La transferencia de energía en materiales fotosensibles, como los puntos cuánticos, es de interés para mejorar las células solares, los LED y otros dispositivos. A. Jolene Mork, estudiante de posgrado de Química del MIT, examina con qué rapidez se transfiere la energía de un punto cuántico a otro, un fenómeno conocido como salto.
Mork es la autora principal de un artículo publicado en Journal of Physical Chemistry que analizó la transferencia de energía en puntos cuánticos coloidales. «No se trata de observar qué distancia puede recorrer un excitón dentro de una película, sino de con qué rapidez se transfiere de un punto cuántico a otro», afirma. Mork cursa su quinto año como estudiante de posgrado del MIT en el laboratorio de William A. Tisdale, profesor de Desarrollo Profesional Charles y Hilda Roddey de Ingeniería Química del MIT.
Un estudio de Mork revela que la teoría de Förster, una fórmula estándar para calcular la velocidad de transferencia de energía entre moléculas, podría no bastar para explicar el desplazamiento de excitones de un punto cuántico a otro. «La suposición estándar es que lo que importa es la distancia de centro a centro. Así que pensamos que también podría importar la distancia de borde a borde», afirma Mork.
Unidos estrechamente
Cuando un punto cuántico absorbe un fotón de luz —por ejemplo, de un láser—, convierte la energía luminosa en un estado excitado en forma de excitón, que es un electrón y un hueco emparejados que se atraen debido a sus cargas opuestas. A diferencia de un material como el silicio, que permite que un electrón y un hueco se separen, en los excitones creados por puntos cuánticos, debido a su tamaño diminuto, el electrón y el hueco no pueden alejarse mucho y permanecen estrechamente unidos.
«En algún momento, el punto cuántico querrá relajarse hasta su estado fundamental, porque ese es el estado de menor energía en general. Se relaja transfiriendo energía a otro punto cuántico; el punto cuántico que cedió la energía vuelve a su estado fundamental. O bien, emite un fotón y entonces también vuelve a su estado fundamental», explica Mork. «Así que cada punto cuántico intenta alcanzar su nivel de energía más bajo, y puede hacerlo de un par de maneras distintas».
Cada punto cuántico tiene un espectro de emisión o de absorción que determina qué longitud de onda de energía luminosa puede emitir o absorber. «La teoría de Förster describe la velocidad de transferencia de energía entre estos dos, del donante al aceptor, y esa velocidad viene determinada por este solapamiento espectral y por la distancia entre ambos», afirma Mork.
Mork añade que, según las suposiciones estándar, un excitón se modela como un pequeño dipolo en el centro del punto cuántico. «Esto funciona para las moléculas porque son muy pequeñas, pero los puntos cuánticos están formados por miles de átomos y son mucho más grandes que las moléculas. En estos casos, quizá no sea apropiado suponer que son simplemente un dipolo en el centro del punto cuántico», explica. El estudio informa que las velocidades de transferencia de energía medidas fueron más de 10 veces superiores a los valores previstos por la teoría de Förster.
Para el estudio de Mork, Tisdale señala que su colega de laboratorio Mark Weidman viajó a la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Long Island, Nueva York, para realizar estudios de dispersión de rayos X de incidencia rasante y ángulo pequeño (GISAXS) y de dispersión de rayos X de ángulo amplio (WAXS) en películas de puntos cuánticos.
Medir la difusión
Mork fue coautora de un estudio colaborativo de los profesores Tisdale, Vladimir Bulovic y Adam Willard sobre la difusión en sólidos de puntos cuánticos, que midió la duración de los excitones y modeló las longitudes de difusión de los excitones. Mork ayudó a preparar las muestras y a realizar mediciones espectroscópicas de resolución espectral y correlación temporal.
«Estamos estudiando la longitud de difusión del excitón», explica Mork. «Cuando un punto cuántico absorbe un fotón, puede transferir energía, que es un proceso no radiativo, así que no emite un fotón. Después otro punto cuántico absorbe; la energía se transfiere directamente a otro punto cuántico, de modo que se transfiere a cierto número de puntos cuánticos más. La distancia entre el lugar donde se absorbe el fotón y el lugar donde se emite es la longitud de difusión del excitón».
