10.9. Puntos cuánticos: ¿átomos artificiales?

En el apartado anterior vimos que las nanopartículas en general poseen propiedades radicalmente distintas de las que muestran los mismos materiales a escala convencional debido a que se empiezan a manifestar efectos cuánticos propios de la escala nanoscópica. Uno de los casos más extremos en este sentido es el de los llamados puntos cuánticos. Se trata de nanoestructuras, generalmente hechas de materiales semiconductores, que son capaces de confinar unos pocos electrones en volúmenes tan pequeños (dimensiones menores de 10 nm) que se comportan prácticamente como pozos cuánticos. Esto ocurre porque los efectos del confinamiento cuántico solo se producen cuando el espesor del pozo cuántico es comparable a la longitud de onda de De Broglie de las partículas portadoras de energía, en este caso electrones (o huecos), y estas condiciones se dan en las nanopartículas con dimensiones de pocos nanómetros.

El pozo cuántico de paredes infinitas es uno de los pocos ejemplos, junto con el oscilador armónico y el átomo de hidrógeno, para los que la ecuación de Schrödinger tiene una solución analítica, y a menudo viene explicada en los libros de texto[1]. Al resolver dicha ecuación se encuentra que la energía del sistema y las autofunciones correspondientes vienen dadas por niveles discretos ordenados por un número cuántico por dimensión, tal como se indica en la parte izquierda de la figura 10.19. Es decir, un electrón confinado en una caja de las dimensiones adecuadas solo podría tomar una serie de valores discretos de energía: E₀, 4E₀, 9E₀…, siendo E₀ la energía de estado fundamental, que básicamente depende de la anchura del pozo y de la masa de la partícula, como se indica también en la figura 10.19.

Aunque hay algunas evidencias anteriores de sistemas que seguramente podrían ser considerados como puntos cuánticos en suspensiones coloidales, los primeros sistemas que se describieron como tales, y usando la terminología actual, datan de 1988[3], cuando investigadores de la empresa Texas Instruments Incorporated crearon unas nanoestructuras semiconductoras mediante técnicas de litografía, como las que se muestran en la figura 10.19. Estas estructuras consistían en unos contactos de arseniuro de galio que conectaban una estructura de tipo sándwich de AlGaAs/InGaAs/AlGaAs con dos semiconductores distintos, parecidas a las que hemos vito que se usan en los diodos emisores de luz (apartado 8.8). De este modo, los electrones de InGaAs quedaban confinados en una región del espacio muy pequeña, ya que el otro semiconductor, AlGaAs, actuaba como barrera o pozo de potencial que era insalvable para los electrones del primero. Los mismos investigadores se dieron cuenta de que los electrones confinados de aquella manera se comportaban como si estuvieran confinados en un pozo cuántico de paredes infinitas. Al ser una estructura tan pequeña y de carácter semiconductor, las bandas de valencia y de conducción del InGaAs contenían muy pocos electrones y prácticamente eran análogas a los niveles de energía discretos del pozo cuántico que acabamos de mencionar.

Existen otras formas de crear puntos cuánticos, pero el factor común a todas ellas es tratar de conseguir el confinamiento efectivo de unos pocos electrones en una nanoestructura. Para ello se pueden emplear potenciales electrostáticos generados por electrodos externos o impurezas, mediante una interfaz entre diferentes materiales semiconductores como acabamos de ver, o en una nanopartícula de núcleo y corteza (core/Shell) o mediante combinaciones más complejas.

Como ya hemos visto, un punto cuántico tiene un espectro energético discreto y cuantizado, como el de los espectros atómicos​. De hecho, un aspecto muy interesante de estos sistemas es que realmente se comportan como átomos artificiales[4] que son construidos físicamente y no corresponden a ningún elemento químico, sino que son otra clase de entidades que se pueden agrupar para constituir moléculas también artificiales. Este hecho ha sido de gran relevancia en los últimos años ya que se han diseñado distintos experimentos en los que se modifica la forma y el número de electrones de los puntos cuánticos para estudiar la variación de sus propiedades, algo que está fuera del alcance utilizando átomos reales. 

