Cristaux étroitement emballés dans un nanocristal semi-conducteur :le modèle développé par les chercheurs de l'ETH décrit chaque atome. Crédit :ETH Zurich / Nature Communications
Des chercheurs de l'ETH ont fourni la première explication théorique de la conduite du courant électrique dans les semi-conducteurs constitués de nanocristaux. À l'avenir, cela pourrait conduire au développement de nouveaux capteurs, lasers ou LED pour écrans de télévision.
Il y a quelques années, nous avons été initiés aux écrans de télévision dotés de la technologie QLED qui produit des couleurs brillantes. Le « Q » signifie ici « point quantique ». Les points quantiques sont des cristaux d'un matériau semi-conducteur de quelques nanomètres seulement et constitués de quelques milliers d'atomes. Ces nanocristaux sont si petits que les électrons qu'ils contiennent ne peuvent prendre que certains niveaux d'énergie mécanique quantique bien définis. En conséquence, lorsque les points quantiques sont éclairés par le rétroéclairage d'un téléviseur, la lumière d'une couleur particulière est émise par des sauts quantiques entre ces niveaux.
Dans les téléviseurs QLED de nouvelle génération, l'espoir est d'utiliser l'électricité pour faire briller les points quantiques d'eux-mêmes au lieu d'avoir besoin d'un rétro-éclairage. Jusqu'à maintenant, cependant, la compréhension théorique de la façon dont le courant électrique se déplace à travers un film mince de nanocristaux faisait défaut. Une équipe de chercheurs du Département des technologies de l'information et du génie électrique de l'ETH Zurich dirigée par Vanessa Wood a maintenant comblé cette lacune, comme ils le rapportent dans la revue scientifique Communication Nature .
Matelas à ressorts vs dessus de table
La théorie de la façon dont le courant électrique se déplace dans les semi-conducteurs qui ne sont pas nanométriques est connue depuis plus de quatre-vingt-dix ans et des outils logiciels existent pour modéliser leur comportement. L'industrie peut contrôler les propriétés électroniques des semi-conducteurs en ajoutant délibérément des atomes d'impuretés (dopage), ce qui modifie le nombre de porteurs de charge gratuits (électrons). Par contre, les semi-conducteurs constitués de nombreux petits points quantiques nanocristallins ne peuvent pas être traités avec ces méthodes.
Dans les nanocristaux, l'ajout d'atomes d'impuretés ne conduit pas nécessairement à des porteurs de charge gratuits. Par ailleurs, les frais gratuits ne se comportent pas de la même manière. "Les supports de charge dans un semi-conducteur normal se déplacent comme des boules de bowling roulant sur une table lisse, alors que dans un matériau nanocristallin, ils agissent comme des boules de bowling sur un matelas moelleux, s'enfoncer et le déformer, " Le bois illustre le problème.
Modélisation exigeante
Dans un nanocristal semi-conducteur, le courant électrique est transmis par des électrons sautant de nanocristal à nanocristal. A chaque saut, la charge de l'électron déforme le nanocristal (en haut à gauche), formant un polaron (en haut à droite). Crédit :ETH Zurich
Pour la modélisation théorique, cela signifie que les atomes dans le réseau cristallin du semi-conducteur nanocristallin ne peuvent pas simplement être considérés comme des points stationnaires, ce qui est généralement fait avec les semi-conducteurs normaux. "Plutôt, nous avons dû décrire mathématiquement chacun des centaines de milliers d'atomes dans les nombreux nanocristaux du matériau, et comment chaque atome interagit avec les porteurs de charge, " explique Nouri Yazdani, qui a travaillé dans le groupe de recherche de Wood en tant que doctorant. étudiant et est le premier auteur de l'étude récemment publiée.
En utilisant le Centre suisse de calcul intensif CSCS de Lugano, Yazdani a exécuté un code complexe dans lequel tous les détails du problème - le mouvement des électrons et des atomes ainsi que les interactions entre eux - ont été pris en compte. "En particulier, nous voulions comprendre comment les porteurs de charge se déplacent entre les nanocristaux uniques et pourquoi ils sont « piégés » et ne peuvent pas continuer, " dit Yazdani.
Les résultats de ces simulations informatiques ont été extrêmement révélateurs. Il s'est avéré que le facteur déterminant dans la façon dont un matériau composé de nombreux nanocristaux conduit le courant électrique sont les plus petites déformations des cristaux, seulement quelques millièmes de nanomètre, qui conduisent à un énorme changement dans l'énergie électrostatique. Lorsque la charge déforme le matériau qui l'entoure, c'est ce qu'on appelle un polaron, et les simulations de Yazdani montrent que le courant circule à travers les polarons sautant d'un nanocristal à l'autre.
Un modèle explique tout
Le modèle explique comment les propriétés électroniques des semi-conducteurs à base de nanocristaux sont modifiées en faisant varier la taille des nanocristaux et la façon dont ils s'emballent dans le film. Pour tester les prédictions de leurs simulations, l'équipe a produit des films minces de nanocristaux en laboratoire et mesuré la réponse électrique pour différentes tensions et températures appliquées. Dans ces expériences, ils ont créé des électrons libres à une extrémité du matériau à l'aide d'une courte impulsion laser, puis observés lorsqu'ils sont arrivés à l'autre extrémité. Le résultat :pour chacun des quelques centaines de tests différents, la simulation informatique a parfaitement prédit les propriétés électriques.
« Après huit années de travail intense, nous avons maintenant créé un modèle qui peut enfin expliquer quantitativement non seulement nos expériences, mais aussi ceux de nombreux autres groupes de recherche au cours des dernières années, " dit Wood. " Un tel modèle permettra à l'avenir aux chercheurs et aux ingénieurs de calculer les propriétés d'un nanocristal semi-conducteur avant même sa production. Cela devrait permettre d'optimiser ces matériaux pour des applications particulières. " Jusqu'à présent, cela a dû être fait par essais et erreurs, " ajoute Wood.
En utilisant les résultats des chercheurs de l'ETH, à l'avenir, des semi-conducteurs utiles pourraient être développés à partir de matériaux nanocristallins pour diverses applications dans les capteurs, lasers ou LED—également pour les écrans de télévision. Comme composition, Taille, et l'arrangement des nanocristaux peut être contrôlé lors de leur production, ces matériaux promettent une plus grande variété de propriétés électriques que les semi-conducteurs traditionnels.
