Les films constitués de nanocristaux semi-conducteurs – de minuscules cristaux mesurant à peine quelques milliardièmes de mètre de diamètre – sont considérés comme un nouveau matériau prometteur pour un large éventail d'applications. Les nanocristaux pourraient être utilisés dans des circuits électroniques ou photoniques, détecteurs de biomolécules, ou les pixels brillants sur les écrans d'affichage haute résolution. Ils sont également prometteurs pour des cellules solaires plus efficaces.
La taille d'un nanocristal semi-conducteur détermine ses propriétés électriques et optiques. Mais il est très difficile de contrôler le placement des nanocristaux sur une surface afin de fabriquer des films structurellement uniformes. Les films de nanocristaux typiques présentent également des fissures qui limitent leur utilité et rendent impossible la mesure des propriétés fondamentales de ces matériaux.
Maintenant, des chercheurs du MIT disent avoir trouvé des moyens de créer des motifs sans défaut de films de nanocristaux où la forme et la position des films sont contrôlées avec une résolution à l'échelle nanométrique, ouvrant potentiellement un domaine important pour la recherche et de nouvelles applications possibles.
« Nous avons essayé de comprendre comment les électrons se déplacent dans des matrices de ces nanocristaux, " ce qui a été difficile avec un contrôle limité sur la formation des matrices, dit le physicien Marc Kastner, le professeur de sciences Donner, doyen de la School of Science du MIT et auteur principal d'un article publié en ligne dans la revue Lettres nano .
Le travail s'appuie sur les recherches de Moungi Bawendi, professeur de chimie Lester Wolfe au MIT et co-auteur de cet article, qui a été l'un des premiers chercheurs à contrôler avec précision la production de nanocristaux. Un tel contrôle a permis, entre autres, produire des matériaux qui brillent, ou fluorescent, dans une gamme de couleurs différentes en fonction de leurs tailles, même s'ils sont tous fabriqués dans le même matériau.
Dans les phases initiales des nouveaux travaux, postdoc Tamar Mentzel a produit des motifs à l'échelle nanométrique qui émettent une lumière infrarouge invisible. Mais travailler sur de tels systèmes est fastidieux, car chaque réglage fin doit être vérifié en utilisant la microscopie électronique qui prend beaucoup de temps. Ainsi, lorsque Mentzel a réussi à faire briller des motifs de nanocristaux semi-conducteurs avec la lumière visible, les rendre visibles au microscope optique, cela signifiait que l'équipe pouvait considérablement accélérer le développement de la nouvelle technologie. « Même si les motifs à l'échelle nanométrique sont inférieurs à la limite de résolution du microscope optique, les nanocristaux agissent comme une source lumineuse, les rendre visibles, ", dit Mentzel.
La conductivité électrique des films sans défaut des chercheurs est environ 180 fois supérieure à celle des films fissurés fabriqués par des méthodes conventionnelles. En outre, le processus développé par l'équipe du MIT a déjà permis de créer des motifs sur une surface de silicium d'à peine 30 nanomètres de diamètre, soit à peu près la taille des caractéristiques les plus fines possibles avec les techniques de fabrication actuelles.
Le processus est unique pour produire de si petits motifs de films sans défaut, dit Mentzel. "L'astuce était d'obtenir que le film soit uniforme, et à coller » au substrat en dioxyde de silicium, ajoute Kastner. Cela a été réalisé en laissant une fine couche de polymère recouvrir la surface avant de déposer la couche de nanocristaux dessus. Les chercheurs supposent que de minuscules molécules organiques à la surface des nanocristaux les aident à se lier à la couche de polymère.
De tels motifs de nanocristaux pourraient avoir de nombreuses applications, dit Kastner. Parce que ces nanocristaux peuvent être réglés non seulement pour émettre mais aussi pour absorber un large spectre de couleurs de lumière, ils pourraient permettre un nouveau type de cellule solaire à large spectre, il dit.
Mais l'intérêt personnel de Kastner et Mentzel a plus à voir avec la physique fondamentale :puisque les minuscules cristaux se comportent presque comme des atomes surdimensionnés, les chercheurs visent à utiliser les réseaux pour étudier les processus fondamentaux des solides, dit Mentzel. Le succès de cette technique a déjà permis de nouvelles recherches sur la façon dont les électrons se déplacent dans les films.
De tels matériaux pourraient également être utilisés pour développer des détecteurs sensibles pour de minuscules quantités de certaines molécules biologiques, soit en tant que systèmes de dépistage des toxines, soit en tant que dispositifs de test médical, disent les chercheurs.
Douglas Natelson, un professeur de physique et d'astronomie à l'Université Rice qui n'était pas impliqué dans ce travail, dit, « Le défi dans le passé a été de parvenir à films uniformes, modelé à haute résolution, avec un bon contact entre les nanocristaux et aucune fissuration. » L'approche de l'équipe du MIT, il dit, « bien que trompeusement simple en apparence, accomplit tous ces objectifs.
Natelson ajoute :« Je pense que c'est une très belle réalisation. Les images de fluorescence montrant les films à nanomotifs sont époustouflantes, en particulier pour ceux qui savent à quel point c'est difficile.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