Otra propiedad muy interesante de los puntos cuánticos es que al ser excitados con radiación electromagnética en el rango de la luz visible son capaces de emitir luz ellos mismos, lo que se conoce como fotoluminiscencia, que ya hemos definido en el capítulo 8. Como los electrones se encuentran en una serie de estados discretos de energía, al absorber la radiación promocionan hacia otros niveles de mayor energía y al desexcitarse vuelven a su estado fundamental emitiendo el exceso de energía en forma de fotones cuya longitud de onda es característica y viene dada por el tamaño del punto cuántico. De acuerdo con la fórmula que hemos visto de los niveles de energía de un pozo cuántico, cuanto más pequeños sean los puntos cuánticos, menor será la longitud de onda de los fotones emitidos. De este modo, puntos cuánticos con un diámetro aproximado de 5-7 nm emiten en longitudes de onda más grandes dando como resultado colores como el naranja o el rojo, mientras que puntos cuánticos más pequeños de 2-3 nm emiten en azul o verde, con una menor longitud de onda, como vemos en la parte derecha de la figura 10.20.

Estas propiedades ópticas tan peculiares hacen que los puntos cuánticos estén siendo investigados en profundidad en busca de posibles aplicaciones, y en algunos casos ya hay resultados muy prometedores. Como vemos hemos visto en la figura 10.20, la fotoluminiscencia puede ser aprovechada para construir diodos led de alta eficiencia y otros dispositivos de emisión de luz[7] usando puntos cuánticos como fase activa. También se ha propuesto el uso de puntos cuánticos como marcadores biológicos alternativos a las sustancias orgánicas o en imagen médica[8], aunque hay que recordar que elementos como el Cd, muy usado en los puntos cuánticos, son muy tóxicos y hay que indagar con alternativas menos nocivas.

La posibilidad de modificar los niveles electrónicos de energía de los puntos cuánticos a través de su forma y tamaño hace que sean excelentes candidatos como elemento activo en celdas solares, ya que es posible obtener disposiciones ordenadas de puntos cuánticos con distintos tamaños que absorben y emiten luz a determinadas frecuencias. El uso combinado de puntos cuánticos de diferentes tamaños se ha propuesto como una alternativa muy plausible para aumentar la eficiencia de las celdas solares[9].

[1] Véase por ejemplo el capítulo 2 en I. N. Levine. Quantum Chemistry. 7ª ed. Pearson. (2014).

[2] La imagen es del trabajo original de M. A. Reed, pero aparece modificada en la revisión S. M. Reimann y M. Manninen. Rev. Mod. Phys. 74 (2002) 1283. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.74.1283.

[3] M. A. Reed  et al. Phys. Rev. Lett. 60 (1988) 535. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.60.535.

[4] R. C. Ashoori. Nature 379 (1996) 413-419. https://doi.org/10.1038/379413a0.

[5] S. Coe-Sullivan et al. Adv. Funct. Mater. 15 (2005) 1117-1124. https://doi.org/10.1002/adfm.200400468.

[6] Tanto los espectros como los ledes y las dispersiones coloidales luminiscentes son de P. O. Anikeeva et al. Nano Lett. 9 (2009) 2532-2536. https://doi.org/10.1021/nl9002969.

[7] Y. Shirasaki et al. Nat. Photonics 7 (2013) 13-23. https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.328.

[8] I. L. Medintz et al. Nat. Mater. 4 (2005) 435-446. https://doi.org/10.1038/nmat1390.

[9] P. V. Kamat. J. Phys. Chem. C 112 (2008) 18737-18753. https://doi.org/10.1021/jp806791s.

Este texto pertenece al libro:

Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .