicas y físicas debido a su gran relación superficie-volumen.

Así, utilizando la química coloidal moderna, las dimensiones y la estructura interna de los puntos cuánticos se pueden manipular con precisión casi atómica, lo que permite un control altamente preciso de sus propiedades físicas y, por lo tanto, comportamientos en dispositivos prácticos.

En la actualidad, la investigaciones que se están realizando sobre las aplicaciones prácticas de los puntos cuánticos coloidales están explotando la sintonizabilidad controlada por el tamaño de su color de emisión y rendimientos cuánticos de altas emisiones cerca del límite ideal del 100 por ciento. Estas propiedades son atractivas para su desarrollo en aplicaciónes de iluminación y pantallas, es decir, aquellas tecnologías donde los puntos cuánticos se utilizan como fósforos de conversión de color. Debido a su emisión de banda estrecha y espectralmente sintonizable, los puntos cuánticos permiten una mejor pureza del color y una cobertura más completa de todo el espacio de color en comparación con los materiales de fósforo existentes. Algunos de estos dispositivos, como los televisores con puntos cuánticos, ya han alcanzado la madurez tecnológica y están disponibles en los mercados comerciales.

La próxima frontera es la creación de LED tecnológicamente viables, alimentados por puntos cuánticos impulsados eléctricamente. La revisión científica describe varios enfoques para implementar estos dispositivos y discute los desafíos existentes. Los LED cuánticos ya han alcanzado un brillo impresionante y eficiencias casi ideales cerca de los límites teóricamente definidos. Gran parte de este progreso ha sido impulsado por los continuos avances en la comprensión de los factores limitantes del rendimiento, como la recombinación no radiativa de Auger.

El artículo también discute el estado y los desafíos de los láseres de punto cuántico procesables por solución. «Hacer que estos láseres estén disponibles beneficiaría a una gama de tecnologías, incluyendo circuitos fotónicos integrados, comunicación óptica, plataformas de laboratorio en un chip, dispositivos portátiles y diagnósticos médicos», dijo Klimov.

Los puntos cuánticos también son de gran utilidad potencial en las tecnologías de recolección solar y detección de luz. Debido a su brecha de banda sintonizable, se pueden diseñar para apuntar a un rango particular de longitudes de onda, lo que es especialmente atractivo para realizar fotodetectores baratos para el rango espectral infrarrojo. En el ámbito de las tecnologías de energía solar, los puntos cuánticos coloidales se han explotado como elementos activos tanto de células solares como de colectores de luz solar luminiscente.

En el caso de la energía fotovoltaica (PV), el enfoque de punto cuántico podría utilizarse para realizar una nueva generación de dispositivos fotovoltaicos baratos de película delgada preparados mediante técnicas escalables basadas en soluciones, como el procesamiento rollo a rollo. Además, podrían habilitar esquemas de fotoconversión conceptualmente nuevos derivados de procesos físicos únicos para partículas coloidales «confinadas cuánticas» ultrapequeñas. Uno de esos procesos, la multiplicación portadora, genera múltiples pares de electrones-agujeros por un solo fotón absorbido. Este proceso, reportado por primera vez por los investigadores de Los Álamos en 2004, ha sido objeto de intensas investigaciones en el contexto de sus aplicaciones tanto en fotoquímica fotovoltaica como solar.

“Una área altamente prometedora son los concentradores solares luminiscentes de punto cuántico o LSC ( Luminescent Solar Concentrators)», afirma Klimov. «Usando el enfoque LSC, se puede, en principio, convertir ventanas estándar o revestimientos de pared en dispositivos de generación de energía. Junto con los módulos solares en la azotea, esto podría ayudar a suministrar energía limpia a todo un edificio. Si bien el concepto LSC se introdujo en la década de 1970, realmente floreció recientemente debido a la introducción de puntos cuánticos especialmente diseñados”. 

Créditos imagen de portada: Los Alamos National Laboratory

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