Les points quantiques sont une sorte d’atome artificiel :mesurant seulement quelques nanomètres et constitués de matériaux semi-conducteurs, ils peuvent émettre de la lumière d’une couleur spécifique ou même des photons uniques, ce qui est important pour les technologies quantiques. Les découvreurs et pionniers de la production commerciale de points quantiques ont reçu le prix Nobel de chimie en 2023.
Ces dernières années, les points quantiques constitués de pérovskites ont attiré une attention particulière. Les pérovskites appartiennent à une classe de matériaux qui ont une structure similaire à celle de la pérovskite minérale (titanate de calcium). Des points quantiques constitués de tels matériaux ont été produits pour la première fois par l'ETH Zurich en 2015.
Ces points quantiques constitués de nanocristaux de pérovskite peuvent être mélangés à des liquides pour former une dispersion, ce qui facilite leur traitement ultérieur. De plus, leurs propriétés optiques particulières les font briller plus fort que de nombreux autres points quantiques. Ils peuvent également être produits à moindre coût, ce qui les rend intéressants pour des applications dans les écrans, par exemple.
Une équipe de chercheurs dirigée par Maksym Kovalenko de l'ETH Zurich et de l'Empa, travaillant en collaboration avec des homologues ukrainiens et américains, a démontré comment ces propriétés prometteuses des points quantiques de pérovskite peuvent être encore améliorées. Ils ont utilisé des méthodes chimiques pour le traitement de surface et des effets de mécanique quantique qui n’avaient jamais été observés auparavant dans les points quantiques de pérovskite. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans deux articles dans Nature .
Les atomes mécontents réduisent la luminosité
La luminosité est une mesure importante pour les points quantiques et est liée au nombre de photons émis par le point quantique par seconde. Les points quantiques émettent des photons d'une couleur (et donc d'une fréquence) spécifique après avoir été excités, par exemple, par une lumière ultraviolette d'une fréquence plus élevée.
Cela conduit à la formation d’un exciton constitué d’un électron, qui peut désormais se déplacer plus librement, et d’un trou – en d’autres termes, d’un électron manquant – dans la structure de bandes énergétiques du matériau. L’électron excité peut retomber dans un état d’énergie inférieur et ainsi se recombiner avec le trou. Si l'énergie libérée au cours de ce processus est convertie en photon, le point quantique émet de la lumière.
Cependant, cela ne fonctionne pas toujours. "À la surface des nanocristaux de pérovskite se trouvent des atomes 'malheureux' à qui il manque un voisin dans le réseau cristallin", explique le chercheur principal Gabriele Raino. Ces atomes de bord perturbent l'équilibre entre les porteurs de charge positifs et négatifs à l'intérieur du nanocristal et peuvent provoquer la conversion de l'énergie libérée lors d'une recombinaison en vibrations du réseau au lieu d'être émise sous forme de lumière. En conséquence, le point quantique « clignote », ce qui signifie qu'il ne brille pas continuellement.
Pour éviter que cela ne se produise, Kovalenko et son équipe ont développé des molécules sur mesure appelées phospholipides. "Ces phospholipides sont très similaires aux liposomes dans lesquels, par exemple, le vaccin à ARNm contre le coronavirus est intégré de manière à le rendre stable dans le sang jusqu'à ce qu'il atteigne les cellules", explique Kovalenko.
Une différence importante :les chercheurs ont optimisé leurs molécules de manière à ce que la partie polaire (électriquement sensible) de la molécule se fixe à la surface des points quantiques de pérovskite et veille à ce que les atomes "malheureux" disposent d'un partenaire de charge.
La partie non polaire du phospholipide qui dépasse à l’extérieur permet également de transformer les points quantiques en dispersion au sein de solutions non aqueuses telles que des solvants organiques. Le revêtement lipidique à la surface des nanocristaux de pérovskite est également important pour leur stabilité structurelle, comme le souligne Kovalenko :"Ce traitement de surface est absolument essentiel pour tout ce que nous pourrions vouloir faire avec les points quantiques."
Jusqu'à présent, Kovalenko et son équipe ont démontré le traitement des points quantiques constitués de pérovskites aux halogénures de plomb, mais il peut également être facilement adapté à d'autres points quantiques aux halogénures métalliques.
Encore plus lumineux grâce à Superradiance
Grâce à la surface lipidique, il a été possible de réduire le clignotement des points quantiques à un point tel qu'ils émettent un photon dans 95 % des événements de recombinaison électron-trou. Toutefois, pour rendre le point quantique encore plus brillant, les chercheurs ont dû augmenter la vitesse de la recombinaison elle-même, ce qui nécessite la mécanique quantique.
Un état excité, tel qu'un exciton, se désintègre lorsqu'un dipôle (les charges positives et négatives se déplacent les unes par rapport aux autres) interagit avec le champ électromagnétique du vide. Plus le dipôle est grand, plus la désintégration est rapide. Une possibilité de créer un dipôle plus grand consiste à coupler de manière cohérente plusieurs dipôles plus petits les uns aux autres. Cela peut être comparé aux horloges à pendule qui sont reliées mécaniquement et fonctionnent au rythme les unes des autres après un certain temps.
Les chercheurs ont pu montrer expérimentalement que le couplage cohérent fonctionne également dans les points quantiques pérovskites, avec un seul dipôle d'exciton unique qui, grâce aux effets de la mécanique quantique, s'étend sur tout le volume du point quantique, créant ainsi plusieurs copies de lui-même, comme c'était. Plus le point quantique est grand, plus de copies peuvent être créées. Ces copies peuvent provoquer un effet connu sous le nom de superradiance, par lequel l'exciton se recombine beaucoup plus rapidement.
Le point quantique est donc également prêt plus rapidement à absorber un nouvel exciton et peut ainsi émettre plus de photons par seconde, ce qui le rend encore plus lumineux. Un détail important à noter est que le point quantique plus rapide continue d'émettre des photons uniques (et non plusieurs photons à la fois), ce qui le rend adapté aux technologies quantiques.
Les points quantiques de pérovskite améliorés présentent un intérêt non seulement pour la production de lumière et les affichages, explique Kovalenko, mais également dans d'autres domaines moins évidents. Par exemple, ils pourraient être utilisés comme catalyseurs activés par la lumière en chimie organique. Kovalenko mène des recherches sur de telles applications et plusieurs autres, notamment dans le cadre du NCCR Catalysis.
Plus d'informations : Chenglian Zhu et al, Superradiance monophotonique dans des points quantiques individuels aux halogénures de césium et de plomb, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-023-07001-8. www.nature.com/articles/s41586-023-07001-8
Viktoriia Morad et al, concepteur de ligands de coiffage phospholipidiques pour nanocristaux d'halogénures métalliques mous, Nature (2023). DOI :10.1038/s41586-023-06932-6
Informations sur le journal : Nature
Fourni par l'ETH Zurich
