Un nouvel article dans Science magazine donne un aperçu de près de trois décennies de recherche sur les points quantiques colloïdaux, évalue les progrès technologiques pour ces spécifications nanométriques de matière semi-conductrice, et évalue les défis restants sur la voie d'une commercialisation généralisée de cette technologie prometteuse avec des applications dans tous les domaines, des téléviseurs aux capteurs solaires hautement efficaces.

"Il y a trente ans, ces structures n'étaient qu'un sujet de curiosité scientifique étudié par un petit groupe de passionnés. Au cours des années, les points quantiques sont devenus des matériaux de qualité industrielle exploités dans une gamme de technologies traditionnelles et émergentes, dont certains ont déjà trouvé leur place sur les marchés commerciaux, " dit Victor I. Klimov, co-auteur de l'article et chef de l'équipe menant des recherches sur les points quantiques au Laboratoire national de Los Alamos.

De nombreuses avancées décrites dans le Science article originaire de Los Alamos, y compris la première démonstration de laser à points quantiques colloïdaux, la découverte de la multiplication des porteurs, recherche pionnière sur les diodes électroluminescentes (DEL) quantiques et les concentrateurs solaires luminescents, et des études récentes sur les émetteurs quantiques à point unique.

En utilisant la chimie colloïdale moderne, les dimensions et la structure interne des points quantiques peuvent être manipulées avec une précision quasi atomique, ce qui permet un contrôle très précis de leurs propriétés physiques et donc de leurs comportements dans des dispositifs pratiques.

Un certain nombre d'efforts en cours sur les applications pratiques des points quantiques colloïdaux ont exploité l'accordabilité à taille contrôlée de leur couleur d'émission et des rendements quantiques à haute émission proches de la limite idéale de 100 %. Ces propriétés sont attrayantes pour les écrans et l'éclairage, les technologies où les points quantiques sont utilisés comme luminophores de conversion de couleur. En raison de leur bande étroite, émission spectralement accordable, les points quantiques permettent une pureté des couleurs améliorée et une couverture plus complète de l'ensemble de l'espace colorimétrique par rapport aux matériaux phosphorescents existants. Certains de ces appareils, tels que les téléviseurs à points quantiques, ont déjà atteint la maturité technologique et sont disponibles sur les marchés commerciaux.

La prochaine frontière est la création de LED technologiquement viables, alimenté par des points quantiques à commande électrique. Les Science examen décrit diverses approches pour mettre en œuvre ces dispositifs et discute des défis existants. Les LED quantiques ont déjà atteint une luminosité impressionnante et des efficacités presque idéales proches des limites théoriquement définies. Une grande partie de ces progrès a été motivée par des progrès continus dans la compréhension des facteurs limitant les performances tels que la recombinaison Auger non radiative.

L'article traite également du statut et des défis des lasers à points quantiques pouvant être traités en solution.

« La mise à disposition de ces lasers bénéficierait à une gamme de technologies, y compris les circuits photoniques intégrés, communication optique, plateformes de laboratoire sur puce, appareils portables, et diagnostics médicaux, " a déclaré Klimov.

Les chercheurs de Los Alamos ont contribué à des avancées clés dans ce domaine, notamment l'élucidation des mécanismes d'amplification de la lumière dans les nanostructures colloïdales et la première démonstration d'un effet laser utilisant ces matériaux.

« Le principal défi actuel est la démonstration du laser avec pompage électrique, " a déclaré Klimov. " Los Alamos a été à l'origine de plusieurs étapes importantes sur la voie de cet objectif, notamment la réalisation d'un gain optique avec excitation électrique et le développement de dispositifs à double fonction fonctionnant comme un laser à pompage optique et une LED électrique standard. ."

Les points quantiques sont également d'une grande utilité potentielle dans les technologies de récolte solaire et de détection de la lumière. En raison de leur bande interdite réglable, ils peuvent être conçus pour cibler une gamme particulière de longueurs d'onde, ce qui est particulièrement intéressant pour réaliser des photodétecteurs peu coûteux pour le domaine spectral infrarouge. Dans le domaine des technologies de l'énergie solaire, les points quantiques colloïdaux ont été exploités en tant qu'éléments actifs à la fois des cellules solaires et des collecteurs de lumière solaire luminescente.

Dans le cas du photovoltaïque (PV), l'approche par points quantiques pourrait être utilisée pour réaliser une nouvelle génération d'appareils peu coûteux, dispositifs photovoltaïques à couche mince préparés par des techniques évolutives basées sur des solutions telles que le traitement rouleau par rouleau. En outre, ils pourraient permettre de concevoir de nouveaux schémas de photoconversion dérivés de processus physiques uniques aux particules colloïdales ultrapetites "à confinement quantique". Un tel processus, multiplication des porteurs, génère plusieurs paires électron-trou par un seul photon absorbé. Ce processus, signalé pour la première fois par des chercheurs de Los Alamos en 2004, a fait l'objet d'intenses recherches dans le cadre de ses applications à la fois en PV et en photochimie solaire.

"Un autre domaine très prometteur est celui des concentrateurs solaires luminescents à points quantiques ou LSC, " a déclaré Klimov. " En utilisant l'approche LSC, on peut, en principe, convertir des fenêtres ou des revêtements muraux standard en appareils de production d'électricité. En plus des modules solaires sur le toit, cela pourrait aider à alimenter un bâtiment entier en énergie propre. Alors que le concept LSC a été introduit dans les années 1970, il n'a vraiment prospéré que récemment en raison de l'introduction de points quantiques spécialement conçus. »

Les chercheurs de Los Alamos ont contribué à de nombreuses avancées importantes dans le domaine des LSC, notamment le développement d'approches pratiques pour résoudre le problème de l'auto-absorption de la lumière et le développement de dispositifs bicouches (tandem) à haute efficacité. Plusieurs start-up, dont une spin-off Laboratoire, UbiQD inc., ont activement poursuivi la commercialisation d'une technologie LSC à points quantiques.