L'équipe de nano-recherche dirigée par les professeurs Helge Weman et Bjørn-Ove Fimland du département des systèmes électroniques de l'Université norvégienne des sciences et technologies (NTNU) a réussi à créer des diodes électroluminescentes, ou LED, à partir d'un nanomatériau qui émet de la lumière ultraviolette.

C'est la première fois que quelqu'un crée de la lumière ultraviolette sur une surface de graphène.

"Nous avons montré que c'était possible, ce qui est vraiment excitant, " déclare la doctorante Ida Marie Høiaas, qui a travaillé sur le projet avec Ph.D. candidat Andreas Liudi Mulyo.

"Nous avons créé un nouveau composant électronique qui a le potentiel de devenir un produit commercial. Il n'est pas toxique et pourrait s'avérer moins cher, et plus stable et durable que les lampes fluorescentes d'aujourd'hui. Si nous réussissons à rendre les diodes efficaces et beaucoup moins chères, il est facile d'imaginer que cet équipement se banalise dans les foyers. Cela augmenterait considérablement le potentiel du marché, " dit Høiaas.

Dangereux, mais utile

Bien qu'il soit important de se protéger d'une trop grande exposition aux rayons UV du soleil, la lumière ultraviolette a également des propriétés très utiles.

Cela s'applique en particulier à la lumière UV avec des longueurs d'onde courtes de 100 à 280 nanomètres, appelé lumière UVC, qui est particulièrement utile pour sa capacité à détruire les bactéries et les virus.

Heureusement, les dangereux rayons UVC du soleil sont piégés par la couche d'ozone et l'oxygène et n'atteignent pas la Terre. Mais il est possible de créer de la lumière UVC, qui peut être utilisé pour nettoyer les surfaces et le matériel hospitalier, ou pour purifier l'eau et l'air.

Le problème aujourd'hui est que de nombreuses lampes UVC contiennent du mercure. La Convention de Minamata de l'ONU, entrée en vigueur en 2017, établit des mesures pour éliminer progressivement l'extraction du mercure et réduire l'utilisation du mercure.

La convention a été nommée d'après un village de pêcheurs japonais où la population a été empoisonnée par les émissions de mercure d'une usine dans les années 1950.

Construire sur le graphène

Une couche de graphène placée sur du verre forme le substrat de la nouvelle diode des chercheurs qui génère de la lumière UV.

Le graphène est un matériau cristallin ultra-résistant et ultra-mince constitué d'une seule couche d'atomes de carbone. Des chercheurs ont réussi à faire pousser des nanofils de nitrure d'aluminium et de gallium (AlGaN) sur le réseau de graphène.

Le processus se déroule dans une chambre à vide à haute température où des atomes d'aluminium et de gallium sont déposés ou cultivés directement sur le substrat de graphène, avec une grande précision et en présence de plasma d'azote.

Ce processus est connu sous le nom d'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) et est mené au Japon, où l'équipe de recherche NTNU collabore avec le professeur Katsumi Kishino à l'Université Sophia à Tokyo.

Que la lumière soit

Après la croissance de l'échantillon, il est transporté au NTNU NanoLab où les chercheurs établissent des contacts métalliques d'or et de nickel sur le graphène et les nanofils. Lorsque la puissance est envoyée depuis le graphène et via les nanofils, ils émettent de la lumière UV.

Le graphène est transparent pour la lumière de toutes les longueurs d'onde, et la lumière émise par les nanofils brille à travers le graphène et le verre.

"C'est passionnant de pouvoir combiner des nanomatériaux de cette façon et de créer des LED fonctionnelles, dit Høiaas.

Marché de plusieurs millions de dollars

Une analyse a calculé que le marché des produits UVC augmentera de 6 milliards de NOK, soit environ 700 millions de dollars américains d'ici 2023. La demande croissante de ces produits et l'élimination progressive du mercure devraient entraîner une augmentation annuelle du marché de près de 40 %.

Parallèlement à son doctorat. recherche à NTNU, Høiaas travaille avec la même technologie sur une plate-forme industrielle pour CrayoNano. La société est une spin-off du groupe de recherche nano de NTNU.

Utiliser moins d'électricité à moindre coût

Des LED UVC pouvant remplacer les ampoules fluorescentes sont déjà sur le marché, mais l'objectif de CrayoNano est de créer des diodes beaucoup plus économes en énergie et moins chères.

Selon l'entreprise, l'une des raisons pour lesquelles les LED UV d'aujourd'hui sont chères est que le substrat est fait de nitrure d'aluminium coûteux. Le graphène est moins cher à fabriquer et nécessite moins de matériel pour la diode LED.

Développement supplémentaire nécessaire

Høiaas pense que de nombreuses améliorations sont nécessaires avant que le processus développé à NTNU puisse être mis à l'échelle au niveau de la production industrielle. Les améliorations nécessaires incluent la conductivité et l'efficacité énergétique, des structures de nanofils plus avancées et des longueurs d'onde plus courtes pour créer une lumière UVC.

CrayoNano a encore progressé, mais leurs résultats n'ont pas encore été publiés.

"L'objectif de CrayoNano est de commercialiser la technologie dans le courant de 2022, " dit Høiaas.