La excitación eléctrica de aislantes a nanoescala era hasta ayer una misión casi imposible: los materiales con una gran banda prohibida requieren condiciones extremas, por lo que los investigadores confiaban principalmente en la excitación óptica. Sin embargo, una nueva generación de nanopartículas aislantes dopadas con lantánidos (LnNP) recibe ahora un "interruptor" completamente diferente: tripletes moleculares en ligandos orgánicos que transfieren energía a los iones lantánidos y así encienden una emisión muy pura y de banda estrecha en la segunda ventana del infrarrojo cercano (NIR-II, 1000–1700 nm). El avance clave es la demostración de electroluminiscencia (EL) de estos sistemas aislantes a bajos voltajes, lo que abre el camino hacia LED híbridos, y a largo plazo hacia láseres bombeados eléctricamente para biomedicina, optogenética y comunicaciones.

Por qué las nanopartículas de lantánidos son especiales – y por qué eran "inencendibles"

Las LnNP consisten en un huésped dieléctrico y aislante (típicamente fluoruros como NaGdF₄, NaYF₄ o NaLuF₄) con iones lantánidos incorporados (Nd³⁺, Yb³⁺, Er³⁺, etc.). Tal sistema ofrece una estabilidad química y fotoestabilidad excepcional, así como líneas de emisión muy estrechas y sintonizables en la región NIR-II, a diferencia de los tintes orgánicos y los puntos cuánticos coloidales cuyos espectros son amplios debido al ensanchamiento homogéneo. Precisamente esta naturaleza de banda estrecha y estabilidad hacen que las LnNP sean atractivas para soluciones de imagen profunda, espectroscopía precisa y enlaces ópticos con alta densidad de canales.

El problema es que las LnNP son – aislantes. Una amplia banda prohibida (~8 eV) impide la inyección eléctrica estándar de carga como en los semiconductores, por lo que hasta hace poco no había forma de derivar directamente EL de ellas bajo bajos voltajes. Mientras que los puntos cuánticos, perovskitas o semiconductores orgánicos funcionan rutinariamente en estructuras LED, las LnNP permanecían, sin trucos adicionales, como "solo óptica".

Excitación mediada por tripletes: ligandos orgánicos como antenas

El giro clave proviene de la combinación de LnNP con moléculas orgánicas seleccionadas que generan excitaciones de tripletes y transfieren energía a las transiciones f-f de los lantánidos. En la práctica, los investigadores reemplazan parcialmente el ácido oleico (OA) habitual en la superficie de las nanopartículas con el ligando ácido 9-antracenocarboxílico (9-ACA). En la parte orgánica, tras la inyección eléctrica, se forman singletes y tripletes en una proporción de 1:3 (estadística de espín). Los tripletes de 9-ACA luego transfieren energía a los niveles iónicos de Nd³⁺, Yb³⁺ y Er³⁺ mediante el mecanismo de transferencia de Dexter (TET, triplet energy transfer) a distancias muy cortas. Dado que el triplete en 9-ACA es de larga duración (cientos de microsegundos), y la TET ocurre en microsegundos, la transferencia es altamente eficiente, con pocos procesos competitivos.

Experimentalmente, al unir 9-ACA a las LnNP se obtiene una fuerte absorción UV heredada de la molécula y una fotoluminiscencia NIR-II multiplicada (p. ej., ~6,6× para Nd, ~34× para Yb, ~24× para Er bajo excitación de 350 nm). Además, la espectroscopía FTIR y las simulaciones DFT indican que el 9-ACA se coordina preferentemente en los sitios Ln³⁺ (a diferencia del OA que también se une al Na⁺), lo que favorece aún más el acoplamiento energético ligando–ion.

Primeros LnLED: estructura, funcionamiento y características espectrales

¿Cómo es el dispositivo? Una arquitectura típica es vidrio/ITO/PEDOT:PSS/poly-TPD/LnNP@9-ACA/TmPyPB/LiF/Al. ITO y LiF/Al son electrodos; PEDOT:PSS facilita la inyección de huecos, poly-TPD y TmPyPB sirven como HTL y ETL, y el híbrido LnNP@9-ACA forma la capa emisiva. Los electrones y huecos se recombinan principalmente en el 9-ACA, creando singletes y tripletes; estos últimos transfieren energía con muy alta eficiencia a los niveles iónicos de los lantánidos, que luego emiten en la región NIR-II.

