Trouver de nouveaux matériaux semi-conducteurs émettant de la lumière est essentiel pour développer une large gamme de dispositifs électroniques. Mais fabriquer des structures artificielles qui émettent de la lumière adaptées à nos besoins spécifiques est une proposition encore plus attrayante. Cependant, l'émission de lumière dans un semi-conducteur ne se produit que lorsque certaines conditions sont remplies. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Genève (UNIGE), La Suisse, en collaboration avec l'Université de Manchester, ont découvert toute une classe de matériaux bidimensionnels qui ont l'épaisseur d'un ou de quelques atomes. Lorsqu'ils sont combinés ensemble, ces cristaux atomiquement minces sont capables de former des structures qui émettent une lumière personnalisable dans la couleur souhaitée. Cette recherche, publié dans la revue Matériaux naturels , marque une étape importante vers l'industrialisation future des matériaux bidimensionnels.

les matériaux semi-conducteurs capables d'émettre de la lumière sont utilisés dans des secteurs aussi divers que les télécommunications, dispositifs électroluminescents (DEL) et diagnostics médicaux. L'émission de lumière se produit lorsqu'un électron saute à l'intérieur du semi-conducteur d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur. C'est la différence d'énergie qui détermine la couleur de la lumière émise. Pour que la lumière soit produite, la vitesse de l'électron avant et après le saut doit être exactement la même, une condition qui dépend du matériau semi-conducteur spécifique considéré. Seuls certains semi-conducteurs peuvent être utilisés pour l'émission de lumière :par exemple, le silicium, utilisé pour fabriquer nos ordinateurs, ne peut pas être utilisé pour la fabrication de LED.

"Nous nous sommes demandé si des matériaux bidimensionnels pouvaient être utilisés pour fabriquer des structures qui émettent de la lumière avec la couleur souhaitée, " explique Alberto Morpurgo, professeur au Département de physique de la matière quantique, à la Faculté des sciences de l'UNIGE. Les matériaux bidimensionnels sont des cristaux parfaits qui, comme le graphène, ont un ou quelques atomes d'épaisseur. Grâce aux récentes avancées techniques, différents matériaux bidimensionnels peuvent être empilés les uns sur les autres pour former des structures artificielles qui se comportent comme des semi-conducteurs. L'avantage de ces « semi-conducteurs artificiels » est que les niveaux d'énergie peuvent être contrôlés en sélectionnant la composition chimique et l'épaisseur des matériaux qui composent la structure.

"Les semi-conducteurs artificiels de ce type ont été fabriqués pour la première fois il y a seulement deux ou trois ans, " explique Nicolas Ubrig, un chercheur de l'équipe dirigée par le professeur Morpurgo. "Lorsque les matériaux bidimensionnels ont exactement la même structure et que leurs cristaux sont parfaitement alignés, ce type de semi-conducteur artificiel peut émettre de la lumière. Mais c'est très rare." Ces conditions sont si strictes qu'elles laissent peu de liberté pour contrôler la lumière émise.

Lumière personnalisée

"Notre objectif était de parvenir à combiner différents matériaux bidimensionnels pour émettre de la lumière tout en étant libre de toutes contraintes, " poursuit le professeur Morpurgo. Les physiciens pensaient que, s'ils pouvaient trouver une classe de matériaux où la vitesse des électrons avant et après le changement de niveau d'énergie était nulle, ce serait un scénario idéal qui remplirait toujours les conditions d'émission lumineuse, quels que soient les détails des réseaux cristallins et leur orientation relative.

Un grand nombre de semi-conducteurs bidimensionnels connus ont une vitesse d'électrons nulle dans les niveaux d'énergie pertinents. Grâce à cette diversité de composés, de nombreux matériaux différents peuvent être combinés, et chaque combinaison est un nouveau semi-conducteur artificiel émettant de la lumière d'une couleur spécifique. "Une fois que nous avons eu l'idée, il était facile de trouver les matériaux à utiliser pour le mettre en œuvre, " ajoute le professeur Vladimir Fal'ko de l'Université de Manchester. Les matériaux qui ont été utilisés dans la recherche comprenaient divers dichalcogénures de métaux de transition (tels que MoS2, MoSe2 et WS2) et InSe. D'autres matériaux possibles ont été identifiés et seront utiles pour élargir la gamme de couleurs de la lumière émise par ces nouveaux semi-conducteurs artificiels.

Lumière sur mesure pour l'industrialisation de masse

"Le grand avantage de ces matériaux 2D, grâce au fait qu'il n'y a plus de conditions préalables à l'émission de lumière, c'est qu'ils offrent de nouvelles stratégies pour manipuler la lumière comme bon nous semble, avec l'énergie et la couleur que nous voulons avoir, " poursuit Ubrig. Cela permet d'imaginer les futures applications au niveau industriel, puisque la lumière émise est robuste et qu'il n'y a plus besoin de se soucier de l'alignement des atomes.