Comment rendre les points quantiques lumineux encore plus brillants

Les points quantiques sont une sorte d'atome artificiel : d'une taille de 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 les 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 suscité une attention particulière. Les pérovskites appartiennent à une classe de matériaux dont la structure est similaire à celle du minéral pérovskite (titanate de calcium). Des points quantiques composés de ces matériaux ont été produits pour la première fois par l'ETH Zurich en 2014. Ces points quantiques constitués de nanocristaux de pérovskite peuvent être mélangés à des liquides pour former une dispersion, ce qui facilite leur traitement ultérieur. En outre, leurs propriétés optiques particulières leur permettent de briller plus intensément 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 recherche dirigée par Maksym Kovalenko de l'ETH Zurich et de l'Empa, en collaboration avec leurs homologues d'Ukraine et des Etats-Unis, a maintenant démontré comment ces propriétés prometteuses des points quantiques de pérovskite peuvent être encore améliorées. Les scientifiques ont utilisé des méthodes chimiques pour le traitement de surface et des effets mécaniques quantiques qui n'avaient jamais été observés auparavant dans les points quantiques de pérovskite. Les chercheurs et chercheuses ont récemment publié leurs résultats dans deux articles de la prestigieuse revue scientifique Nature.

Les atomes mécontents réduisent la luminosité

La luminosité est une mesure importante pour les points quantiques et est liée au nombre de photons que le point quantique émet par seconde. Les points quantiques émettent des photons d'une couleur spécifique (et donc d'une fréquence) après avoir été excités, par exemple, par une lumière ultraviolette d'une fréquence plus élevée. Cela entraîne la formation d'un exciton composé 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 bande énergétique du matériau. L'électron excité peut retomber dans un état d'énergie inférieur et 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.

Mais cela ne fonctionne pas toujours. «À la surface des nanocristaux de pérovskite se trouvent des atomes 'malheureux' auxquels il manque un voisin dans le réseau cristallin», explique Gabriele Raino, chercheur principal. Ces atomes marginaux perturbent l'équilibre entre les porteurs de charge positifs et négatifs à l'intérieur du nanocristal et peuvent faire en sorte que l'énergie libérée lors d'une recombinaison soit convertie en vibrations du réseau au lieu d'être émise sous forme de lumière. En conséquence, le point quantique «clignote», c'est-à-dire qu'il ne brille pas en permanence.

Enveloppe protectrice composée de phospholipides

Pour éviter cela, Maksym Kovalenko et son équipe ont mis au point des molécules sur mesure appelées phospholipides. «Ces phospholipides sont très semblables aux liposomes dans lesquels, par exemple, le vaccin ARNm contre le coronavirus est incorporé de manière à le rendre stable dans la circulation sanguine jusqu'à ce qu'il atteigne les cellules», explique Maksym Kovalenko. Une différence importante : les chercheurs et chercheuses ont optimisé leurs molécules de manière à ce que la partie polaire, ou électriquement sensible, de la molécule s'accroche à la surface des points quantiques de pérovskite et veille à ce que les atomes «malheureux» aient un partenaire de charge.

La partie non polaire du phospholipide qui dépasse à l'extérieur permet également de transformer les points quantiques en une dispersion à l'intérieur de solutions non aqueuses telles que les solvants organiques. Le revêtement lipidique à la surface des nanocristaux de pérovskite est également important pour leur stabilité structurelle, comme le souligne Maksym Kovalenko : «Ce traitement de surface est absolument essentiel pour tout ce que nous pourrions vouloir faire avec les points quantiques. Jusqu'à présent, Maksym Kovalenko et son équipe ont démontré le traitement pour les points quantiques constitués de pérovskites d'halogénure de plomb, mais il peut également être facilement adapté à d'autres points quantiques d'halogénure de métal.

Encore plus lumineux grâce à la superradiance

La surface lipidique a permis de réduire le clignotement des points quantiques au point d'émettre un photon dans 95% des cas de recombinaison électron-trou. Pour rendre le point quantique encore plus lumineux, les scientifiques ont toutefois dû augmenter la vitesse de la recombinaison elle-même, ce qui fait appel à la mécanique quantique. Un état excité, tel qu'un exciton, se désintègre lorsqu'un dipôle - des charges positives et négatives se déplacent l'une par rapport à l'autre - interagit avec le champ électromagnétique du vide. Plus le dipôle est grand, plus la désintégration est rapide. L'une des possibilités de créer un dipôle plus grand consiste à coupler de manière cohérente plusieurs dipôles plus petits les uns aux autres. On peut comparer cela à des horloges à pendule qui sont reliées mécaniquement et dont le tic-tac est synchronisé au bout d'un certain temps.

Les chercheurs et chercheuses ont pu montrer expérimentalement que le couplage cohérent fonctionne également dans les points quantiques de pérovskite - avec un seul dipôle d'exciton qui, par des effets de mécanique quantique, se répand dans tout le volume du point quantique, créant ainsi plusieurs copies de lui-même, pour ainsi dire. Plus le point quantique est grand, plus il est possible de créer de copies. Ces copies peuvent produire un effet appelé superradiance, par lequel l'exciton se recombine beaucoup plus rapidement. Le point quantique est donc également prêt plus rapidement à accueillir un nouvel exciton et peut donc 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 ne sont pas seulement intéressants pour la production de lumière et les écrans, explique Maksym Kovalenko, mais aussi dans d'autres domaines moins évidents. Par exemple, ils pourraient être utilisés comme catalyseurs activés par la lumière en chimie organique. Maksym Kovalenko mène des recherches sur ces applications et sur plusieurs autres, notamment dans le cadre du PRN Catalyse.