(Phys.org) -- Avec l'âge de l'ampoule à incandescence qui s'estompe rapidement, le Saint Graal de l'industrie de l'éclairage est de développer une forme très efficace d'éclairage à semi-conducteurs qui produit une lumière blanche de haute qualité.

Les points quantiques de lumière blanche sont l'une des rares technologies alternatives qui produisent une lumière blanche pure. Ce sont des billes fluorescentes ultra-petites de séléniure de cadmium qui peuvent convertir la lumière bleue produite par une LED en une lumière blanche chaude avec un spectre similaire à celui de la lumière incandescente. (Par contre, tubes fluorescents compacts et la plupart des LED à lumière blanche émettent une combinaison de couleurs monochromatiques qui simulent la lumière blanche).

Il y a sept ans, lorsque des points quantiques à lumière blanche ont été découverts accidentellement dans un laboratoire de chimie de Vanderbilt, leur efficacité était trop faible pour des applications commerciales et plusieurs experts ont prédit qu'il serait impossible de l'élever à des niveaux pratiques. Aujourd'hui, cependant, Les chercheurs de Vanderbilt ont prouvé que ces prédictions étaient fausses en signalant qu'ils avaient réussi à augmenter l'efficacité de fluorescence de ces nanocristaux d'un niveau initial de 3 % à 45 %.

Applications commerciales potentielles

"Quarante-cinq pour cent est aussi élevé que l'efficacité de certains luminophores commerciaux, ce qui suggère que les points quantiques à lumière blanche peuvent désormais être utilisés dans certaines applications d'éclairage spéciales, " a déclaré Sandra Rosenthal, la chaire de chimie Jack et Pamela Egan, qui a dirigé la recherche qui est décrite en ligne dans le Journal de l'American Chemical Society . "Le fait que nous ayons réussi à augmenter leur efficacité de plus de 10 fois signifie également qu'il devrait être possible d'améliorer encore leur efficacité."

La mesure générale de l'efficacité globale des appareils d'éclairage est appelée efficacité lumineuse et elle mesure la quantité de lumière visible (lumens) qu'un appareil produit par watt. Une ampoule à incandescence produit environ 15 lumens/watt, tandis qu'un tube fluorescent émet environ 100 lumens/watt. Les LED à lumière blanche actuellement sur le marché vont de 28 à 93 lumens/watt.

"Nous calculons que si vous combinez nos points quantiques améliorés avec la LED ultraviolette la plus efficace, le dispositif hybride aurait un rendement lumineux d'environ 40 lumens/watt, " a rapporté James McBride, professeur adjoint de recherche en chimie qui a été impliqué dans la recherche depuis sa création. "Il y a beaucoup de place pour améliorer l'efficacité des LED UV et les améliorations se traduiraient directement par une efficacité plus élevée dans l'hybride."

Une découverte fortuite

Les points quantiques ont été découverts en 1980. Ce sont des billes de matériau semi-conducteur - le matériau à partir duquel les transistors sont fabriqués - qui sont si petites qu'elles ont des propriétés électroniques uniques, intermédiaire entre ceux des semi-conducteurs massifs et des molécules individuelles. L'une de leurs propriétés utiles est la fluorescence qui produit des couleurs distinctives déterminées par la taille des particules. Au fur et à mesure que la taille du nanocristal diminue, la lumière qu'il émet passe du rouge au bleu. La découverte de Vanderbilt était que les points quantiques ultra-petits, contenant seulement 60 à 70 atomes, émettent de la lumière blanche au lieu de la lumière monochromatique.

"Ces points quantiques sont si petits que presque tous les atomes sont à la surface, l'émission de lumière blanche est donc intrinsèquement un phénomène de surface, " dit Rosenthal.

L'une des premières méthodes utilisées par divers groupes pour tenter d'éclaircir les nanocristaux a été le « décollage » - la croissance d'une coquille autour d'eux faite d'un matériau différent, comme le sulfure de zinc. Malheureusement, les obus éteignaient l'effet de lumière blanche et les points quantiques égrenés ne produisaient que de la lumière colorée.

Les chimistes ont suivi leur nez

À la suite de certaines recherches menées à l'Université de Caroline du Nord, les chercheurs ont décidé de voir si le traitement des points quantiques avec des sels métalliques aurait un effet éclaircissant. Ils ont remarqué que certains des sels semblaient produire une petite amélioration – 10 à 20 pour cent – ​​mais notable.

"C'étaient des sels d'acétate et ils sentaient un peu l'acide acétique, " a déclaré McBride. "Nous savions que l'acide acétique se lie aux points quantiques, nous avons donc décidé de l'essayer."

La décision de suivre leur nez s'est avérée heureuse. Le traitement à l'acide acétique a fait passer l'efficacité de la fluorescence des points quantiques de huit à 20 % !

L'acide acétique fait partie de la famille des acides carbocycliques. Les chercheurs ont donc essayé les autres membres de la famille. Ils ont découvert que le membre le plus simple et le plus acide - l'acide formique, le produit chimique que les fourmis utilisent pour marquer leurs chemins – a le mieux fonctionné, poussant l'efficacité jusqu'à 45 pour cent.

L'augmentation de la luminosité a eu un effet secondaire inattendu. Il a déplacé légèrement le pic du spectre de couleurs des points quantiques dans le bleu. C'est ironique car la principale plainte des LED à lumière blanche est que la lumière qu'elles produisent a une teinte bleue désagréable. Cependant, les chercheurs affirment qu'ils savent comment corriger la balance des couleurs de la lumière amplifiée.

La prochaine étape des chercheurs consiste à tester différentes méthodes pour encapsuler les points quantiques améliorés.