Les nanocristaux semi-conducteurs brillants connus sous le nom de points quantiques donnent aux écrans de télévision QLED leurs couleurs éclatantes. Mais les tentatives pour augmenter l'intensité de cette lumière génèrent de la chaleur à la place, réduisant l'efficacité de production de lumière des points.

Une nouvelle étude explique pourquoi, et les résultats ont de larges implications pour le développement de futures technologies quantiques et photoniques où la lumière remplace les électrons dans les ordinateurs et les fluides dans les réfrigérateurs, par exemple.

Dans un écran TV QLED, les points absorbent la lumière bleue et la transforment en vert ou en rouge. Aux basses énergies où fonctionnent les écrans de télévision, cette conversion de la lumière d'une couleur à une autre est pratiquement efficace à 100 %. Mais aux énergies d'excitation plus élevées requises pour des écrans plus brillants et d'autres technologies, l'efficacité chute fortement. Les chercheurs avaient des théories sur les raisons pour lesquelles cela se produit, mais personne ne l'avait jamais observé à l'échelle atomique jusqu'à présent.

Pour en savoir plus, des scientifiques du laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie ont utilisé une « caméra à électrons » à grande vitesse pour observer les points transformer la lumière laser à haute énergie entrante en leurs propres émissions de lumière rougeoyante.

Les expériences ont révélé que la lumière laser à haute énergie entrante éjecte des électrons des atomes du point, et leurs trous correspondants - des points vides avec des charges positives qui sont libres de se déplacer - deviennent piégés à la surface du point, produisant de la chaleur résiduelle indésirable.

En outre, les électrons et les trous se recombinent d'une manière qui dégage de l'énergie thermique supplémentaire. Cela augmente le tremblement des atomes du point, déforme sa structure cristalline et gaspille encore plus d'énergie qui aurait pu être utilisée pour rendre les points plus brillants.

« Cela représente un moyen essentiel d'aspirer l'énergie du système sans donner naissance à la lumière, " a déclaré Aaron Lindenberg, un professeur agrégé de l'Université de Stanford et chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences du SLAC qui a dirigé l'étude avec le chercheur postdoctoral Burak Guzelturk.

"Essayer de comprendre ce qui sous-tend ce processus fait l'objet d'études depuis des décennies, " a-t-il dit. " C'est la première fois que nous pouvons voir ce que font réellement les atomes alors que l'énergie de l'état excité est perdue sous forme de chaleur. "

L'équipe de recherche, qui comprenait des scientifiques du SLAC, Stanford, l'Université de Californie, Berkeley et le laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE, décrit les résultats dans Communication Nature aujourd'hui.

Émettant un pur, éclat brillant

Malgré leur petite taille (ils ont à peu près le même diamètre que quatre brins d'ADN), les nanocristaux à points quantiques sont étonnamment complexes et hautement techniques. Ils émettent une lumière extrêmement pure dont la couleur peut être ajustée en ajustant leur taille, forme, composition et chimie de surface. Les points quantiques utilisés dans cette étude ont été inventés il y a plus de deux décennies, et aujourd'hui, ils sont largement utilisés en brillant, écrans écoénergétiques et dans les outils d'imagerie pour la biologie et la médecine.

Comprendre et résoudre les problèmes qui empêchent de rendre les points plus efficaces à des énergies plus élevées est un domaine de recherche très chaud en ce moment, dit Guzelturk, qui a mené des expériences au SLAC avec le chercheur postdoctoral Ben Cotts.

Des études antérieures s'étaient concentrées sur le comportement des électrons des points. Mais dans cette étude, l'équipe a pu voir les mouvements d'atomes entiers, trop, avec une caméra électronique appelée MeV-UED. Il frappe des échantillons avec de courtes impulsions d'électrons à très hautes énergies, mesuré en millions d'électronvolts (MeV). Dans un processus appelé diffraction ultrarapide des électrons (UED), les électrons se dispersent hors de l'échantillon et dans les détecteurs, créer des motifs qui révèlent ce que font à la fois les électrons et les atomes.

Alors que l'équipe SLAC/Stanford mesurait le comportement des points quantiques qui avaient été touchés par diverses longueurs d'onde et intensités de lumière laser, Les étudiants diplômés de l'UC Berkeley, Dipti Jasrasaria et John Philbin, ont travaillé avec le chimiste théoricien de Berkeley Eran Rabani pour calculer et comprendre l'interaction résultante des mouvements électroniques et atomiques d'un point de vue théorique.

« Nous avons rencontré les expérimentateurs assez souvent, ", a déclaré Rabani. "Ils sont venus avec un problème et nous avons commencé à travailler ensemble pour le comprendre. Les pensées allaient et venaient, mais tout a été semé à partir des expériences, qui ont été une grande avancée pour pouvoir mesurer ce qui arrive au réseau atomique des points quantiques lorsqu'il est intensément excité. »

Un avenir de technologie basée sur la lumière

L'étude a été réalisée par des chercheurs d'un centre de recherche DOE Energy Frontier, Photonique aux Limites Thermodynamiques, dirigé par Jennifer Dionne, un professeur agrégé de Stanford en science et ingénierie des matériaux et vice-recteur associé principal des plates-formes de recherche/installations partagées. Son groupe de recherche a travaillé avec le groupe de Lindenberg pour aider à développer la technique expérimentale pour sonder les nanocristaux.

Le but ultime du centre, Dionne a dit, est de démontrer les processus photoniques, telles que l'absorption et l'émission de lumière, aux limites de ce que permet la thermodynamique. Cela pourrait entraîner des technologies comme la réfrigération, chauffage, refroidissement et stockage d'énergie, ainsi que des ordinateurs quantiques et de nouveaux moteurs pour l'exploration spatiale, entièrement alimentés par la lumière.

"Pour créer des cycles thermodynamiques photoniques, vous devez contrôler avec précision la luminosité, Chauffer, atomes, et les électrons interagissent dans les matériaux, " Dionne a dit. " Ce travail est passionnant car il fournit une lentille sans précédent sur les processus électroniques et thermiques qui limitent l'efficacité d'émission lumineuse. Les particules étudiées ont déjà des rendements quantiques records, mais il existe désormais une voie vers la conception de matériaux optiques presque parfaits. » De telles efficacités d'émission lumineuse pourraient ouvrir une multitude de grandes applications futuristes, tous pilotés par de minuscules points sondés avec des électrons ultrarapides.