La EL medida muestra bandas extremadamente estrechas: por ejemplo, los anchos a media altura (FWHM) son aproximadamente 20 nm (Nd), 43 nm (Yb) y 55 nm (Er) – múltiples veces más estrechas que los sistemas NIR típicos basados en puntos cuánticos (a menudo >150 nm). Las longitudes de onda pico están centradas alrededor de ~1058 nm (Nd), ~976 nm (Yb) y ~1533 nm (Er), sin desplazamiento con el voltaje. Los dispositivos se encienden ya a aproximadamente 5 V, y soportan voltajes más altos (>15 V), lo que se atribuye a que la mayoría de los tripletes ricos en energía en la orgánica se "drenan" a los robustos niveles 4f de los lantánidos, mitigando así la degradación típica del componente orgánico.

Pruebas de la transferencia de tripletes: dinámica y oxígeno como "extintor"

Experimentos cinéticos confirman adicionalmente el escenario. El 9-ACA unido muestra una vida útil del singlete acortada (de ~12,4 ns a <5 ns, dependiendo del Ln), lo que indica un cruce intersistema (ISC) acelerado inducido por la proximidad de iones con espín desapareado. La absorción transitoria mide un crecimiento rápido de la señal de triplete (≈1,4–1,9 ns) y su decaimiento significativamente más rápido que en 9-ACA puro, lo que es una consecuencia directa de la TET a los niveles 2F_5/2 (Yb), 4F_3/2 (Nd) y 4I_11/2 (Er). En condiciones de aire, la fotoluminiscencia en el NIR se apaga fuertemente debido al oxígeno (≈50% y más), lo que es una firma típica de la extinción de tripletes y una confirmación adicional de que la TET es el canal dominante.

De fotones a corriente: la diferencia entre foto- y electro-excitación

En la comparación de espectros PL y EL se ve que las proporciones de bandas individuales difieren, lo que implica diferentes vías de transferencia de energía bajo foto- y electro-excitación. En la excitación eléctrica, la recombinación ocurre en el 9-ACA en una delgada capa monomolecular orgánica-inorgánica, por lo que los iones superficiales pueden tener un papel preferente en la aceptación de la energía de triplete. Esto también explica rastros de EL visible: el componente azul nace en poly-TPD, y el rojo en la interfaz HTL/ETL en lugares donde la capa híbrida no es idealmente homogénea – lo que son canales de pérdida y objetivos de optimización para la próxima generación de dispositivos.

Cómo aumentar la eficiencia: núcleo–corteza, bloqueo de fugas y extracción de luz

Los primeros LnLED logran una EQE NIR en el rango de aproximadamente 0,004–0,04% (Er–Yb), y mediante el uso de un diseño núcleo–corteza Yb@Nd, capas de transporte optimizadas con un bloqueo más fuerte de electrones/huecos y microlentes para la extracción de luz, la EQE pico supera ~0,6% en la región NIR-II. Aunque esto todavía está lejos de los mejores LED QD en el visible, hay que tener en cuenta que aquí se trata de un huésped aislante con iones de tierras raras y que es la primera generación de dispositivos. Los principales frenos son: (i) la PLQE limitada de núcleos altamente dopados sin corteza, (ii) la fuga de carga a través de la monocapa emisiva y la recombinación en capas de transporte y (iii) la pobre extracción de luz NIR-II de la película delgada.

Las estrategias de mejora incluyen el diseño dedicado de ligandos con mayor reemplazo de OA (actualmente <10% de sitios cubiertos por 9-ACA dependiendo del tipo iónico), estructuras emisoras multicapa en lugar de monocapa, bloqueo reforzado de electrones/huecos, y uso de elementos de extracción óptica (microlentes, sustratos texturizados). A nivel del emisor, el aumento de la PLQE mediante la optimización de la concentración de dopante, tipo y tamaño de partículas será crucial; la literatura ya conoce ejemplos de Er³⁺ con PLQE >50% a 1530 nm, lo que sugiere un espacio real para el crecimiento de la EQE.

Dónde brillan los LnLED: NIR-II como ventana para tejidos y datos

La ventana NIR-II ofrece una penetración más profunda a través de tejidos biológicos, menor dispersión y menos ruido de autofluorescencia. Esto hace que las fuentes con líneas estrechas y posición de pico sintonizable sean extremadamente deseables para el diagnóstico no invasivo, la navegación intraoperatoria, la terapia fototérmica y el monitoreo de farmacocinética en tiempo real. La alta pureza espectral de los LnLED puede reducir la superposición de canales en mediciones multicanal (multiplex), mientras que la estabilidad de los materiales abre el camino hacia sondas esterilizables, duraderas y emisores de superficie flexibles para dispositivos portátiles.

