Les points quantiques sont des cristaux nanométriques capables d’émettre de la lumière de différentes couleurs. Les dispositifs d’affichage basés sur les points quantiques promettent une efficacité énergétique, une luminosité et une pureté des couleurs supérieures à celles des générations précédentes d’écrans. Des trois couleurs généralement requises pour afficher des images en couleur – rouge, vert et bleu – la dernière s’est avérée difficile à produire.
Une nouvelle méthode basée sur des structures chimiques auto-organisées offre une solution, et une technique d’imagerie de pointe pour visualiser ces nouveaux points quantiques bleus s’est avérée essentielle pour leur création et leur analyse.
Regardez attentivement l’écran de votre appareil et vous pourrez peut-être voir les éléments d’image individuels, les pixels, qui composent l’image. Les pixels peuvent apparaître dans presque toutes les couleurs, mais ils ne sont pas réellement le plus petit élément de votre écran, car ils sont généralement constitués de sous-pixels rouges, verts et bleus. L’intensité variable de ces sous-pixels donne aux pixels individuels l’apparence d’une seule couleur parmi une palette de plusieurs milliards. La technologie sous-jacente aux sous-pixels a évolué depuis l’époque des premières télévisions couleur et il existe aujourd’hui un certain nombre d’options possibles. Mais le prochain grand saut sera probablement celui des diodes électroluminescentes à points quantiques, ou QD-LED.
Les écrans basés sur les QD-LED existent déjà, mais la technologie est encore en phase de maturation et les options actuelles présentent quelques inconvénients, notamment en ce qui concerne les sous-pixels bleus qu’ils contiennent. Des trois couleurs primaires, les sous-pixels bleus sont les plus importants. Grâce à un processus appelé « down-conversion« , la lumière bleue est utilisée pour générer de la lumière verte et rouge. De ce fait, les points quantiques bleus nécessitent des paramètres physiques plus étroitement contrôlés. Cela signifie souvent que les points quantiques bleus sont très complexes et coûteux à produire, et que leur qualité est un facteur critique pour tout affichage. Mais aujourd’hui, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Eiichi Nakamura du département de chimie de l’université de Tokyo a trouvé une solution.
« Les stratégies précédentes de conception de points quantiques bleus étaient très descendantes, prenant des substances chimiques relativement grandes et les soumettant à une série de processus pour les affiner et en faire quelque chose qui fonctionne« , a déclaré Nakamura. « Notre stratégie est ascendante. Nous nous sommes appuyés sur les connaissances de notre équipe en matière de chimie auto-organisatrice pour contrôler précisément les molécules jusqu’à ce qu’elles forment les structures que nous voulons. C’est comme construire une maison en briques plutôt que de la tailler dans la pierre. Il est beaucoup plus facile d’être précis, de concevoir comme on le souhaite, et c’est aussi plus efficace et plus rentable. »
Mais ce n’est pas seulement la façon dont l’équipe de Nakamura a produit son point quantique bleu qui est spéciale ; lorsqu’il est exposé à la lumière ultraviolette, il produit une lumière bleue presque parfaite, selon la norme internationale de mesure de la précision des couleurs, appelée BT.2020. Cela est dû à la composition chimique unique de leur point, un mélange hybride de composés organiques et inorganiques, dont la pérovskite de plomb, l’acide malique et l’oléylamine. Et ce n’est que par l’auto-organisation que ces composés peuvent être amenés à la forme requise, à savoir un cube de 64 atomes de plomb, répartis sur quatre côtés.
« Étonnamment, l’un de nos plus grands défis a été de découvrir que l’acide malique était une pièce clé de notre puzzle chimique. Il nous a fallu plus d’un an pour essayer méthodiquement différentes choses pour le trouver« , a déclaré Nakamura. « Ce qui est peut-être moins surprenant, c’est que notre autre grand défi a été de déterminer la structure de notre point quantique bleu. À 2,4 nanomètres, soit 190 fois plus petite que la longueur d’onde de la lumière bleue que nous cherchions à créer avec elle, la structure d’un point quantique ne peut être imagée par des moyens conventionnels. Nous nous sommes donc tournés vers un outil d’imagerie mis au point par certains membres de notre équipe, appelé SMART-EM, ou « chimie cinématique » comme nous aimons l’appeler.«
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La chimie cinématique est une évolution de l’imagerie par microscope électronique qui s’apparente davantage au tournage d’une vidéo qu’à la prise d’une image fixe. C’est essentiel pour capturer les détails de la structure du point quantique bleu, car le nanocristal est en fait assez dynamique, de sorte que toute image unique de celui-ci ne raconterait qu’une petite partie de son histoire. Malheureusement, le point quantique bleu a également une durée de vie assez courte, bien que cela ait été prévu, et l’équipe cherche maintenant à améliorer sa stabilité à l’aide d’une collaboration industrielle.
Caption / Blue Quantum Dots captured by SMART-EM.
Credit / ©2022 Nakamura et al.
Olivier J. G. L. Chevalier, Takayuki Nakamuro, Wataru Sato, Satoru Miyashita, Takayuki Chiba,
Junji Kido, Rui Shang, Eiichi Nakamura, “Precision synthesis and atomistic analysis of deep blue cubic quantum dots made via self-organization”, Journal of the American Chemical Society, DOI: 10.1021/jacs.2c08227
Funding
This research is supported by MEXT KAKENHI grant number 19H05459, JSPS KAKENHI 20K15123.
