Avec sa promesse d'ordinateurs ultrarapides et de microscopes optiques ultrapuissants parmi les nombreuses possibilités, la plasmonique est devenue l'un des domaines les plus en vogue de la haute technologie. Cependant, à ce jour, les propriétés plasmoniques ont été limitées aux nanostructures qui présentent des interfaces entre les métaux nobles et les diélectriques. Maintenant, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) ont montré que les propriétés plasmoniques peuvent également être obtenues dans les nanocristaux semi-conducteurs appelés points quantiques. Cette découverte devrait rendre le domaine de la plasmonique encore plus chaud.

"Nous avons démontré des résonances plasmoniques de surface localisées bien définies provenant de porteurs de type p dans des points quantiques semi-conducteurs dopés par des lacunes qui devraient permettre la détection plasmonique et la manipulation de processus à l'état solide dans des nanocristaux uniques, " dit le directeur du Berkeley Lab, Paul Alivisatos, une autorité en nanochimie qui a dirigé cette recherche. "Nos points quantiques semi-conducteurs dopés ouvrent également la possibilité de coupler fortement les propriétés photoniques et électroniques, avec des implications pour la récolte de lumière, optique non linéaire, et le traitement de l'information quantique."

Alivisatos est l'auteur correspondant d'un article dans la revue Matériaux naturels intitulé "Résonances plasmoniques de surface localisées résultant de porteurs libres dans des points quantiques dopés." Les co-auteurs de l'article étaient Joseph Luther et Prashant Jain, avec Trevor Ewers.

Le terme « plasmonique » décrit un phénomène dans lequel le confinement de la lumière dans des dimensions inférieures à la longueur d'onde des photons dans l'espace libre permet de faire correspondre les différentes échelles de longueur associées à la photonique et à l'électronique dans un même dispositif nanométrique. Les scientifiques pensent que grâce à la plasmonique, il devrait être possible de concevoir des interconnexions de puces informatiques capables de déplacer des quantités de données beaucoup plus importantes beaucoup plus rapidement que les puces actuelles. Il devrait également être possible de créer des lentilles de microscope capables de résoudre des objets nanométriques avec la lumière visible, une nouvelle génération de diodes électroluminescentes à haute efficacité, et des détecteurs chimiques et biologiques supersensibles. Il existe même des preuves que les matériaux plasmoniques peuvent être utilisés pour courber la lumière autour d'un objet, rendant ainsi cet objet invisible.

Le phénomène plasmonique a été découvert dans des nanostructures aux interfaces entre un métal noble, comme l'or ou l'argent, et un diélectrique, comme l'air ou le verre. Diriger un champ électromagnétique à une telle interface génère des ondes électroniques de surface qui roulent à travers les électrons de conduction sur un métal, comme des ondulations qui s'étendent sur la surface d'un étang recouvert d'une pierre. Tout comme l'énergie d'un champ électromagnétique est transportée dans une unité de type particule quantifiée appelée photon, l'énergie d'une telle onde de surface électronique est transportée dans une unité de type particule quantifiée appelée plasmon. La clé des propriétés plasmoniques est lorsque la fréquence d'oscillation entre les plasmons et les photons incidents correspond, un phénomène connu sous le nom de résonance plasmonique de surface localisée (LSPR). La sagesse scientifique conventionnelle a soutenu que les LSPR nécessitent une nanostructure métallique , où les électrons de conduction ne sont pas fortement attachés à des atomes ou des molécules individuels. Cela s'est avéré ne pas être le cas comme Prashant Jain, membre du groupe de recherche Alivisatos et l'un des principaux auteurs de l'article Nature Materials, explique.

"Notre étude représente un changement de paradigme par rapport à la nanoplasmonique métallique, car nous avons montré que, en principe, toute nanostructure peut présenter des LSPR tant que l'interface possède un nombre appréciable de porteurs libres, soit des électrons soit des trous, " dit Jain. " En démontrant les LSPR dans des points quantiques dopés, nous avons étendu la gamme de matériaux candidats pour la plasmonique aux semi-conducteurs, et nous avons également fusionné le domaine des nanostructures plasmoniques, qui présentent des propriétés photoniques accordables, avec le champ des points quantiques, qui présentent des propriétés électroniques accordables."

