Comment rendre les points quantiques brillants encore plus brillants

Des chercheurs de l’Empa et de l’ETH Zurich ont développé des procédés permettant de transformer des points quantiques de pérovskite en émetteurs plus rapides et plus efficaces et d’améliorer ainsi considérablement leur luminosité. Ceci est pertinent aussi bien pour des applications dans les écrans que dans les technologies quantiques.

Les points quantiques sont un peu comme des atomes artificiels : D’une taille de quelques nanomètres seulement et constitués de matériaux semi-conducteurs, ils peuvent émettre de la lumière d’une couleur très spécifique, voire des photons individuels, ce qui est important pour les technologies quantiques. Les découvreurs et les précurseurs de la production commerciale de points quantiques ont été honorés par le prix Nobel de chimie en 2023. Ces dernières années, ce sont surtout les points quantiques en pérovskites, une classe de matériaux dont la structure est similaire à celle du minéral pérovskite (titanate de calcium), fabriqués pour la première fois en 2014 à l’ETH Zurich, qui ont fait parler d’eux. Les points quantiques en nanocristaux de pérovskite peuvent être mélangés dans des liquides pour former une dispersion, ce qui les rend faciles à traiter. De plus, grâce à leurs propriétés optiques particulières, ils brillent plus fort que de nombreux autres points quantiques et sont moins chers à produire, ce qui les rend intéressants pour des applications dans les écrans, entre autres.

Des chercheurs de l’EPF de Zurich et de l’Empa, réunis autour de Maksym Kovalenko et de collègues ukrainiens et américains, ont montré comment améliorer encore nettement ces propriétés déjà prometteuses des points quantiques de pérovskite. Ils ont eu recours à des procédés chimiques de traitement de surface ainsi qu’à des effets de mécanique quantique jamais observés jusqu’ici dans les points quantiques de pérovskite. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans deux articles de la célèbre revue spécialisée Nature.

Des atomes malheureux réduisent la luminosité

La luminosité est une unité de 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 certaine couleur (donc d’une certaine fréquence) après avoir été excités par exemple par une lumière ultraviolette de fréquence plus élevée. Il se forme alors ce que l’on appelle un exciton composé d’un électron, qui peut alors se déplacer plus librement, et d’un trou, c’est-à-dire d’un électron manquant dans la structure de bande énergétique du matériau. L’électron excité peut ensuite retomber à un niveau d’énergie inférieur et se recombiner ainsi avec le trou. Si l’énergie ainsi libérée est convertie en photon, le point quantique émet de la lumière.

Mais cela ne fonctionne pas toujours. "A la surface des nanocristaux de pérovskite se trouvent des atomes auxquels il manque leur voisin dans le réseau cristallin", explique la chercheuse senior Gabriele Raino. Ces atomes périphériques perturbent l’équilibre des porteurs de charge positifs et négatifs à l’intérieur du nanocristal et peuvent faire en sorte que, lors de la recombinaison, l’énergie ne soit pas émise sous forme de lumière, mais se transforme en vibrations cristallines. De ce fait, le point quantique "clignote" et ne brille donc pas en permanence.

Manteau de protection en phospholipides

Pour éviter cela, Kovalenko et ses collaborateurs ont développé des molécules sur mesure, appelées phospholipides. "Ces phospholipides sont très similaires aux liposomes avec lesquels, par exemple, le vaccin ARNm contre le coronavirus est enrobé de telle sorte qu’il reste stable dans la circulation sanguine et parvienne jusqu’aux cellules", explique Kovalenko. Une différence importante : les chercheurs ont optimisé leurs molécules de telle sorte que la partie polaire, donc sensible à l’électricité, de la molécule s’amarre à la surface des points quantiques de pérovskite et y veille à ce que la partie non polaire du phospholipide, qui fait saillie vers l’extérieur, permette en outre de produire une dispersion avec des points quantiques dans des solutions non aqueuses, par exemple dans des solvants organiques. Le manteau lipidique à la surface des nanocristaux de pérovskite est également important pour la stabilité structurelle des points quantiques, comme le souligne Kovalenko : "Ce traitement de surface est absolument essentiel pour tout ce que nous voulons faire avec les points quantiques". Jusqu’à présent, Kovalenko et ses collaborateurs ont fait la démonstration de ce traitement pour des points quantiques de pérovskites d’halogénures de plomb, mais il peut facilement être adapté à d’autres points quantiques d’halogénures métalliques.

Encore plus lumineux grâce à la superradiance

Grâce à la surface lipidique, le clignotement des points quantiques a pu être réduit de telle sorte qu’un photon est émis dans 95 pour cent des recombinaisons électron-trou. Pour rendre le point quantique encore plus brillant, les chercheurs ont toutefois dû augmenter la vitesse de la recombinaison elle-même - et cela n’est possible qu’à l’aide de la mécanique quantique. Un état excité, comme par exemple un exciton, se désintègre lorsqu’un dipôle - c’est-à-dire des charges positives et négatives décalées les unes par rapport aux autres - interagit avec le champ électromagnétique du vide. Plus ce dipôle est grand, plus la désintégration est rapide. Une possibilité de créer un dipôle plus grand consiste à coupler uniformément plusieurs dipôles plus petits. Cela est comparable aux horloges à balancier qui sont reliées mécaniquement entre elles et qui battent ainsi en rythme après un certain temps.

Lors de l’expérience, les chercheurs ont pu montrer que le couplage cohérent fonctionne également dans les points quantiques de pérovskite - et ce avec un seul dipôle d’excitons qui, par des effets de mécanique quantique, se propage dans tout le volume du point quantique et crée ainsi en quelque sorte plusieurs copies de lui-même. Plus le point quantique est grand, plus il peut y avoir de copies. Celles-ci peuvent alors provoquer un effet appelé superradiance, grâce auquel l’exciton se recombine beaucoup plus rapidement. Le point quantique est donc aussi plus rapidement prêt à accueillir un nouvel exciton et peut ainsi émettre plus de photons par seconde, il devient donc encore plus brillant. Important : le point quantique plus rapide continue d’émettre des photons individuels (et non plusieurs à la fois), ce qui le rend adapté aux technologies quantiques.

Selon Kovalenko, les points quantiques de pérovskite améliorés ne sont pas seulement intéressants pour la production de lumière et les écrans, mais aussi dans d’autres domaines moins évidents. Ils pourraient par exemple être utilisés comme catalyseurs activés par la lumière dans la chimie organique. Kovalenko mène des recherches sur de telles applications et d’autres, notamment dans le cadre du pôle de recherche national NCCR Catalysis.