Minuscule, particules faciles à produire, appelés points quantiques, pourrait bientôt remplacer les semi-conducteurs monocristallins plus chers dans l'électronique de pointe que l'on trouve dans les panneaux solaires, capteurs de caméra et outils d'imagerie médicale. Bien que les points quantiques aient commencé à percer sur le marché grand public – sous la forme de téléviseurs à points quantiques – ils ont été entravés par des incertitudes de longue date quant à leur qualité. Maintenant, une nouvelle technique de mesure développée par des chercheurs de l'université de Stanford pourrait enfin dissiper ces doutes.

"Les semi-conducteurs traditionnels sont des monocristaux, cultivées sous vide dans des conditions particulières. Ceux-ci que nous pouvons faire en grand nombre, en flacon, dans un laboratoire et nous avons montré qu'ils sont aussi bons que les meilleurs monocristaux, " a déclaré David Hanifi, étudiant diplômé en chimie à Stanford et co-auteur principal de l'article écrit sur ce travail, publié le 15 mars dans Science .

Les chercheurs se sont concentrés sur l'efficacité avec laquelle les points quantiques réémettent la lumière qu'ils absorbent, une mesure révélatrice de la qualité des semi-conducteurs. Alors que les tentatives précédentes pour déterminer l'efficacité des points quantiques laissaient présager des performances élevées, c'est la première méthode de mesure à montrer avec confiance qu'ils pourraient rivaliser avec les monocristaux.

Ce travail est le résultat d'une collaboration entre les laboratoires d'Alberto Salleo, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford, et Paul Alivisatos, le Samsung Distinguished Professor of Nanoscience and Nanotechnology à l'Université de Californie, Berkeley, qui est un pionnier de la recherche sur les points quantiques et auteur principal de l'article. Alivisatos a souligné comment la technique de mesure pourrait conduire au développement de nouvelles technologies et de nouveaux matériaux qui nécessitent une connaissance approfondie de l'efficacité de nos semi-conducteurs.

"Ces matériaux sont si efficaces que les mesures existantes n'étaient pas capables de quantifier à quel point ils sont bons. C'est un pas de géant en avant, " a déclaré Alivisatos. " Il pourrait un jour permettre des applications qui nécessitent des matériaux avec une efficacité de luminescence bien supérieure à 99%, dont la plupart n'ont pas encore été inventés."

Entre 99 et 100

Pouvoir se passer d'équipements de fabrication coûteux n'est pas le seul avantage des points quantiques. Même avant ce travail, il y avait des signes que les points quantiques pourraient approcher ou surpasser les performances de certains des meilleurs cristaux. Ils sont également hautement personnalisables. Changer leur taille change la longueur d'onde de la lumière qu'ils émettent, une fonctionnalité utile pour les applications basées sur la couleur telles que le marquage d'échantillons biologiques, Téléviseurs ou écrans d'ordinateur.

Malgré ces qualités positives, la petite taille des points quantiques signifie qu'il peut en falloir des milliards pour faire le travail d'un grand, monocristal parfait. Faire autant de ces points quantiques signifie plus de chances que quelque chose ne se développe pas correctement, plus de chances pour un défaut qui peut entraver les performances. Les techniques qui mesurent la qualité d'autres semi-conducteurs suggéraient auparavant que les points quantiques émettent plus de 99% de la lumière qu'ils absorbent, mais cela n'était pas suffisant pour répondre aux questions sur leur potentiel de défauts. Pour faire ça, les chercheurs avaient besoin d'une technique de mesure mieux adaptée pour évaluer précisément ces particules.

« Nous voulons mesurer l'efficacité des émissions dans le domaine de 99,9 à 99,999 % parce que, si les semi-conducteurs sont capables de réémettre sous forme de lumière chaque photon qu'ils absorbent, vous pouvez faire de la science vraiment amusante et fabriquer des appareils qui n'existaient pas auparavant, " dit Hanifi.

La technique des chercheurs consistait à vérifier l'excès de chaleur produit par les points quantiques sous tension, plutôt que d'évaluer uniquement l'émission de lumière, car l'excès de chaleur est la signature d'une émission inefficace. Cette technique, couramment utilisé pour d'autres matériaux, n'avait jamais été appliqué pour mesurer les points quantiques de cette manière et il était 100 fois plus précis que ce que d'autres ont utilisé dans le passé. Ils ont découvert que les groupes de points quantiques émettaient de manière fiable environ 99,6% de la lumière absorbée (avec une erreur potentielle de 0,2% dans les deux sens). ce qui est comparable aux meilleures émissions monocristallines.

"Il était surprenant qu'un film avec de nombreux défauts potentiels soit aussi bon que le semi-conducteur le plus parfait que vous puissiez faire, " dit Salleo, qui est co-auteur de l'article.

Contrairement aux inquiétudes, les résultats suggèrent que les points quantiques sont étonnamment tolérants aux défauts. La technique de mesure est également la première à déterminer avec certitude comment les différentes structures de points quantiques se comparent les unes aux autres - les points quantiques avec précisément huit couches atomiques d'un matériau de revêtement spécial émettent la lumière le plus rapidement, un indicateur de qualité supérieure. La forme de ces points devrait guider la conception de nouveaux matériaux électroluminescents, dit Alivisatos.

Des technologies entièrement nouvelles

Cette recherche fait partie d'un ensemble de projets au sein d'un centre de recherche Energy Frontier financé par le ministère de l'Énergie, appelé Photonique aux limites thermodynamiques. Dirigé par Jennifer Dionne, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à Stanford, l'objectif du centre est de créer des matériaux optiques, des matériaux qui affectent le flux de lumière, avec les plus hautes efficacités possibles.

Une prochaine étape de ce projet consiste à développer des mesures encore plus précises. Si les chercheurs peuvent déterminer que ces matériaux atteignent des efficacités égales ou supérieures à 99,999%, cela ouvre la possibilité à des technologies que nous n'avons jamais vues auparavant. Ceux-ci pourraient inclure de nouveaux colorants brillants pour améliorer notre capacité à regarder la biologie à l'échelle atomique, refroidissement luminescent et concentrateurs solaires luminescents, qui permettent à un ensemble relativement petit de cellules solaires d'absorber l'énergie d'une vaste zone de rayonnement solaire. Tout ceci étant dit, les mesures qu'ils ont déjà établies sont une étape en soi, susceptible d'encourager une impulsion plus immédiate de la recherche et des applications sur les points quantiques.

"Les personnes travaillant sur ces matériaux à points quantiques pensent depuis plus d'une décennie que les points pourraient être aussi efficaces que les matériaux monocristallins, " dit Hanifi, " et maintenant nous avons enfin la preuve."