En un estudio relacionado sobre transferencia de energía, el grupo de Tisdale demostró que se podía diseñar un sistema que acopla puntos cuánticos inorgánicos con un semiconductor de disulfuro de molibdeno para que emitiera distintos colores de luz cambiando el tamaño de los puntos cuánticos. «Es un acoplamiento de campo cercano, dipolo a dipolo, entre el donante y el aceptor», explica Tisdale. «Este excitón puede entenderse en términos de mecánica cuántica como un par electrón-hueco, un electrón y un hueco, pero también puede entenderse clásicamente como un dipolo oscilante. Ese dipolo oscilante puede inducir una polarización en su entorno a la misma frecuencia y, si hay una frecuencia resonante en un material vecino, como el disulfuro de molibdeno, este puede absorber esa energía; la energía puede transferirse del punto cuántico al disulfuro de molibdeno (MoS2). Así que puede pensarse como un excitón que salta, o como este dipolo que tiene cierta energía aquí y la transfiere a otro dipolo allí. Son físicamente equivalentes, pero son imágenes distintas, maneras distintas de describirlo».
Tisdale afirma que una conclusión del trabajo de Mork es que, si se usan las propiedades de los puntos cuánticos medidas en solución, se predecirá una distancia incorrecta —o una distancia característica incorrecta— para este tipo de salto de excitones que puede producirse en películas delgadas, porque en ellas ocurren otros efectos que afectan la magnitud del radio de Förster.
Un punto cuántico típico consta de un núcleo de un material, una capa de otro material y una molécula orgánica unida, o ligando. Los puntos cuánticos también se ven afectados por el tamaño de los ligandos unidos a sus capas, que es un factor que contribuye a la distancia entre partículas. «En los LED de puntos cuánticos se usan puntos cuánticos con ligandos largos, mientras que en las células solares de puntos cuánticos se usan puntos cuánticos con ligandos cortos para ajustar la longitud de difusión del excitón», afirma Mork.
«Intentamos cambiar el espaciado entre partículas modificando el grosor de la capa, en lugar de los ligandos. Esto resulta interesante porque cambia algunas propiedades dieléctricas de la película. Cambia el índice de refracción, que es una de las constantes de la ecuación de velocidad de Förster», afirma Mork. También estudia la transferencia de energía vibracional. «Para todo mi trabajo sobre vibraciones, he fabricado mis propios puntos cuánticos, he realizado distintos tipos de química de intercambio de ligandos y hago la espectroscopia con ellos», dice. Este trabajo podría dar lugar a aplicaciones en materiales termoeléctricos con alta conductividad eléctrica, pero baja conductividad térmica. «Quizá se puedan ajustar esas propiedades de manera independiente, mientras que en muchos materiales termoeléctricos [estas dos propiedades] varían del mismo modo», afirma.
Como la energía suele transferirse de un punto cuántico que emite un fotón de mayor energía a otro que emite uno de menor energía, tras muchos eventos de transferencia el fotón emitido se vuelve cada vez más rojo, afirma Mork. «Eso significa que, si intentas fabricar un LED de un color específico, por ejemplo, con puntos cuánticos, los puntos más rojos de tu película tendrán más importancia para determinar el color de la luz que obtienes de lo que cabría pensar considerando la emisión de todo el conjunto», explica.
Mork, de 26 años y oriunda de Shoreline, Washington, un suburbio de Seattle, se graduó en Carleton College, en Northfield, Minnesota. Obtuvo una maestría en química orgánica en el MIT, donde trabajó en el laboratorio de Timothy M. Swager, profesor titular John D. MacArthur. Espera obtener su doctorado en el MIT en 2016.
Este artículo se publica en colaboración con MIT News. Su publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Denis Paiste es colaborador de MIT News.
Imagen: Una mujer aparece en silueta junto a una exhibición de paneles solares del proveedor de módulos solares Upsolar, en la cuarta Exposición Internacional de Generación Fotovoltaica (PV), en Tokio, el 2 de marzo de 2011. REUTERS.