Otra gran área es la comunicación óptica. Bandas más estrechas y sintonización eléctrica de la combinación de dopantes permiten "saltar" por canales con mínima diafonía, mientras que el procesamiento orgánico y el funcionamiento a bajo voltaje sugieren fuentes potencialmente más favorables para enlaces fotónicos de corto alcance e integrados, incluyendo la comunicación a través de entornos turbios (niebla, humo, medios dispersantes).

Comparación con plataformas competidoras

• Puntos cuánticos (QD): excelente eficiencia y direccionamiento eléctrico simple, pero en la región NIR-II mantienen principalmente emisiones amplias (>150 nm FWHM), lo que limita la densidad espectral de canales y la espectroscopía precisa.


• Perovskitas: alto rendimiento en visible e IR cercano, pero la estabilidad y presencia de plomo siguen siendo desafíos, especialmente para aplicaciones biomédicas. En la región NIR-II lograr líneas muy estrechas es aún más difícil.


• Emisores orgánicos: fácilmente procesables, pero las desactivaciones de tripletes y las bandas amplias a menudo limitan el rendimiento por encima de 1000 nm.


• Híbridos LnLED: actualmente menor EQE, pero naturaleza de banda estrecha completamente única, sintonización de emisión solo por reemplazo de iones y potencial para funcionamiento robusto a voltajes más altos gracias al "drenaje" de tripletes a niveles 4f.

Materiales y nanoarquitectura: qué es decisivo

Una TET eficiente requiere: (1) gran solapamiento espectroscópico entre la fosforescencia de triplete del ligando (9-ACA abarca aproximadamente 1,3–1,9 eV) y las bandas de absorción de Ln³⁺; (2) corta distancia donante–aceptor (la logra la quimisorción de 9-ACA en sitios Ln³⁺); (3) duración de triplete suficientemente larga (≥100 µs), significativamente más larga que los tiempos de TET de microsegundos; (4) ambiente inerte o protección contra el oxígeno para mediciones de fotoluminiscencia. También, arquitecturas núcleo–corteza (p. ej., Yb@Nd) pueden separar sitios de absorción y emisión, reducir la transferencia inversa y la extinción, y aumentar la PLQE.

Diseño electrónico del dispositivo: balance de carga y bloqueos

Para aumentar la EL, es necesario equilibrar la inyección de electrones y huecos en 9-ACA, minimizar la fuga hacia el HTL y suprimir la recombinación no deseada en capas de transporte. HTL mejorados con mejor inyección de huecos y bloqueo de electrones más fuerte, y ETL optimizados con funciones de trabajo apropiadas y coincidencia de niveles, han demostrado elevar la EQE. La optimización del espesor de capas y del contraste de índice, a su vez, aumenta la extracción de luz NIR-II, lo que en películas delgadas es una pérdida a menudo ignorada.

La imagen más amplia: convergencia de dos mundos

Conceptualmente, los LnLED combinan lo mejor de dos mundos: orgánica que genera y controla excitones y centros iónicos inorgánicos cuyos niveles 4f emiten con líneas atómicamente estrechas. Precisamente esta convergencia – transferencia mediada por tripletes hacia emisores 4f – muestra cómo los estados "oscuros" en la orgánica se convierten en moneda energética útil para encender aislantes. Comparativamente, otros equipos demuestran también enfoques alternativos de excitones electrogenerados en nanocristales de lantánidos con pureza espectral y sintonizabilidad enfatizadas, confirmando que las fuentes NIR-II de lantánidos entran en una nueva fase eléctricamente direccionable.

Del laboratorio a la aplicación: qué sigue

Para abrir el camino hacia fuentes NIR-II prácticas para dispositivos médicos, sondas endoscópicas o enlaces ópticos de corto alcance, será necesario: (i) aumentar la PLQE del emisor (objetivo: decenas de por ciento en NIR-II), (ii) formar capas activas más gruesas y uniformes sin vacíos para evitar EL visible y fugas, (iii) estandarizar ligandos y métodos de reemplazo para lograr una cobertura mayor que la actual <10% y (iv) integrar elementos ópticos pasivos para una extracción eficiente de luz. Dado el rápido progreso del campo, la combinación de diseño núcleo–corteza con nuevos ligandos amigables con los tripletes y capas de transporte optimizadas se impone como el camino más probable hacia valores de EQE significativamente más altos y estabilidad bajo funcionamiento continuo.

Nota sobre la fecha: los datos y resultados mencionados en este artículo fueron verificados el 6 de diciembre de 2025, con referencias a trabajos revisados por pares y comunicaciones de investigación publicados durante noviembre y diciembre de 2025.