Les points quantiques sont des nanoparticules de semi-conducteur qui peuvent être réglées pour briller dans un arc-en-ciel de couleurs. Depuis leur découverte dans les années 1980, ces nanoparticules remarquables ont ouvert des perspectives alléchantes pour toutes sortes de nouvelles technologies, allant des matériaux d'éclairage peints et des cellules solaires aux puces informatiques quantiques, marqueurs biologiques, et même les lasers et les technologies de communication.

Mais il y a un problème :les points quantiques clignotent souvent.

Cette "intermittence de fluorescence, " comme l'appellent les scientifiques, a mis un frein à de nombreuses applications potentielles. Les lasers et les portes logiques ne fonctionneront pas très bien avec des sources lumineuses douteuses. Les points quantiques peuvent absorber des couleurs de lumière spécifiques, trop, mais les utiliser pour récolter la lumière du soleil dans le photovoltaïque n'est pas encore très efficace, dû en partie aux mécanismes derrière le clignotement.

Des scientifiques de l'Université de Chicago travaillant au Centre national de calcul scientifique de la recherche sur l'énergie (NERSC) du ministère de l'Énergie ont récemment sondé le mystérieux processus de clignotement des points quantiques en silicium à l'aide de simulations. leurs résultats, publié dans le numéro du 28 février de Nanoéchelle , rapprocher les scientifiques de la compréhension – et peut-être de la résolution – du problème.

L'incroyable point quantique

Points quantiques - connus sous le nom de nanocristaux, nanoparticules et nanodots—possède des propriétés bénéfiques qui manquent à leurs homologues en vrac.

Excitez un point quantique et il brille de mille feux dans une couleur de lumière spécifique. Variez la largeur de quelques atomes et vous pouvez l'ajuster pour qu'il brille de différentes couleurs :plus le point est petit, plus la lumière est bleue. Plus le point est gros, le plus rouge. Les points quantiques peuvent également être réglés pour absorber des longueurs d'onde spécifiques de la lumière, une propriété utile pour les cellules solaires.

En comparaison, la structure moléculaire des semi-conducteurs massifs détermine (et limite) les couleurs de la lumière (ou des énergies) émises et absorbées. Donc, une diode électroluminescente (DEL) constituée d'un matériau peut s'allumer en vert tandis qu'un autre s'allume en rouge. Pour obtenir des couleurs différentes, vous devez utiliser des matériaux différents. Cellules solaires, de même, utiliser des couches de différents matériaux pour capturer diverses longueurs d'onde de lumière.

Donc, pourquoi un nanocristal de semi-conducteur se comporte-t-il si différemment qu'un plus grand réseau du même matériau ? En un mot :la taille. Fabriqué artificiellement pour ne contenir qu'une poignée d'atomes, les points quantiques sont si petits qu'ils existent dans la zone crépusculaire entre la physique newtonienne et quantique, obéissant parfois à un ensemble de règles, parfois l'autre, souvent à l'effet surprenant.

Alors que les cristaux des semi-conducteurs en vrac peuvent perdre et regagner des électrons (c'est ainsi qu'ils conduisent une charge), les électrons d'une boîte quantique sont confinés à l'intérieur de la boîte. Cet état est appelé confinement quantique. Lorsque les électrons d'une boîte quantique interagissent avec la lumière, ils peuvent subir une transition et "sauter" (mécaniquement quantique) vers un état qui, dans des conditions normales, est inoccupé. L'énergie associée au plus petit saut s'appelle l'écart. L'écart est donc l'excès d'énergie que les électrons peuvent libérer, idéalement comme lumière (ou dans le cas du photovoltaïque, porteurs) lors du passage à un état d'énergie inférieur. Par conséquent, le rayon du matériau définit l'énergie que ces points peuvent absorber et émettre.

Clignotement gênant

Points quantiques, cependant, tendance à clignoter. Le clignotement n'est pas aléatoire (il obéit à une "loi de puissance"), mais ce n'est pas non plus prévisible. Ainsi, les particules individuelles peuvent s'assombrir seulement pendant des nanosecondes ou rester sombres pendant des minutes à la fois ou à un certain intervalle entre les deux.

