Une équipe de chercheurs a mis au point une méthode pour rendre les points quantiques de pérovskite plus rapides et plus efficaces, améliorant ainsi considérablement leur luminosité. Cette découverte pourrait avoir des implications majeures pour les technologies d’affichage et les technologies quantiques.
Les points quantiques sont une sorte d’atome artificiel, de quelques nanomètres seulement, fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs. Ils sont capables d’émettre de la lumière d’une couleur spécifique ou même des photons individuels, ce qui est crucial pour les technologies quantiques. Les points quantiques de pérovskite, en particulier, ont suscité un intérêt croissant ces dernières années. Les pérovskites appartiennent à une classe de matériaux qui ont une structure similaire au minéral pérovskite (titanate de calcium).
Les points quantiques de pérovskite ont été produits pour la première fois par l’ETH Zurich en 2014. Ces points quantiques, composés de nanocristaux de pérovskite, peuvent être mélangés avec des liquides pour former une dispersion, ce qui facilite leur traitement ultérieur.
De plus, leurs propriétés optiques spéciales les font briller plus que de nombreux autres points quantiques. Ils peuvent également être produits à moindre coût, ce qui les rend intéressants pour des applications dans les affichages, par exemple.
Amélioration des propriétés des points quantiques de pérovskite
Une équipe de chercheurs dirigée par Maksym Kovalenko de l’ETH Zurich et de l’Empa, en collaboration avec leurs homologues en Ukraine et aux États-Unis, 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 quantiques mécaniques qui n’avaient jamais été observés auparavant dans les points quantiques de pérovskite.
Réduire la luminosité des atomes malheureux
La luminosité est une mesure importante pour les points quantiques et est liée au nombre de photons que le point quantique émet par seconde. Cependant, ce processus ne fonctionne pas toujours.
« À la surface des nanocristaux de pérovskite, il y a des atomes ‘malheureux’ qui manquent d’un voisin dans le réseau cristallin », explique le chercheur principal Gabriele Raino.
Ces atomes de bord perturbent l’équilibre entre les porteurs de charge positive et négative à l’intérieur du nanocristal et peuvent faire en sorte que l’énergie libérée lors d’une recombinaison soit convertie en vibrations de 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 continu.
Revêtement protecteur à base de phospholipides
Pour éviter cela, Maksym Kovalenko et son équipe ont développé des molécules sur mesure connues sous le nom de phospholipides.
« Ces phospholipides sont très similaires aux liposomes dans lesquels, par exemple, le vaccin à ARNm contre le coronavirus est encapsulé de manière à le rendre stable dans la circulation sanguine jusqu’à ce qu’il atteigne les cellules », ajoute le chercheur.
Une différence importante : les chercheurs ont optimisé leurs molécules de sorte que la partie polaire, ou électriquement sensible, de la molécule se fixe à la surface des points quantiques de pérovskite et s’assure que les atomes ‘malheureux’ sont pourvus d’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 encore le chercheur : « 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 fabriqués à partir de pérovskites d’halogénure de plomb, mais il peut également être facilement adapté à d’autres points quantiques d’halogénure de métal.
Encore plus de luminosité grâce à la superradiance
Avec la surface lipidique, il a été possible de réduire le clignotement des points quantiques à un point tel qu’un photon est émis dans 95% des événements de recombinaison électron-trou. Pour rendre le point quantique encore plus lumineux, cependant, les chercheurs ont dû augmenter la vitesse de la recombinaison elle-même – et cela nécessite la mécanique quantique.
Un état excité, comme un exciton, se décompose 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 décomposition est rapide.
Une possibilité de créer un dipôle plus grand implique de coupler de manière cohérente plusieurs dipôles plus petits les uns aux autres. Cela peut être comparé à des horloges à pendule qui sont mécaniquement connectées et qui se mettent à l’heure les unes avec les autres après un certain temps.
Les chercheurs ont pu montrer expérimentalement que le couplage cohérent fonctionne également dans les points quantiques de pérovskite – avec un seul dipôle d’exciton qui, grâce à des effets mécaniques quantiques, se répand sur tout le volume du point quantique, créant ainsi plusieurs copies de lui-même, pour ainsi dire. Plus le point quantique est grand, plus il peut créer de copies.
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 prendre 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 à émettre des photons individuels (et non plusieurs photons à la fois), ce qui le rend approprié pour les technologies quantiques.
Applications des points quantiques de pérovskite améliorés
Les points quantiques de pérovskite améliorés ne sont pas seulement intéressants pour la production de lumière et les affichages, dit 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 de telles applications et plusieurs autres, y compris dans le cadre du NCCR Catalysis.
Légende illustration : Les chercheurs ont créé des molécules spéciales (à droite) qui forment une couche protectrice autour du point quantique afin de rendre plus efficace un point quantique constitué d’un nanocristal de pérovskite (à gauche). (Illustration : laboratoire Kovalenko)
Morad, V., Stelmakh, A., Svyrydenko, M., Baumketner, A, Kovalenko, MV et al. Designer Phospholipid Capping Ligands for Soft Metal Halide Nanocrystals. Nature (2023), 18 December 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06932-6
Sercel, PC, Kovalenko, MV, Rainò, G, et al. Single-photon superradiance in individual caesium lead halide quantum dots. Nature (2024), 31 January 2024. DOI: 10.1038/s41586-023-07001-8
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