Le mystère de l’éclat de l’or révélé

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Image en lumière blanche d’une paillette d’or dans un microscope (79
Image en lumière blanche d’une paillette d’or dans un microscope (79 nm d’épaisseur), avec un laser de longueur d’onde 488 nm. (Image: EPFL)
Des scientifiques de l’EPFL ont mis au point le premier modèle complet des effets de la mécanique quantique à l’origine de la photoluminescence dans les films d’or minces. Cette découverte pourrait soutenir le développement de combustibles et de batteries solaires.

On sait depuis des centaines d’années que la luminescence, ou l’émission de photons par une substance exposée à la lumière, se produit dans les matériaux semi-conducteurs tels que le silicium. Le comportement des électrons à l’échelle nanométrique, lorsqu’ils absorbent et réémettent la lumière, peut fournir de nombreuses informations sur les propriétés des semi-conducteurs. C’est pourquoi ces derniers sont souvent utilisés comme sondes pour caractériser les processus électroniques, par exemple ceux qui interviennent à l’intérieur des cellules solaires.

En 1969, des scientifiques ont découvert que tous les métaux sont plus ou moins luminescents. Toutefois, des années après cette découverte, on ne comprenait toujours pas bien ce phénomène. Le regain d’intérêt pour cette émission de lumière, motivé par la cartographie thermique à l’échelle nanométrique et les applications de photochimie, a relancé le débat sur ses origines. Mais la réponse était encore floue, jusqu’à aujourd’hui.

«Nous avons mis au point des films d’or métallique de très grande qualité, ce qui nous a placés dans une position unique pour comprendre ce processus sans les facteurs confondants des expériences précédentes», déclare Giulia Tagliabue, responsable du Laboratoire de nanoscience pour les technologies énergétiques ( LNET ) de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur.

Dans une étude récemment publiée dans la revue Light: Science and Applications , Giulia Tagliabue et l’équipe du Laboratoire LNET ont orienté des faisceaux laser sur des films d’or extrêmement minces, mesurant entre 13 et 113 nanomètres, puis ils ont analysé le faible éclat obtenu. Après leurs expériences précises, les scientifiques ont obtenu des données si détaillées et si inattendues qu’ils ont collaboré avec des théoriciennes et théoriciens de l’Institut des sciences et technologies de Barcelone, de l’Université du Danemark du Sud et de l’Institut polytechnique Rensselaer (États-Unis) pour retravailler et appliquer les méthodes de modélisation de la mécanique quantique.

Grâce à leur approche globale, les scientifiques ont pu clore le débat autour du type de luminescence émanant des films - la photoluminescence - qui se définit par la façon spécifique dont les électrons et leurs homologues de charge opposée (les trous) se comportent en réponse à la lumière. Cette approche leur a également permis de produire le premier modèle complet et entièrement quantitatif de ce phénomène dans l’or, qui peut être appliqué à n’importe quel métal.

Des effets quantiques inattendus

Giulia Tagliabue explique qu’en utilisant un film mince d’or monocristallin produit par une nouvelle technique de synthèse, l’équipe a étudié le processus de photoluminescence au fur et à mesure qu’elle affinait le métal. «Nous avons observé certains effets de la mécanique quantique dans des films mesurant jusqu’à environ 40 nanomètres. C’était inattendu car normalement, pour un métal, vous n’observez pas de tels effets avant d’être bien en dessous de 10 nm», affirme-t-elle.

Ces observations ont apporté des informations importantes sur l’endroit exact où le processus de photoluminescence s’est produit dans l’or, ce qui est une condition préalable à l’utilisation du métal comme sonde. L’étude a également permis de découvrir que le signal photoluminescent (Stoke) de l’or pouvait être utilisé pour sonder la température de la surface du matériau - une aubaine pour les scientifiques qui travaillent à l’échelle nanométrique.

«Il y a un grand débat sur les raisons et les conditions dans lesquelles se produisent de nombreuses réactions chimiques à la surface des métaux. La température est un paramètre important, mais il est extrêmement difficile de la mesurer à l’échelle nanométrique, car un thermomètre peut influencer la mesure. C’est donc un immense avantage de pouvoir sonder un matériau en utilisant ce dernier comme sonde», précise Giulia Tagliabue.

Une référence pour le développement des combustibles solaires

Selon les scientifiques, leurs découvertes permettront d’utiliser les métaux pour obtenir des informations d’une précision sans précédent sur les réactions chimiques, en particulier celles impliquées dans la recherche énergétique. Des métaux comme l’or et le cuivre - le prochain objectif de recherche du Laboratoire LNET - peuvent déclencher certaines réactions essentielles, comme la réduction du dioxyde de carbone (CO2) en produits à base de carbone tels que les combustibles solaires, qui stockent l’énergie solaire sous forme de liaisons chimiques.

«Pour lutter contre le changement climatique, nous aurons besoin de technologies capables de convertir le CO2 en d’autres produits chimiques utiles», explique Alan Bowman, post-doctorant du Laboratoire LNET et principal auteur de l’étude.

«Le recours aux métaux est un moyen d’y parvenir, mais si nous échouons à expliquer correctement comment ces réactions se produisent à leur surface, nous ne pouvons pas les optimiser. La luminescence propose une nouvelle façon de comprendre ce qui se passe dans ces métaux.»

Références

Bowman, A.R., Rodríguez Echarri, A., Kiani, F. et al. Quantum-mechanical effects in photoluminescence from thin crystalline gold films. Light Sci Appl 13, 91 (2024). https://doi.org/10.1038/s41377­’024 -01408-2