Les points quantiques sont des nanoparticules artificielles de matériau semi-conducteur ne comprenant que quelques milliers d'atomes. En raison du petit nombre d'atomes, les propriétés d'un point quantique se situent entre celles d'atomes ou de molécules uniques et de matériaux en vrac avec un grand nombre d'atomes. En changeant la taille et la forme des nanoparticules, il est possible d'affiner leurs propriétés électroniques et optiques - comment les électrons se lient et se déplacent à travers le matériau, et comment la lumière est absorbée et émise par elle.

Grâce à un contrôle de plus en plus affiné de la taille et de la forme des nanoparticules, le nombre d'applications commerciales a augmenté. Ceux déjà disponibles incluent des lasers, LED, et des téléviseurs dotés de la technologie des points quantiques.

Cependant, il existe un problème qui peut nuire à l'efficacité des dispositifs ou appareils utilisant ce nanomatériau comme milieu actif. Lorsque la lumière est absorbée par un matériau, les électrons sont promus à des niveaux d'énergie plus élevés, et quand ils reviennent à leur état fondamental, chacun peut émettre un photon vers l'environnement. Dans les points quantiques conventionnels, le voyage de retour de l'électron vers son état fondamental peut être perturbé par divers phénomènes quantiques, retarder l'émission de la lumière vers l'extérieur.

L'emprisonnement des électrons de cette façon, connu comme "l'état sombre, " retarde l'émission de la lumière, contrairement au chemin qui leur permet de revenir rapidement à l'état fondamental et donc d'émettre de la lumière de manière plus efficace et directe ("état brillant").

Ce délai peut être plus court dans une nouvelle classe de nanomatériau à base de pérovskite, ce qui suscite un intérêt considérable chez les chercheurs en science des matériaux.

Une étude menée par des chercheurs des Instituts de Chimie et de Physique de l'Université de Campinas (UNICAMP) dans l'État de São Paulo, Brésil, en collaboration avec des scientifiques de l'Université du Michigan aux États-Unis, a fait des progrès dans cette direction en fournissant de nouvelles informations sur la physique fondamentale des points quantiques pérovskites. Un article sur l'étude est publié dans Avancées scientifiques .

"Nous avons utilisé la spectroscopie cohérente, ce qui nous a permis d'analyser séparément le comportement des électrons dans chaque nanomatériau dans un ensemble de dizaines de milliards de nanomatériaux. L'étude est révolutionnaire dans la mesure où elle combine une classe relativement nouvelle de nanomatériaux - la pérovskite - avec une technique de détection entièrement nouvelle, " Lázaro Padilha Junior, chercheur principal pour le projet du côté brésilien, a déclaré Agência FAPESP.

La FAPESP a soutenu l'étude via une bourse de jeune chercheur et une bourse de recherche régulière attribuée à Padilha.

"Nous avons pu vérifier l'alignement énergétique entre l'état lumineux [associé aux triplets] et l'état sombre [associé aux singulets], indiquant comment cet alignement dépend de la taille du nanomatériau. Nous avons également fait des découvertes concernant les interactions entre ces états, ouvrant des opportunités pour l'utilisation de ces systèmes dans d'autres domaines de la technologie, telles que l'information quantique, " a déclaré Padilha.

"En raison de la structure cristalline de la pérovskite, le niveau d'énergie lumineuse se divise en trois, formant un triplet. Cela fournit divers chemins pour l'excitation et pour que les électrons retournent à l'état fondamental. Le résultat le plus frappant de l'étude est qu'en analysant les durées de vie de chacun des trois états brillants et les caractéristiques du signal émis par l'échantillon, nous avons obtenu la preuve que l'état sombre est présent mais situé à un niveau d'énergie plus élevé que deux des trois états lumineux. Cela signifie que lorsque la lumière est projetée sur l'échantillon, les électrons excités ne sont piégés que s'ils occupent le niveau de luminosité le plus élevé et sont ensuite déplacés vers l'état sombre. S'ils occupent les niveaux lumineux inférieurs, ils retournent à l'état fondamental plus efficacement.

Pour étudier comment les électrons interagissent avec la lumière dans ces matériaux, le groupe a utilisé la spectroscopie cohérente multidimensionnelle (MDCS), dans lequel une salve d'impulsions laser ultracourtes (d'une durée d'environ 80 femtosecondes chacune, ou 80 quadrillions de seconde) est projeté sur un échantillon de pérovskite refroidi à moins 269 degrés Celsius.

« Les impulsions irradient l'échantillon à des intervalles étroitement contrôlés. En modifiant les intervalles et en détectant la lumière émise par l'échantillon en fonction de l'intervalle, nous pouvons analyser l'interaction électron-lumière et sa dynamique avec une grande précision temporelle, cartographier les temps d'interaction typiques, les niveaux d'énergie avec lesquels ils se couplent, et les interactions avec d'autres particules, " a déclaré Padilha.

La technique MDCS permet d'analyser simultanément des milliards de nanoparticules et de distinguer différentes familles de nanoparticules présentes dans l'échantillon.

Le système expérimental a été développé par une équipe dirigée par Steven Cundiff, chercheur principal de l'étude à l'Université du Michigan. Certaines des mesures ont été faites par Diogo Almeida, un ancien membre de l'équipe de Cundiff et maintenant au laboratoire de spectroscopie ultrarapide de l'UNICAMP avec une bourse postdoctorale de la FAPESP sous la supervision de Padilha.

Les points quantiques ont été synthétisés par Luiz Gustavo Bonato, un doctorat candidat à l'Institut de Chimie de l'UNICAMP. "Le soin que Bonato a apporté à la préparation des points quantiques et son protocole étaient fondamentalement importants, comme en témoignent leur qualité et leur taille, et par les propriétés du matériau nanométrique, " a déclaré Ana Flávia Nogueira, co-chercheur principal pour l'étude au Brésil. Nogueira est professeur à l'Institut de chimie (IQ-UNICAMP) et chercheur principal pour la Division de recherche 1 au Centre d'innovation dans les énergies nouvelles (CINE), un centre de recherche en ingénierie (ERC) créé par la FAPESP et Shell.

« Les résultats obtenus sont très importants car la connaissance des propriétés optiques du matériau et du comportement de ses électrons ouvre des opportunités pour le développement de nouvelles technologies dans l'optique et l'électronique des semi-conducteurs. L'incorporation de pérovskite est très probablement la caractéristique la plus distinctive de la prochaine génération de téléviseurs, " a déclaré Nogueira.