Des chercheurs européens ont combiné la modélisation informatique de la mécanique quantique et des procédés de fabrication de précision pour créer de nouveaux oxydes conducteurs transparents fabriqués sur commande pour un large éventail d'applications scientifiques et grand public.
Imaginez que vous spécifiez exactement comment vous voulez qu'un nouveau matériau se comporte, remettre ces spécifications à un ingénieur, et récupérer un tout nouveau matériau avec exactement les qualités dont vous avez besoin.
C'est l'objectif du projet NATCO (pour Novel Advanced Transparent Conductive Oxides) financé par l'UE. Ils ont conçu et développé de nouveaux oxydes conducteurs transparents (TCO) selon des spécifications rigoureuses en appliquant la mécanique quantique pour prédire les propriétés optiques et électroniques d'un matériau, le fabriquer, et vérifier leurs résultats expérimentalement.
Les résultats? Des TCO entièrement nouveaux avec un large éventail d'applications potentielles dans les capteurs, cellules solaires, fenêtres intelligentes, et des dizaines d'autres scientifiques, produits commerciaux et de consommation.
« Dans le domaine de l'optoélectronique, il y a un grand besoin de trouver des matériaux meilleurs et moins coûteux, " dit Guy Garry, coordinateur du projet NATCO. « La route que nous avons empruntée consistait d'abord à faire des calculs pour trouver la meilleure façon d'obtenir les propriétés dont nous avions besoin. Lorsque nous avons fabriqué ces matériaux, nous avons constaté que leurs propriétés étaient les mêmes que celles que nous avions calculées.
Ce processus de conception rationnel - utilisant les premiers principes pour calculer la conductivité et la transparence de nouveaux matériaux avant de les fabriquer - a permis aux chercheurs de développer de nouveaux TCO avec des performances améliorées rapidement et efficacement.
« Nous avons pu faire ces calculs très rapidement, qui nous a permis de valoriser des biens existants et de trouver de nouveaux biens, ", dit le Dr Garry.
Tout nouveau matériel optoélectronique
TCO - des matériaux qui allient transparence et conductivité, qualités qui ne sont généralement pas réunies - ont de multiples applications. En tant que capteurs, photovoltaïque, dispositifs électroluminescents et films à commande électronique, on les trouve dans les instruments scientifiques, DVD, Caméras digitales, téléphones portables, écrans d'ordinateur et des centaines d'autres produits.
Jusque récemment, la plupart des TCO reposaient sur un matériau appelé ITO, un oxyde d'indium qui est dopé - légèrement modifié - par l'ajout d'une petite quantité d'étain. Les ITO se sont avérées utiles, mais, Le Dr Garry dit, souffrent de deux inconvénients. Leur transparence n'est pas très bonne, surtout dans le proche infrarouge, et l'indium est rare et très cher.
L'équipe NATCO a décidé d'explorer un matériau complètement différent, cuprate de strontium dopé avec des quantités variables de baryum. Le cuivre, le baryum et le strontium sont beaucoup plus abondants et beaucoup moins chers que l'indium.
Des calculs approfondis appliquant la mécanique quantique ont prédit que, en dopant du cuprate de strontium avec quelques pourcents en poids de baryum, les chercheurs pouvaient créer précisément les matériaux qu'ils voulaient, alliant bonne conductivité électrique et transparence optique.
Fabriquer les nouveaux matériaux était un défi. Au début, les matériaux étaient fabriqués sous forme de céramique en vrac, puis, pour les applications réelles, des couches minces ont été déposées sur des substrats appropriés.
À la fin, les chercheurs ont opté pour deux techniques de dépôt - le dépôt laser pulsé (PLD) et le dépôt chimique organique métallique (MOCVD).
En PLD, une rafale de lumière laser vaporise le matériau à déposer, créer un film mince sur une surface en verre ou en silicone. Il permet un contrôle précis, mais ne peut pas être utilisé sur de grandes surfaces.
MOCVD utilise la chimie organique pour créer des gaz qui déposent le matériau souhaité sur une surface. C'est une procédure plus compliquée, mais a l'avantage de pouvoir être agrandi pour revêtir de grandes surfaces.
Une fois les matériaux fabriqués, les chercheurs ont pu tester dans quelle mesure leurs propriétés électriques et optiques correspondaient aux valeurs prédites. « C'était la première fois que ce genre de travail était fait sur les TCO, ", dit le Dr Garry.
De multiples applications en cours
Aujourd'hui, l'une des applications les plus prometteuses des nouveaux TCO de NATCO se situe dans le domaine des biocapteurs extrêmement sensibles. Ces appareils, avec le titre de torsion de la langue de capteurs de spectroscopie en mode lumineux à guide d'ondes optiques électrochimiques, sont fabriqués par le partenaire du consortium hongrois MicroVacuum. Ils fonctionnent en mesurant la courbure de la lumière lorsqu'elle traverse une très fine couche de guidage d'ondes optiques.
Lorsque les molécules cibles se lient à la surface du détecteur, ils modifient l'indice de réfraction du TCO, qui à son tour change la façon dont la lumière passe à travers le guide d'ondes. L'application d'un champ électrique variable à travers la couche fournit des informations supplémentaires sur les molécules.
« Nous avons obtenu de très bons résultats sur ces appareils en utilisant nos matériaux de cuprate de strontium, ", dit le Dr Garry. Il prévoit un large éventail d'applications pour ces capteurs, notamment dans le domaine de la protéomique.
Les partenaires commerciaux et académiques du projet poursuivent d'autres applications pour les TCO des concepteurs de NATCO, y compris des cellules solaires plus efficaces, fenêtres intelligentes, nouvelles sources lumineuses, et des matériaux pour moduler la lumière laser.
Pour le Dr Garry, les résultats de la modélisation des premiers principes et de l'approche de fabrication de précision du projet sont si encourageants qu'il envisage de les appliquer à des problèmes plus complexes.
« Nous aimerions utiliser cette voie pour étudier des matériaux plus complexes, " il dit. "Par exemple, examiner la ferro-électricité pour voir pourquoi certains matériaux ayant la même structure sont ferro-électriques alors que d'autres ne le sont pas.