Jain et ses co-auteurs ont fabriqué leurs points quantiques à partir du sulfure de cuivre semi-conducteur, un matériau connu pour supporter de nombreuses stoechiométries déficientes en cuivre. Initialement, les nanocristaux de sulfure de cuivre ont été synthétisés à l'aide d'une méthode d'injection à chaud commune. Bien que cela ait donné des nanocristaux intrinsèquement auto-dopés avec des porteurs de charge de type p, il n'y avait aucun contrôle sur le montant des postes vacants ou des transporteurs.

"Nous avons pu surmonter cette limitation en utilisant une méthode d'échange d'ions à température ambiante pour synthétiser les nanocristaux de sulfure de cuivre, " Jain dit. "Cela gèle les nanocristaux dans un état relativement sans vacance, que nous pouvons ensuite doper de manière contrôlée à l'aide d'oxydants chimiques courants."

En introduisant suffisamment de porteurs de charge électrique gratuits via les dopants et les postes vacants, Jain et ses collègues ont réussi à obtenir des LSPR dans la gamme proche infrarouge du spectre électromagnétique. L'extension de la plasmonique pour inclure les semi-conducteurs ainsi que les métaux offre un certain nombre d'avantages importants, comme l'explique Jain.

"Contrairement à un métal, la concentration de porteurs de charge libres dans un semi-conducteur peut être contrôlée activement par dopage, Température, et/ou transitions de phase, " dit-il. " Par conséquent, la fréquence et l'intensité des LSPR dans
les points quantiques dopables peuvent être réglés dynamiquement. Les LSPR d'un métal, d'autre part, une fois conçu grâce à un choix de paramètres de nanostructure, comme la forme et la taille, est enfermé en permanence."

Jain envisage les points quantiques comme étant intégrés dans une variété de futurs dispositifs photoniques à base de films et de puces qui peuvent être activement commutés ou contrôlés, et également appliqué à des applications optiques telles que l'imagerie in vivo. En outre, le fort couplage possible entre les modes photonique et électronique dans de tels points quantiques dopés recèle un potentiel intéressant pour des applications dans le solaire photovoltaïque et la photosynthèse artificielle

« Dans les systèmes photosynthétiques photovoltaïques et artificiels, la lumière doit être absorbée et canalisée pour générer des électrons et des trous énergétiques, qui peut ensuite être utilisé pour fabriquer de l'électricité ou du carburant, " dit Jain. " Pour être efficace, il est hautement souhaitable que de tels systèmes présentent une interaction améliorée de la lumière avec les excitons. C'est ce qu'une boîte quantique dopée avec un mode LSPR pourrait réaliser."

Le potentiel des modes électroniques et photoniques fortement couplés dans les points quantiques dopés provient du fait que les points quantiques semi-conducteurs permettent des excitations électroniques quantifiées (excitons), tandis que les LSPR servent à localiser ou à confiner fortement la lumière de fréquences spécifiques dans la boîte quantique. Le résultat est une interaction exciton-lumière améliorée. Étant donné que la fréquence LSPR peut être contrôlée en changeant le niveau de dopage, et les excitons peuvent être réglés par confinement quantique, il devrait être possible de concevoir des points quantiques dopés pour récolter les fréquences de lumière les plus riches du spectre solaire.

La plasmonique à points quantiques offre également des possibilités intrigantes pour les futurs dispositifs de communication et de calcul quantiques.

"L'utilisation de photons uniques, sous forme de plasmons quantifiés, permettrait aux systèmes quantiques d'envoyer des informations à presque la vitesse de la lumière, par rapport à la vitesse et à la résistance des électrons dans les systèmes classiques, " dit Jain. " Les points quantiques dopés en fournissant des excitons et des LSPR quantifiés fortement couplés et au sein de la même nanostructure pourraient servir de source de plasmons uniques. "

Jain et d'autres membres du groupe de recherche d'Alivsatos étudient maintenant le potentiel des points quantiques dopés fabriqués à partir d'autres semi-conducteurs, tels que le séléniure de cuivre et le tellurure de germanium, qui présentent également des résonances plasmoniques ou photoniques accordables. Le tellurure de germanium est particulièrement intéressant car il possède des propriétés de changement de phase utiles pour les dispositifs de stockage en mémoire.

"Un objectif à long terme est de généraliser les phénomènes plasmoniques à tous les points quantiques dopés, qu'ils soient fortement autodopés ou extrinsèquement dopés avec relativement peu d'impuretés ou de lacunes, " dit Jain.