Une équipe internationale de chercheurs de l'ETH Zurich, IBM Research Zurich, L'Empa et quatre instituts de recherche américains ont trouvé l'explication pour laquelle une classe de nanocristaux qui a été intensivement étudiée ces dernières années brille dans des couleurs incroyablement vives. Les nanocristaux contiennent des composés d'halogénure de plomb au césium qui sont disposés dans une structure en treillis de pérovskite.

Il y a trois ans, Maksym Kovalenko, professeur à l'ETH Zurich et à l'Empa, réussi à créer des nanocristaux - ou des points quantiques, comme ils sont également connus - à partir de ce matériau semi-conducteur. "Ces minuscules cristaux se sont avérés être des sources lumineuses extrêmement brillantes et émettant rapidement, plus lumineux et plus rapide que tout autre type de point quantique étudié jusqu'à présent, " explique Kovalenko. En faisant varier la composition des éléments chimiques et la taille des nanoparticules, il a également réussi à produire une variété de nanocristaux qui s'illuminent dans les couleurs de tout le spectre visible. Ces points quantiques sont donc également traités comme des composants pour les futurs affichages et diodes électroluminescentes.

Dans une étude publiée dans la dernière édition de la revue scientifique La nature , l'équipe de recherche internationale a examiné ces nanocristaux individuellement et en détail. Les scientifiques ont pu confirmer que les nanocristaux émettent de la lumière extrêmement rapidement. Les points quantiques précédemment étudiés émettent généralement de la lumière environ 20 nanosecondes après avoir été excités à température ambiante, ce qui est déjà très rapide. "Toutefois, les points quantiques aux halogénures de plomb au césium émettent de la lumière à température ambiante après seulement une nanoseconde, " explique Michael Becker, premier auteur de l'étude. Il est doctorant à l'ETH Zurich et mène son projet de doctorat à IBM Research.

Paire électron-trou dans un état d'énergie excité

Comprendre pourquoi les points quantiques aux halogénures de plomb au césium sont non seulement rapides mais aussi très lumineux implique de plonger dans le monde des atomes individuels, particules lumineuses (photons) et électrons. "Vous pouvez utiliser un photon pour exciter des nanocristaux semi-conducteurs afin qu'un électron quitte sa place d'origine dans le réseau cristallin, laissant un trou, " explique David Norris, Professeur de génie des matériaux à l'ETH Zurich. Le résultat est une paire électron-trou dans un état d'énergie excité. Si la paire électron-trou revient à son état fondamental d'énergie, la lumière est émise.

Sous certaines conditions, différents états d'énergie excitée sont possibles; dans de nombreux matériaux, le plus probable de ces états est appelé sombre. "Dans un état si sombre, la paire électron-trou ne peut pas revenir immédiatement à son état énergétique fondamental et, par conséquent, l'émission de lumière est supprimée et se produit en retard. Cela limite la luminosité", dit Rainer Mahrt, un scientifique à IBM Research.

Pas d'état sombre

Les chercheurs ont pu montrer que les points quantiques aux halogénures de plomb au césium diffèrent des autres points quantiques :leur état d'énergie excité le plus probable n'est pas un état sombre. Les paires électron-trou excitées sont beaucoup plus susceptibles de se trouver dans un état dans lequel elles peuvent émettre de la lumière immédiatement. "C'est la raison pour laquelle ils brillent si fort, " dit Norris.

Les chercheurs sont arrivés à cette conclusion grâce à leurs nouvelles données expérimentales et à l'aide des travaux théoriques menés par Alexander Efros, un physicien théoricien au Naval Research Laboratory à Washington. Il est un pionnier de la recherche sur les points quantiques et, Il y a 35 ans, a été parmi les premiers scientifiques à expliquer le fonctionnement des points quantiques semi-conducteurs traditionnels.

Bonne nouvelle pour la transmission de données

Comme les points quantiques aux halogénures de plomb au césium examinés sont non seulement brillants mais aussi peu coûteux à produire, ils pourraient être appliqués dans des écrans de télévision, avec des efforts entrepris par plusieurs entreprises, en Suisse et dans le monde. "Aussi, car ces points quantiques peuvent émettre rapidement des photons, ils présentent un intérêt particulier pour une utilisation en communication optique au sein des centres de données et des supercalculateurs, où vite, des composants petits et efficaces sont essentiels, " dit Mahrt. Une autre application future pourrait être la simulation optique de systèmes quantiques, qui est d'une grande importance pour la recherche fondamentale et la science des matériaux.

Le professeur de l'ETH Norris s'intéresse également à l'utilisation des nouvelles connaissances pour le développement de nouveaux matériaux. "Comme nous comprenons maintenant pourquoi ces points quantiques sont si brillants, nous pouvons également penser à l'ingénierie d'autres matériaux avec des propriétés similaires ou même meilleures, " il dit.