Cela montre la luminescence des nanocristaux de CdSe/CuS préparés par échange de cations. A gauche, des cristaux avant purification, à droite, les mêmes nanocristaux après élimination des impuretés. Crédit :Avec l'aimable autorisation de Berkeley Lab
À la longue liste des découvertes fortuites – la gravité, pénicilline, le Nouveau Monde – ajoutez ceci :les scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont découvert pourquoi une technique prometteuse pour fabriquer des points quantiques et des nanotiges a jusqu'à présent été une déception. Mieux encore, ils ont également découvert comment corriger le problème.
Une équipe de chercheurs dirigée par le chimiste Paul Alivisatos, directeur du Berkeley Lab, et Prashant Jain, un chimiste maintenant avec l'Université de l'Illinois, a découvert pourquoi les nanocristaux fabriqués à partir de plusieurs composants en solution via l'échange de cations (ions positifs) étaient de mauvais émetteurs de lumière. Le problème, ils ont trouvé, provient des impuretés dans le produit final. L'équipe a également démontré que ces impuretés peuvent être éliminées par la chaleur.
"En chauffant ces nanocristaux à 100 degrés Celsius, nous avons pu éliminer les impuretés et augmenter leur luminescence de 400 fois en 30 heures, " dit Jaïn, membre du groupe de recherche d'Alivisatos au moment de la réalisation de ce travail. "Lorsque les impuretés ont été éliminées, les propriétés optoélectroniques des nanocristaux fabriqués par échange de cations étaient de qualité comparable à celle des points et des nanotiges synthétisés de manière conventionnelle."
dit Alivisatos, "Avec nos nouvelles découvertes, la technique d'échange de cations devient vraiment une méthode qui peut être largement utilisée pour fabriquer de nouveaux nanocristaux de haute qualité optoélectronique. »
Jain est l'auteur principal et Alivisatos l'auteur correspondant d'un article décrivant ce travail dans la revue Angewandte Chemie intitulé « Nanocristaux hautement luminescents provenant de l'élimination des atomes d'impuretés résiduels de la synthèse d'échange d'ions ». D'autres auteurs étaient Brandon Beberwyck, Lam-Kiu Fong et Mark Polking.
Les points quantiques et les nanotiges sont des nanocristaux semi-conducteurs électroluminescents qui ont un large éventail d'applications, y compris la bio-imagerie, technologies de l'énergie solaire et des écrans d'affichage. Typiquement, ces nanocristaux sont synthétisés à partir de colloïdes - particules en suspension en solution. Comme alternative, Alivisatos et son groupe de recherche ont développé une nouvelle technique de synthèse basée sur une solution dans laquelle les nanocristaux sont chimiquement transformés en échangeant ou en remplaçant tous les cations du réseau cristallin par un autre type de cation. Cette technique d'échange de cations permet de produire de nouveaux types de nanocristaux coeur/coquille inaccessibles en synthèse classique. Les nanocristaux cœur/coquille sont des hétérostructures dans lesquelles un type de semi-conducteur est enfermé dans un autre, par exemple, un noyau de séléniure de cadmium (CdSe) et une enveloppe de sulfure de cadmium (CdS).
Prashant Jain est un ancien membre du groupe de recherche de Paul Alivisatos maintenant à l'Université de l'Illinois. Crédit :Photo de Roy Kaltschmidt, Affaires publiques du laboratoire de Berkeley
« Tout en promettant la fabrication simple et peu coûteuse de nanocristaux à plusieurs composants, la technique d'échange de cations a produit des points quantiques et des nanotiges qui fonctionnent mal dans les dispositifs optiques et électroniques, " dit Alivisatos, une autorité mondiale sur la synthèse de nanocristaux qui détient une nomination conjointe avec l'Université de Californie (UC) Berkeley, où il est professeur Larry et Diane Bock de nanotechnologie.
Comme Jain raconte l'histoire, il était en train d'éliminer des nanocristaux de CdSe/CuS en solution qui avaient six mois quand, par habitude, il a testé les nanocristaux sous lumière ultraviolette. À sa grande surprise, il a observé une luminescence importante. Des mesures spectrales ultérieures et la comparaison des nouvelles données avec les anciennes ont montré que la luminescence des nanocristaux avait augmenté d'au moins sept fois.
"C'était une découverte accidentelle et très excitante, " Jain dit, "mais puisque personne ne veut attendre six mois pour que leurs échantillons deviennent de haute qualité, j'ai décidé de chauffer les nanocristaux pour accélérer le processus qui provoquait l'augmentation de leur luminescence."
Jain et l'équipe ont suspecté et une étude ultérieure a confirmé que les impuretés - les cations originaux qui finissent par être laissés dans le réseau cristallin pendant le processus d'échange - étaient le coupable.
"Même quelques impuretés cationiques dans un nanocristal suffisent pour piéger efficacement, porteurs de charges énergétiques, " Jain dit. "Dans la plupart des points quantiques ou nanotiges, les porteurs de charges sont délocalisés sur l'ensemble du nanocristal, leur permettant de trouver facilement les impuretés, peu importe qu'il y en ait peu, au sein du nanocristal. En chauffant la solution pour éliminer ces impuretés et arrêter ce piégeage induit par les impuretés, nous donnons aux porteurs de charge suffisamment de temps pour se combiner radiativement et ainsi augmenter la luminescence."
Étant donné que les porteurs de charge jouent également un rôle dans le transport électronique, performances photovoltaïques, et procédés photocatalytiques, Jain dit que la fermeture du piégeage par les impuretés devrait également renforcer ces propriétés optoélectroniques dans les nanocristaux synthétisés via la technique d'échange de cations.
