À gauche :transfert d'électrons photoinduit se produisant dans des hérérodimères à pont de points quantiques-fullerène et observé en microscopie à molécule unique. A droite :Contrôle du taux de transfert d'électrons (ET) par variation de la distance interparticulaire (R, panneau supérieur) et la taille du point quantique (D, panneau inférieur).
(PhysOrg.com) -- Dans une étape vers la conception d'appareils électroniques toujours plus petits, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) ont assemblé des paires de particules à l'échelle nanométrique qui se révèlent prometteuses en tant que sources d'énergie miniaturisées. Composé d'absorbant la lumière, des points quantiques colloïdaux liés à des nanoparticules de fullerène à base de carbone, ces minuscules systèmes à deux particules peuvent convertir la lumière en électricité d'une manière contrôlée avec précision.
"C'est la première démonstration d'un hybride inorganique/organique, matériau dimère (à deux particules) qui agit comme un système donneur-pont-accepteur d'électrons pour convertir la lumière en courant électrique, " a déclaré Mircea Cotlet, physico-chimiste de Brookhaven, auteur principal d'un article décrivant les dimères et leur méthode d'assemblage dans Angewandte Chemie .
En faisant varier la longueur des molécules de liaison et la taille des points quantiques, les scientifiques peuvent contrôler le taux et l'ampleur des fluctuations du transfert d'électrons induit par la lumière au niveau du dimère individuel. "Ce contrôle fait de ces dimères des unités de production d'électricité prometteuses pour l'électronique moléculaire ou des cellules solaires photovoltaïques plus efficaces, " dit Cotlet, qui a mené cette recherche avec le scientifique des matériaux Zhihua Xu au Centre des nanomatériaux fonctionnels de Brookhaven.
Les scientifiques qui cherchent à développer l'électronique moléculaire se sont beaucoup intéressés aux systèmes donneurs-pont-accepteurs organiques car ils ont un large éventail de mécanismes de transport de charge et parce que leurs propriétés de transfert de charge peuvent être contrôlées en faisant varier leur chimie. Récemment, les points quantiques ont été combinés avec des matériaux accepteurs d'électrons tels que des colorants, fullerènes, et l'oxyde de titane pour produire des cellules solaires hybrides et à colorant dans l'espoir que les propriétés d'absorption de la lumière et d'émission dépendantes de la taille des points quantiques augmenteraient l'efficacité de tels dispositifs. Mais si loin, les taux de conversion de puissance de ces systèmes sont restés assez faibles.
"Les efforts pour comprendre les processus impliqués afin de concevoir des systèmes améliorés ont généralement examiné le comportement moyen dans des structures mixtes ou couche par couche plutôt que la réponse d'un individu, des architectures hybrides donneur-accepteur bien maîtrisées, " dit Xu.
La méthode de fabrication de précision développée par les scientifiques de Brookhaven leur permet de contrôler soigneusement la taille des particules et la distance interparticulaire afin qu'ils puissent explorer les conditions de transfert d'électrons induit par la lumière entre les points quantiques individuels et les fullerènes accepteurs d'électrons au niveau d'une seule molécule.
L'ensemble du processus d'assemblage se déroule sur une surface et de façon progressive pour limiter les interactions des composants (particules), qui pourraient autrement se combiner de plusieurs manières s'ils étaient assemblés par des méthodes basées sur des solutions. Cet assemblage surfacique permet également d'obtenir des appariement de nanoparticules un à un.
Pour identifier l'arrangement architectural optimal pour les particules, les scientifiques ont fait varier stratégiquement la taille des points quantiques - qui absorbent et émettent de la lumière à différentes fréquences en fonction de leur taille - et la longueur des molécules de pont reliant les nanoparticules. Pour chaque disposition, ils ont mesuré le taux de transfert d'électrons en utilisant la spectroscopie à molécule unique.
"Cette méthode supprime la moyenne d'ensemble et révèle l'hétérogénéité d'un système - par exemple des taux de transfert d'électrons fluctuants - ce que les méthodes spectroscopiques conventionnelles ne peuvent pas toujours faire, " dit Cotlet.
Les scientifiques ont découvert que la réduction de la taille des points quantiques et de la longueur des molécules de liaison conduisait à des améliorations du taux de transfert d'électrons et à la suppression des fluctuations de transfert d'électrons.
"Cette suppression de la fluctuation du transfert d'électrons dans les dimères avec une taille de point quantique plus petite conduit à un taux de génération de charge stable, ce qui peut avoir un impact positif sur l'application de ces dimères en électronique moléculaire, y compris potentiellement dans le photovoltaïque miniature et grande surface, " dit Cotlet.
"L'étude des processus de séparation et de recombinaison des charges dans ces structures dimères simplifiées et bien contrôlées nous aide à comprendre les processus de conversion photon-électron plus compliqués dans les cellules solaires à grande surface, et à terme améliorer leur efficacité photovoltaïque, " Xu a ajouté.
Une demande de brevet américain est en instance sur la méthode et les matériaux résultant de l'utilisation de la technique, et la technologie est disponible pour une licence.
