Franchir la barrière des 1% : multiplication par 18 la luminosité de semi-conducteurs écologiques ultra-petits

Les semi-conducteurs émetteurs de lumière sont omniprésents dans la vie quotidienne, des téléviseurs et smartphones à l’éclairage. Cependant, de nombreuses barrières techniques subsistent dans le développement de matériaux semi-conducteurs respectueux de l’environnement. En particulier, les semi-conducteurs à l’échelle nanométrique, des dizaines de milliers de fois plus petits que l’épaisseur d’un cheveu humain (environ 100 000 nanomètres), sont théoriquement capables d’émettre une lumière vive, mais en pratique, leur émission a toujours été extrêmement faible. Des chercheurs du KAIST ont désormais développé une nouvelle technologie de contrôle de surface qui surmonte cette limitation.

Le KAIST a annoncé le 14 janvier qu’une équipe de recherche dirigée par le professeur Himchan Cho du Département de science et génie des matériaux a développé une technologie fondamentale pour contrôler, au niveau atomique, la surface d’amas à taille magique (MSC) de phosphure d’indium (InP)* — des particules semi-conductrices nanométriques considérées comme des matériaux semi-conducteurs écologiques de nouvelle génération.*

Le matériau étudié par l’équipe est connu sous le nom d’amas à taille magique, une particule semi-conductrice ultra-petite composée de seulement quelques dizaines d’atomes. Parce que toutes les particules ont une taille et une structure identiques, ces matériaux sont théoriquement capables d’émettre une lumière extrêmement précise et pure. Cependant, en raison de leur taille extrêmement petite (1 à 2 nanomètres), même des défauts de surface infimes provoquent la perte de la majeure partie de la lumière émise. En conséquence, l’efficacité de luminescence est restée inférieure à 1 % jusqu’à présent.

Précédemment, ce problème était abordé en gravant la surface avec des produits chimiques agressifs comme l’acide fluorhydrique (HF). Cependant, les réactions trop brutales endommageaient souvent le semi-conducteur lui-même.

L’équipe du professeur Cho a adopté une approche différente. Au lieu de retirer la surface en une seule fois, elle a conçu une stratégie de gravure de précision permettant aux réactions chimiques de progresser de manière hautement contrôlée et progressive. Cela a permis d’éliminer sélectivement uniquement les sites de défauts qui entravaient l’émission de lumière, tout en préservant la structure globale du semi-conducteur. Lors de ce processus d’élimination des défauts, le fluor généré par la réaction s’est combiné avec des espèces de zinc dans la solution pour former du chlorure de zinc, stabilisant et passivant à son tour la surface du nanocristal exposée.

Résultat : l’équipe de recherche a augmenté l’efficacité de luminescence du semi-conducteur de moins de 1 % à 18,1 %. Il s’agit de la performance la plus élevée jamais rapportée à ce jour parmi les nano-semi-conducteurs ultra-petits à base de phosphure d’indium, ce qui correspond à une multiplication par 18 de la luminosité.

Cette étude est particulièrement significative car elle démontre, pour la première fois, que les surfaces de semi-conducteurs ultra-petits — considérées auparavant comme quasi impossibles à contrôler — peuvent être modifiées avec précision au niveau atomique. La technologie devrait trouver des applications non seulement dans les écrans de nouvelle génération, mais aussi dans des domaines avancés comme la communication quantique et la détection infrarouge.

Le professeur Himchan Cho a expliqué : « Ce travail ne consiste pas simplement à fabriquer des semi-conducteurs plus brillants, mais à démontrer à quel point le contrôle atomique de la surface est critique pour atteindre les performances souhaitées. »

Article : Overcoming the Luminescence Efficiency Limitations of InP Magic-Sized Clusters – Journal : Journal of the American Chemical Society – Méthode : Meta-analysis – DOI : Lien vers l’étude

* Phosphure d’indium (InP) : un semi-conducteur composé d’indium (In) et de phosphore (P), considéré comme une alternative écologique n’utilisant pas d’éléments dangereux comme le cadmium.