Exploiter la puissance du soleil et créer des dispositifs de collecte de lumière ou de détection de lumière nécessite un matériau qui à la fois absorbe efficacement la lumière et convertit l'énergie en courant électrique hautement mobile. Trouver le mélange idéal de propriétés dans un seul matériau est un défi, les scientifiques ont donc expérimenté des moyens de combiner différents matériaux pour créer des « hybrides » avec des fonctionnalités améliorées.

Dans deux articles qui viennent d'être publiés, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis, Université Stony Brook, et l'Université du Nebraska décrivent une telle approche qui combine les excellentes propriétés de collecte de lumière des points quantiques avec la conductivité électrique accordable d'un semi-conducteur au disulfure d'étain en couches. Le matériau hybride présentait des propriétés de collecte de lumière améliorées grâce à l'absorption de la lumière par les points quantiques et leur transfert d'énergie au disulfure d'étain, à la fois dans les tests de laboratoire et lorsqu'ils sont incorporés dans des appareils électroniques. La recherche ouvre la voie à l'utilisation de ces matériaux dans des applications optoélectroniques telles que le photovoltaïque à récupération d'énergie, capteurs de lumière, et des diodes électroluminescentes (DEL).

Selon Mircea Cotlet, le physico-chimiste qui a dirigé ce travail au Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation utilisateur du DOE Office of Science, "Les dichalcogénures métalliques bidimensionnels comme le disulfure d'étain ont des propriétés prometteuses pour la conversion de l'énergie solaire et les applications de photodétecteurs, y compris un rapport d'aspect surface/volume élevé. Mais aucun matériau semi-conducteur n'a tout. Ces matériaux sont très minces et ce sont de mauvais absorbeurs de lumière. Nous avons donc essayé de les mélanger avec d'autres nanomatériaux comme les points quantiques absorbant la lumière pour améliorer leurs performances grâce au transfert d'énergie. »

Un papier, vient de paraître dans la revue ACS Nano , décrit une étude fondamentale du matériau hybride point quantique/disulfure d'étain en lui-même. Le travail analyse comment la lumière excite les points quantiques (constitués d'un noyau de séléniure de cadmium entouré d'une coquille de sulfure de zinc), qui transfèrent ensuite l'énergie absorbée aux couches de disulfure d'étain à proximité.

"Nous avons mis au point une approche intéressante pour discriminer le transfert d'énergie du transfert de charge, deux types communs d'interactions favorisées par la lumière dans de tels hybrides, " dit Prahlad Routh, un étudiant diplômé de l'Université Stony Brook travaillant avec Cotlet et co-premier auteur du ACS Nano papier. "Nous le faisons à l'aide de la spectroscopie à nanocristal unique pour examiner comment les points quantiques individuels clignotent lorsqu'ils interagissent avec du disulfure d'étain en forme de feuille. Cette méthode simple peut évaluer si les composants de ces hybrides semi-conducteurs interagissent soit par énergie, soit par transfert de charge. "

Les chercheurs ont découvert que le taux de transfert d'énergie non radiative des points quantiques individuels au disulfure d'étain augmente avec un nombre croissant de couches de disulfure d'étain. Mais les performances des tests en laboratoire ne suffisent pas à prouver les mérites de nouveaux matériaux potentiels. Les scientifiques ont donc incorporé le matériau hybride dans un appareil électronique, un transistor à effet de champ photo, un type de détecteur de photons couramment utilisé pour les applications de détection de lumière.

Comme décrit dans un article publié en ligne le 24 mars dans Lettres de physique appliquée , le matériau hybride a considérablement amélioré les performances des transistors à effet de champ photo, ce qui a entraîné une réponse au photocourant (conversion de la lumière en courant électrique) 500 % meilleure que celle des transistors fabriqués avec le matériau disulfure d'étain seul.

"Ce type de transfert d'énergie est un processus clé qui permet la photosynthèse dans la nature, " dit Chang-Yong Nam, un scientifique des matériaux au Center for Functional Nanomaterials et co-auteur de l'article de l'APL. "Les chercheurs ont essayé d'imiter ce principe dans les appareils électriques de récolte de lumière, mais cela a été difficile en particulier pour les nouveaux systèmes de matériaux tels que le disulfure d'étain que nous avons étudié. Notre appareil démontre les avantages en termes de performances obtenus en utilisant à la fois des processus de transfert d'énergie et de nouveaux matériaux de faible dimension."

Cotlet conclut, "L'idée de" doper "des matériaux en couches bidimensionnels avec des points quantiques pour améliorer leurs propriétés d'absorption de la lumière est prometteuse pour la conception de meilleures cellules solaires et photodétecteurs."