Les nanocristaux de silicium sont formés par un gaz silane dans un processus plasma. Crédit :Lorenzo Mangolini/UC Riverside
Une équipe de chercheurs de l'Université du Texas à Austin et de l'Université de Californie, Riverside a trouvé un moyen de produire un phénomène supposé depuis longtemps :le transfert d'énergie entre le silicium et l'organique, molécules à base de carbone - dans une percée qui a des implications pour le stockage d'informations dans l'informatique quantique, conversion de l'énergie solaire et imagerie médicale. La recherche est décrite dans un article publié aujourd'hui dans la revue Chimie de la nature .
Le silicium est l'un des matériaux les plus abondants de la planète et un composant essentiel dans tout, des semi-conducteurs qui alimentent nos ordinateurs aux cellules utilisées dans presque tous les panneaux d'énergie solaire. Pour toutes ses capacités, cependant, le silicium a quelques problèmes lorsqu'il s'agit de convertir la lumière en électricité. Différentes couleurs de lumière sont composées de photons, particules qui transportent l'énergie de la lumière. Le silicium peut convertir efficacement les photons rouges en électricité, mais avec des photons bleus, qui transportent deux fois l'énergie des photons rouges, le silicium perd la majeure partie de son énergie sous forme de chaleur.
La nouvelle découverte offre aux scientifiques un moyen d'augmenter l'efficacité du silicium en l'associant à un matériau à base de carbone qui convertit les photons bleus en paires de photons rouges qui peuvent être utilisés plus efficacement par le silicium. Ce matériau hybride peut également être modifié pour fonctionner à l'envers, capter la lumière rouge et la convertir en lumière bleue, qui a des implications pour les traitements médicaux et l'informatique quantique.
"La molécule organique avec laquelle nous avons associé le silicium est un type de cendre de carbone appelée anthracène. C'est essentiellement de la suie, " a déclaré Sean Roberts, un professeur assistant de chimie à l'UT Austin. L'article décrit une méthode pour connecter chimiquement le silicium à l'anthracène, créant une ligne de puissance moléculaire qui permet à l'énergie de transférer entre le silicium et la substance semblable à la cendre. "Nous pouvons maintenant ajuster finement ce matériau pour réagir à différentes longueurs d'onde de la lumière. Imaginez, pour l'informatique quantique, être capable de modifier et d'optimiser un matériau pour transformer un photon bleu en deux photons rouges ou deux photons rouges en un seul bleu. C'est parfait pour le stockage d'informations."
Un transfert d'énergie de dexter silicium-molécule entraîne la conversion ascendante des photons. Crédit :Sean Roberts, L'Université du Texas à Austin
Pendant quatre décennies, les scientifiques ont émis l'hypothèse que l'association du silicium avec un type de matériau organique qui absorbe mieux la lumière bleue et verte pourrait être la clé pour améliorer la capacité du silicium à convertir la lumière en électricité. Mais la simple superposition des deux matériaux n'a jamais provoqué le "transfert d'excitons spin-triplet, " un type particulier de transfert d'énergie du matériau carboné vers le silicium, nécessaire pour atteindre cet objectif. Roberts et des scientifiques des matériaux de l'UC Riverside décrivent comment ils ont réussi à sortir de l'impasse avec de minuscules fils chimiques qui relient les nanocristaux de silicium à l'anthracène, produisant pour la première fois le transfert d'énergie prévu entre eux.
"Le défi a été d'extraire des paires d'électrons excités de ces matériaux organiques et dans le silicium. Cela ne peut pas être fait simplement en déposant l'un sur l'autre, " a déclaré Roberts. " Il faut construire un nouveau type d'interface chimique entre le silicium et ce matériau pour leur permettre de communiquer électroniquement. "
Roberts et son étudiante diplômée Emily Raulerson ont mesuré l'effet dans une molécule spécialement conçue qui se fixe à un nanocristal de silicium, l'innovation des collaborateurs Ming Lee Tang, Lorenzo Mangolini et Pan Xia de UC Riverside. A l'aide d'un laser ultrarapide, Roberts et Raulerson ont découvert que le nouveau fil moléculaire entre les deux matériaux n'était pas seulement rapide, résilient et efficace, il pourrait effectivement transférer environ 90 % de l'énergie du nanocristal à la molécule.
"Nous pouvons utiliser cette chimie pour créer des matériaux qui absorbent et émettent n'importe quelle couleur de lumière, " dit Raulerson, qui dit ça, avec d'autres réglages, des nanocristaux de silicium similaires attachés à une molécule pourraient générer une variété d'applications, des lunettes de vision nocturne sans pile aux nouveaux appareils électroniques miniatures.
Une lumière laser verte à faible énergie traverse les points quantiques en silicium, que les points quantiques de silicium réémettent, ou conversion ascendante, dans une lumière bleue de plus haute énergie. Crédit :Lorenzo Mangolini &Ming Lee Tang/UCR
D'autres processus très efficaces de ce type, appelé conversion ascendante de photons, s'appuyait auparavant sur des matières toxiques. Comme la nouvelle approche utilise exclusivement des matériaux non toxiques, il ouvre la porte à des applications en médecine humaine, bio-imagerie et technologies écologiquement durables, quelque chose sur lequel Roberts et son collègue chimiste de l'UT Austin, Michael Rose, travaillent.
À UC Riverside, Le laboratoire de Tang a été le premier à attacher les molécules organiques aux nanoparticules de silicium, et le groupe de Mangolini a conçu les nanocristaux de silicium.
"La nouveauté est vraiment de savoir comment faire fonctionner ensemble les deux parties de cette structure, les molécules organiques et les nanocristaux de silicium à confinement quantique, " dit Mangolini, professeur agrégé de génie mécanique. "Nous sommes le premier groupe à vraiment mettre les deux ensemble."
