Aunque es invisible a nuestros ojos, la luz infrarroja de onda corta (SWIR, por sus siglas en inglés) tiene el potencial de revolucionar las aplicaciones de visión por computador en robótica, automoción y electrónica de consumo, ofreciendo rendimiento y funcionalidad sin precedentes. Los sensores de imagen con sensibilidad en el espectro SWIR pueden operar bajo condiciones adversas como luz solar brillante, niebla, bruma o humo, proporcionando además fuentes de iluminación segura para el ojo humano y permitiendo la detección de propiedades materiales a través de imágenes moleculares.
Recientemente, un equipo de investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) y la empresa Qurv ha desarrollado sensores infrarrojos y fotodetectores de altas prestaciones basados en puntos cuánticos coloidales no tóxicos. Este avance fue presentado en la revista Nature Photonics e incluye un nuevo método de síntesis de puntos cuánticos de telururo de plata (Ag₂Te), empleados en fotodetectores SWIR de alto rendimiento. A diferencia de anteriores métodos que involucraban el uso de metales pesados como plomo o mercurio, estos nuevos puntos cuánticos cumplen con la Directiva Europea de Restricción de Sustancias Peligrosas (RoHS).
Los puntos cuánticos coloidales (CQD) son cristales semiconductores de tamaño nanométrico que facilitan el acceso al espectro SWIR y pueden ser integrados en la tecnología CMOS, común en muchos dispositivos electrónicos. El estudio describe un método de síntesis libre de fosfina y de tamaño modulable, preservando las propiedades de los puntos que contienen metales pesados y permitiendo su uso en mercados de gran volumen.
Durante la investigación, los científicos inicialmente buscaban sintetizar nanocristales de telururo de bismuto y plata para mejorar dispositivos fotovoltaicos, pero descubrieron casualmente el telururo de plata (Ag₂Te) y su potencial en fotodetectores SWIR. Desarrollaron un método para sintetizar puntos cuánticos de telururo de plata sin fosfina, eliminando así el impacto negativo de este compuesto sobre las propiedades optolectrónicas relevantes para la fotodetección.
El equipo utilizó diferentes compuestos libres de fosfina como precursores de plata y telurio, logrando puntos cuánticos con una distribución uniforme de tamaño y picos de excitación en un amplio rango del espectro de luz. Los puntos cuánticos resultantes mostraron picos excitónicos distintivos por encima de los 1500 nanómetros, una mejora significativa comparada con métodos basados en fosfina.
Tras sintetizarlos y caracterizarlos, el equipo implementó estos puntos cuánticos en un fotodiodo sobre un substrato de vidrio. Las pruebas iniciales indicaron un bajo rendimiento de detección, lo que llevó a rediseñar el dispositivo e incorporar una capa intermedia que mejoró considerablemente su rendimiento.
“Hasta donde nosotros sabemos, los fotodiodos descritos en este trabajo son los primeros en ofrecer una solución no tóxica procesada de fotodiodos SWIR con méritos similares a los desarrollados con metales pesados”, explicó Gerasimos Konstantatos, profesor ICREA del ICFO y coautor del estudio. Los resultados indican que estos puntos cuánticos de Ag₂Te son prometedores para desarrollar aplicaciones de fotodetección SWIR de bajo coste y alto rendimiento, cumpliendo con la normativa RoHS.
El siguiente paso consistió en una colaboración con Qurv para construir un sensor de imagen SWIR operando a temperatura ambiente, integrando el fotodiodo con un CMOS y un conjunto de plano focal. Este sensor permitió obtener imágenes del contenido de una botella de plástico opaca bajo luz visible, demostrando su potencial en aplicaciones de visión mejorada para la industria automotriz y otros campos.
“Aumentar el rendimiento de los fotodiodos mediante la optimización del diseño y de las capas del dispositivo fotodetector será uno de nuestros próximos objetivos”, indicó Konstantatos. Los investigadores también planean explorar nuevas superficies químicas para los puntos cuánticos de Ag₂Te, buscando mejorar la estabilidad térmica y ambiental del material en su camino hacia el mercado.
