En nichant des points quantiques dans une structure isolante en cage à œufs, des chercheurs de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont démontré une nouvelle architecture robuste pour les dispositifs électroluminescents à points quantiques (QD-LED).
Les points quantiques sont de très petits cristaux qui brillent de mille feux, couleurs riches lorsqu'elles sont stimulées par un courant électrique. Les QD-LED devraient trouver des applications dans les écrans de télévision et d'ordinateur, sources lumineuses générales, et lasers.
Des travaux antérieurs dans le domaine avaient été compliqués par des molécules organiques appelées ligands qui pendent de la surface des points quantiques. Les ligands jouent un rôle essentiel dans la formation des points quantiques, mais ils peuvent causer des problèmes fonctionnels plus tard.
Grâce à un changement de technique inventif imaginé par l'équipe de Harvard, les ligands autrefois gênants peuvent maintenant être utilisés pour construire une structure QD-LED plus polyvalente. Le nouveau design monocouche, décrit dans la revue Advanced Materials, peut résister à l'utilisation de traitements chimiques pour optimiser les performances de l'appareil pour diverses applications.
"Avec les points quantiques, l'environnement chimique optimal pour la croissance n'est généralement pas l'environnement optimal pour le fonctionnement, " dit le co-chercheur principal Venkatesh Narayanamurti, Benjamin Peirce Professeur de technologie et de politique publique à SEAS.
Les points quantiques, chacun seulement 6 nanomètres de diamètre, sont cultivés dans une solution qui brille de façon saisissante sous une lumière noire.
La solution de points quantiques peut être déposée sur la surface des électrodes en utilisant une gamme de techniques, mais selon l'auteur principal Edward Likovich (A.B. '06, S.M. '08, doctorat '11), qui a mené les recherches en tant que doctorant en physique appliquée à SEAS, "C'est là que ça se complique."
"Le noyau des points est un réseau parfait de matériau semi-conducteur, mais à l'extérieur c'est beaucoup plus salissant, " dit-il. " Les points sont recouverts de ligands, longues chaînes organiques nécessaires à la synthèse précise des points en solution. Mais une fois que vous déposez les points quantiques sur la surface de l'électrode, ces mêmes ligands rendent de nombreuses étapes typiques de traitement des dispositifs très difficiles."
Les ligands peuvent interférer avec la conduction du courant, et les tentatives de les modifier peuvent provoquer la fusion des points quantiques, détruire les propriétés qui les rendent utiles. Les molécules organiques peuvent également se dégrader avec le temps lorsqu'elles sont exposées aux rayons UV.
Les chercheurs aimeraient pouvoir utiliser ces ligands pour produire les points quantiques en solution, tout en minimisant l'impact négatif des ligands sur la conduction du courant.
« Les technologies QD qui ont été développées jusqu'à présent sont ces grandes, épais, appareils multicouches, " dit le co-auteur Rafael Jaramillo, un Ziff Environmental Fellow au Harvard University Center for the Environment. Jaramillo travaille dans le laboratoire de Shriram Ramanathan, Professeur agrégé de science des matériaux à SEAS.
"Jusqu'à maintenant, ces multiples couches ont été essentielles pour produire suffisamment de lumière, mais ils permettent peu de contrôle sur la conduction du courant ou la flexibilité en termes de traitements chimiques. Un mince, film monocouche de points quantiques est d'un intérêt énorme dans ce domaine, parce qu'il permet tellement de nouvelles applications."
Le nouveau QD-LED ressemble à un sandwich, avec une seule couche active de points quantiques nichés dans l'isolant et piégés entre deux électrodes en céramique. Pour créer de la lumière, le courant doit être canalisé à travers les points quantiques, mais les points doivent également être séparés les uns des autres pour fonctionner.
Dans une première conception, le chemin de moindre résistance était entre les points quantiques, le courant électrique a donc contourné les points et n'a produit aucune lumière.
Abandonnant la technique traditionnelle d'évaporation qu'ils utilisaient pour appliquer l'isolation sur l'appareil, les chercheurs ont plutôt utilisé le dépôt de couche atomique (ALD), une technique qui implique des jets d'eau. ALD tire parti des ligands résistants à l'eau sur les points quantiques, Ainsi, lorsque l'isolation en oxyde d'aluminium est appliquée sur la surface, il comble sélectivement les espaces entre les points, produisant une surface plane sur le dessus.
La nouvelle structure permet un contrôle plus efficace du flux de courant électrique.
« L'exploitation de ces ligands hydrophobes nous a permis d'isoler les interstices entre les boîtes quantiques, créant essentiellement une structure qui agit comme une caisse à œufs pour les points quantiques, " dit le co-auteur Kasey Russell (A.B. '02, doctorat '09), un stagiaire postdoctoral à SEAS. « L'avantage est que nous pouvons canaliser le courant directement à travers les points quantiques bien que nous n'en ayons qu'une seule couche, et parce que nous avons cette seule couche, on peut lui appliquer de nouveaux traitements chimiques, avancer."
Par le biais du bureau de développement technologique de Harvard, Likovich et ses collègues ont déposé une demande de brevet provisoire sur l'appareil. Au-delà des applications possibles dans les écrans d'ordinateur et de télévision, lumières, et lasers, la technologie pourrait un jour être utilisée dans des transistors à effet de champ ou des cellules solaires.
