Panneaux solaires à couche mince, le téléphone portable dans votre main et l'ampoule LED éclairant votre maison sont tous fabriqués à partir des plus rares, éléments les plus chers de la planète.

Une équipe internationale comprenant des chercheurs de l'Université du Michigan a mis au point un moyen de fabriquer ce type de matériaux optoélectroniques à partir de matériaux moins chers, éléments plus abondants. Ces composés peuvent également être "réglés" pour récolter efficacement l'énergie électrique des différentes longueurs d'onde de la lumière dans le spectre solaire et pour produire la gamme de couleurs que nous aimons utiliser pour l'éclairage.

Seuls des types spécifiques de composés (une combinaison de deux éléments ou plus) peuvent être utilisés pour fabriquer des appareils électroniques qui émettent efficacement de la lumière ou collectent de l'électricité. Si vous vous souvenez de vos cours de chimie à l'école primaire, chaque colonne du tableau périodique est considérée comme un groupe d'éléments.

Par exemple, le groupe III comprend des éléments tels que l'indium et le gallium, deux éléments relativement rares qui sous-tendent néanmoins actuellement des applications combinant lumière et électricité. Le problème est, ces composés impliquent souvent des éléments que l'on ne trouve que dans quelques endroits dans le monde.

"En réalité, nous risquons de manquer de certains de ces éléments parce qu'ils ne sont pas faciles à recycler et qu'ils sont en quantité limitée, " a déclaré le physicien Roy Clarke, qui dirige l'effort U-M. "Il n'est pas viable pour la technologie de s'appuyer sur quelque chose qui est susceptible de s'épuiser sur une échelle de 10 à 20 ans."

L'équipe de recherche a trouvé un moyen de combiner deux éléments communs des colonnes entre parenthèses du groupe III pour créer un nouveau composé composé d'éléments des groupes II, IV et V. Ce composé II-IV-V peut être utilisé à la place des éléments rares typiquement trouvés dans les matériaux optoélectroniques III-V avec des propriétés similaires - sauf beaucoup plus abondants et moins chers.

Le nouveau composé de zinc, l'étain et l'azote peuvent récolter à la fois l'énergie solaire et la lumière, il fonctionnerait donc dans les panneaux solaires à couche mince ainsi que dans les ampoules LED, écrans de téléphones portables et écrans de télévision.

L'utilisation de magnésium au lieu de zinc étend encore la portée des matériaux en lumière bleue et ultraviolette. Les deux composés sont également « accordables », c'est-à-dire lorsque les chercheurs font pousser des cristaux de l'un ou l'autre des composés, les éléments peuvent être ordonnés de telle sorte que le matériau soit sensible à des longueurs d'onde de lumière spécifiques.

Cette accordabilité est souhaitée car elle permet aux chercheurs d'ajuster le matériau pour répondre à la plus large gamme de longueurs d'onde de la lumière. Ceci est particulièrement important pour les diodes électroluminescentes afin que les concepteurs d'appareils puissent sélectionner la couleur de la lumière produite.

"Lorsque vous éclairez une maison ou un bureau, vous voulez pouvoir régler la chaleur de la lumière, imitant souvent la lumière naturelle du soleil, ", a déclaré Clarke. "Ces nouveaux composés II-IV-V nous permettraient de le faire."

Étudiants diplômés Robert Makin, Krystal York et James Mathis ont fait pousser les couches minces dans le laboratoire de Steve Durbin, professeur de génie électrique et informatique à la Western Michigan University.

Makin, qui vient d'obtenir son doctorat. de WMU et est l'auteur principal de l'étude, a utilisé une technique appelée épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) pour produire les composés souhaités dans les bonnes conditions pour fabriquer des films avec un degré d'ordre atomique soigneusement contrôlé.

MBE dépose chaque couche atomique du composé de manière systématique, afin que les chercheurs puissent étudier la couche mince, ou filmer, structure au fur et à mesure qu'ils la développaient. La prochaine étape de la recherche, menant à la construction de diverses conceptions d'appareils, appelle à des études détaillées de la réponse électronique de cette famille de matériaux et à des tests de diverses architectures à l'échelle nanométrique qui exploitent leur polyvalence.

L'équipe de recherche comprend également des membres de l'Université de Lorraine en France et de l'Université de Canterbury en Nouvelle-Zélande. Leurs recherches sont publiées dans Lettres d'examen physique .