Un equipo de investigadores de la HKUST desarrolla diodos emisores de luz basados en nanovarillas cuánticas que superan todas las marcas previas de rendimiento en visualización digital. Su diseño abre nuevas fronteras para pantallas más brillantes, eficientes y duraderas.

La ingeniería de materiales optoelectrónicos avanza a gran velocidad, impulsada por la demanda creciente de pantallas de alta definición, dispositivos portátiles, tecnologías inmersivas como la realidad aumentada (AR) o virtual (VR), y sistemas de visualización de bajo consumo. 

Un reciente avance realizado en la Escuela de Ingeniería de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) podría marcar un antes y un después en el desarrollo de pantallas de nueva generación. El equipo de investigación, liderado por el profesor Abhishek K. Srivastava, ha conseguido fabricar los diodos emisores de luz basados en nanovarillas cuánticas (Quantum Rod LEDs o QRLEDs) más brillantes, estables y eficientes conocidos hasta la fecha.

Evolución cuántica de los LEDs

Los diodos emisores de luz (LEDs) han sido un pilar en la iluminación y visualización electrónica durante décadas. Su desarrollo ha estado marcado por una mejora progresiva de parámetros como la eficiencia cuántica externa (EQE), el índice de reproducción cromática (IRC), la vida útil y la versatilidad espectral. En los últimos años, la introducción de materiales cuánticos ha elevado aún más el listón tecnológico.

En particular, los quantum dots (QD) y las quantum rods (QR) —estructuras semiconductoras de tamaño nanométrico— han dado lugar a nuevas familias de emisores: los QLEDs (Quantum Dot LEDs) y los QRLEDs (Quantum Rod LEDs). Ambas tecnologías permiten una emisión de luz muy pura, con anchos espectrales estrechos y gran intensidad. Sin embargo, mientras los QLEDs han mostrado un buen desempeño general, los QRLEDs poseen una ventaja crucial: una mayor eficiencia de extracción de luz gracias a su forma anisotrópica, que favorece la dirección de la emisión y la alineación en capas delgadas.

El reto, hasta ahora, residía en una limitación persistente: la emisión verde de los QRLEDs presentaba un rendimiento inferior al de sus equivalentes QLEDs. Este cuello de botella ha frenado su implementación masiva en productos comerciales, especialmente en aplicaciones de visualización donde el verde profundo (515–525 nm) es esencial para alcanzar gamas cromáticas amplias y precisas.

Problemas estructurales y barreras electrónicas

Los QRLEDs convencionales enfrentan varios desafíos materiales y estructurales. Entre los más relevantes destacan:

• Inyección de carga deficiente: la transferencia de electrones y huecos hacia la nanovarilla cuántica suele ser ineficiente, debido a la baja compatibilidad energética entre capas adyacentes.
• Fugas electrónicas: en muchas configuraciones, los electrones pueden escapar hacia la capa de transporte de huecos o recombinarse de forma no radiativa, reduciendo así la eficiencia global.
• Barreras físicas: las nanovarillas suelen estar recubiertas de capas aislantes gruesas (shells) y moléculas orgánicas largas (ligandos) que dificultan tanto el transporte de carga como la formación de películas compactas y uniformes.

Resolver estos obstáculos ha sido el objetivo principal de la investigación de la HKUST.

Ingeniería de materiales a escala nanométrica

El equipo dirigido por el profesor Srivastava ha desarrollado una nueva generación de nanovarillas emisoras en verde, utilizando una arquitectura innovadora basada en un núcleo de aleación con gradiente de composición y una capa exterior de espesor mínimo. Este enfoque permite controlar de forma precisa tanto las propiedades ópticas como las electrónicas de cada varilla.

La emisión lograda se sitúa en el rango 515–525 nm, considerado óptimo para el vértice verde del triángulo de color CIE. Esta ubicación maximiza la cobertura del espacio cromático (gamut), lo cual es clave para dispositivos de visualización de alto rendimiento, desde televisores OLED hasta pantallas de realidad extendida.

El equipo también diseñó nanovarillas con una morfología uniforme y suave, y con una longitud reducida, lo que permite formar películas densas y sin huecos. Además, introdujeron innovaciones como el uso de ligandos orgánicos más cortos y una capa de transporte de huecos en configuración bicapa. En conjunto, estas mejoras optimizan el equilibrio de cargas y suprimen las fugas de electrones, lo que se traduce en un notable aumento de la eficiencia y la estabilidad del dispositivo.

Resultados medidos: eficiencia récord y vida útil extendida

Los QRLEDs desarrollados han alcanzado valores de rendimiento que superan ampliamente a los dispositivos anteriores:

• Eficiencia cuántica externa (EQE): un nuevo récord de 24%, frente al 22% habitual en QRLEDs anteriores. Esta métrica indica el porcentaje de electrones inyectados que terminan generando fotones útiles.
• Eficiencia luminosa por corriente (cd/A): el dispositivo alcanza 89 cd/A, un valor sin precedentes para emisores en verde, lo que significa una mayor cantidad de luz generada por unidad de corriente eléctrica.
• Luminancia máxima: más de 500.000 cd/m², es decir, tres veces más brillante que las versiones anteriores.
• Estabilidad operativa: los dispositivos han superado las 22.000 horas de funcionamiento continuo, lo cual los sitúa en un rango viable para aplicaciones comerciales exigentes.

La investigación ha sido publicada en la revista científica Advanced Materials, bajo el título “Highly Efficient and Stable Green Quantum Rod LEDs Enabled by Material and Charge Injection Engineering”. Los autores principales son el doctor Maksym Prodanov (postdoctoral fellow) y el doctorando Kumar Mallem, miembros del State Key Laboratory of Displays and Opto-Electronics y del Center for Display Research de la HKUST.

“Nuestro trabajo demuestra que el control meticuloso sobre la composición de las nanobarras y la ingeniería de interfaz puede conducir a avances disruptivos en el rendimiento optoelectrónico. Esto allana el camino para pantallas de alta resolución y energéticamente eficientes con un brillo y longevidad sin precedentes”, concluye el Prof. Srivastava.

Fuente de imagen de portada: HKUST