Nuevos nanocristales con tratamientos en superficie brillan más y los científicos explican por qué
10.09.2025
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Los nanocristales están siendo golpeados por un rayo de luz láser. Imagen: Marco Vega. |
- Los nanocristales de Ag₂S se mejoraron con tratamientos de pasivación superficial y se estudiaron bajo diferentes fluencias de bombeo y energías de fotones.
- La espectroscopía de absorción transitoria revela que las nanoestructuras tratadas exhiben dinámicas más rápidas de recombinación multi-excitónica, lo que resalta el impacto positivo de la pasivación superficial.
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Madrid, 10 de septiembre de 2025. Una colaboración de investigación entre científicos de IMDEA Nanociencia y el ICMM-CSIC ha revelado nuevos conocimientos sobre los mecanismos que podrían mejorar las propiedades emisoras de luz de los nanocristales. Estudiaron nanocristales de sulfuro de plata (Ag₂S), diminutas partículas que emiten luz infrarroja—un área clave para la obtención de imágenes biomédicas y las telecomunicaciones. Estos nanomateriales, aunque prometedores, suelen presentar baja emisión debido a imperfecciones en su superficie. El equipo afrontó este desafío experimentando con distintos tratamientos superficiales, incluyendo la adición de recubrimientos protectores de selenio. Estos enfoques aumentaron significativamente la capacidad de los cristales para emitir luz, haciéndolos más viables para aplicaciones reales como sensores infrarrojos o fuentes láser.
Para comprender cómo se comportan estas diminutas partículas bajo diferentes condiciones, los investigadores usaron pulsos de láser ultrarrápidos para analizar el funcionamiento interno de los nanocristales. Descubrieron que las partículas tratadas en superficie no solo se volvían más brillantes, sino que también respondían de manera más eficiente a la luz de alta energía. A niveles de energía bajos, los nanocristales se comportaban de manera predecible, pero al aumentar la energía de la luz incidente, surgían procesos más complejos, algunos de los cuales podían interferir con la emisión de luz. Víctor Vega-Mayoral, autor principal del estudio, explica: “Si un material va a usarse en aplicaciones basadas en la luz, como los láseres, necesitamos saber cómo se comporta cuando se excita a altas fluencias—y qué procesos compiten con la emisión de luz deseada”.
Nanocristales de Ag₂S simples y nanoestructuras pasivadas en superficie se estudiaron bajo diferentes fluencias de bombeo y energías de fotones. A bajas fluencias, los nanocristales de Ag₂S simples muestran dinámicas dominadas por el atrapamiento de excitones y la recombinación en defectos. En cambio, cuando las partículas se recubren con capas pasivadoras, estos recubrimientos minimizan la contribución de los defectos a la emisión. A bajas densidades de excitones, la espectroscopía de absorción transitoria revela que las dinámicas del estado excitado están gobernadas principalmente por la termalización y recombinación de excitones libres. A mayores densidades de excitones, los estudios dependientes de la fluencia muestran claras señales de formación de bi-excitones y recombinación Auger, que aparecen a fluencias mucho más bajas que en los nanocristales simples. En general, las nanoestructuras pasivadas en superficie presentan dinámicas más rápidas de recombinación multi-excitónica, subrayando la fuerte influencia de los recubrimientos combinados de selenio y zinc.
Más allá de mejorar su emisión, los hallazgos del equipo también abren la puerta a usos prácticos: dado que la emisión de luz de los nanocristales cambia con la temperatura, podrían funcionar como sensores de temperatura ultrapequeños—los llamados “nanotermómetros”—para monitorizar condiciones dentro del cuerpo humano. Su emisión en el infrarrojo también encaja perfectamente en la ventana utilizada en las comunicaciones por fibra óptica, lo que los convierte en firmes candidatos para futuras tecnologías en los campos de la salud y las telecomunicaciones. El estudio se publicó en la revista Nanoscale.
Este trabajo es una colaboración entre investigadores de IMDEA Nanociencia, liderados por Víctor Vega-Mayoral, y del ICMM-CSIC, liderados por Beatriz H. Juárez, y está parcialmente financiado por la acreditación de Excelencia Severo Ochoa concedida a IMDEA Nanociencia (CEX2020-001039-S).
Glosario:
- Nanocristal: material cristalino con un tamaño de pocos nanómetros.
- Pasivación superficial: técnica que utiliza una capa de material protector para crear un escudo y mejorar las propiedades químicas, térmicas u optoelectrónicas de los materiales.
- Densidades de excitones: número de estados ligados de un electrón y un hueco por unidad de volumen.
- Recombinación Auger: proceso no radiactivo que ocurre cuando un electrón y un hueco se recombinan, pero en lugar de producir luz, un electrón es promovido a un nivel más alto de la banda de conducción o un hueco es empujado más profundamente en la banda de valencia. Este proceso es un factor importante que limita la eficiencia de dispositivos como celdas solares y LEDs, particularmente a altos niveles de excitación.
Referencia
Victor Vega-Mayoral,* Saül Garcia-Orrit, Peijiang Wang, Rafael Morales-Márquez, Emma Martín Rodríguez, Beatriz H. Juárez*and Juan Cabanillas-Gonzalez. Exploring many-body phenomena: biexciton generation and auger recombination in Ag2S-based nanocrystals. Nanoscale 17, 15697 (2025). DOI: 10.1039/d5nr00511f
Enlace al Repositorio de IMDEA Nanociencia: https://hdl.handle.net/20.500.12614/4065
Contacto:
Victor Vega Mayoral
Optoelectronic properties of two-dimensional materials
https://www.victorvegamayo.com/
victor.vega @imdea .org
Oficina de Divulgación y Comunicación en IMDEA Nanociencia
divulgacion.nanociencia [at]imdea.org
Fuente: IMDEA Nanociencia.
El Instituto IMDEA Nanociencia es un centro de investigación interdisciplinar en Madrid dedicado a la exploración de la nanociencia y el desarrollo de aplicaciones de la nanotecnología en relación con industrias innovadoras. IMDEA Nanociencia es un centro de Excelencia Severo Ochoa desde 2017, máximo reconocimiento a la excelencia investigadora a nivel nacional.