Les scientifiques ont des idées sur les causes du clignotement, mais je ne comprends toujours pas exactement comment cela fonctionne, dit Márton Vörös, un chercheur postdoctoral de l'Université de Chicago qui a co-écrit l'étude.

"Il y a eu cette idée que les défauts de surface, par exemple une liaison pendante à la surface d'un nanocristal, peut piéger des électrons et provoquer cette commutation entre les états clairs et sombres, " a déclaré Vörös qui a effectué les calculs au NERSC. " Il existe déjà un certain nombre de modèles microscopiques proposés par d'autres groupes qui reposent sur des défauts, mais une compréhension complète fait toujours défaut. "

Les frais sont importants

Pour étudier le clignotement, l'équipe a utilisé des nanoparticules de silicium (Si) simulées configurées avec divers défauts et recouvertes de dioxyde de silicium. En commençant par trois états de défaut possibles différents, ils ont utilisé le superordinateur Hopper (un Cray XE6) pour calculer les propriétés optiques et électroniques de la nanoparticule de silicium oxydé avec le progiciel scientifique appelé Quantum Espresso.

Pour effectuer leurs calculs, l'équipe a d'abord construit des modèles virtuels. Ils ont sculpté informatiquement des trous virtuels dans un oxyde de silicium cristallin (SiO 2 ) matrice et points quantiques de silicium insérés de différentes tailles, cycles de calcul de recuit et de refroidissement pour créer une interface plus réaliste entre les boîtes quantiques et le SiO 2 matrice. Finalement, des défauts de liaisons pendantes ont été introduits à la surface des points quantiques en supprimant quelques atomes sélectionnés.

En calculant les propriétés électroniques et la vitesse à laquelle les électrons libèrent de l'énergie, ils ont découvert que les états piégés provoquent effectivement une gradation des points quantiques. Des liaisons pendantes à la surface des nanoparticules de silicium ont piégé les électrons où ils se sont recombinés « non radiativement » en libérant de la chaleur. C'est-à-dire, les électrons dégagent un excès d'énergie sans émettre de lumière. Mais c'était un peu plus compliqué que ça. La gradation dépendait également de la charge globale de l'ensemble de la boîte quantique, l'équipe a trouvé.

Parfois, un électron peut être piégé dans le matériau dans lequel un point est incrusté, silice dans ce cas, donnant au point une charge globale positive. Ce n'est que lorsque l'électron reste piégé à la surface du nanodot, en le rendant neutre ou chargé négativement, il se désintégrerait sans émettre de lumière. "Donc, lorsque le point est chargé positivement, ce sera lumineux. Lorsqu'il est neutre ou chargé négativement, nous nous attendons à ce qu'il fasse sombre, " a déclaré Nicholas P. Brawand, un étudiant diplômé de l'Université de Chicago qui a co-écrit l'étude.

Au-delà du clignotement

Pour arriver à leurs résultats, les chercheurs ont dû concevoir des modèles réalistes de points quantiques et calculer leurs propriétés à partir de bases, principes scientifiques, ce que les scientifiques appellent des calculs ab intio (du latin « depuis le début »). Ces calculs ont pris plus de 100, 000 heures processeur sur Hopper. "Les calculs nécessaires pour arriver à ces conclusions étaient assez exigeants en termes de calcul, " a déclaré Vörös. "Nous n'aurions pas pu faire notre travail sans les ressources du NERSC."

"Nos résultats sont les premiers calculs ab initio rapportés montrant que les liaisons pendantes à la surface de nanoparticules de silicium oxydées peuvent agir comme des centres de recombinaison non radiatifs efficaces, " a déclaré la co-auteur Giulia Galli, qui est professeur de la famille Liew en structure électronique et simulations à l'Institute for Molecular Engineering de l'Université de Chicago. "Nos résultats fournissent une validation a priori de l'interprétation du rôle que jouent les défauts de liaison pendants dans plusieurs dispositifs photoniques et optoélectroniques."

De plus, les techniques des chercheurs peuvent être utilisées pour lutter contre les effets du piégeage dans les cellules solaires. "Piégeage, le même mécanisme physique qui provoque le clignotement, peut effectivement limiter l'efficacité des cellules solaires, " dit Vörös. '

"Maintenant que nous avons testé cette technique, nous pouvons l'appliquer aux cellules solaires à nanocristaux, trop, " a déclaré Galli.