Les nanocristaux, éléments incontournables de diverses technologies contemporaines, sont connus pour leur capacité à ajuster les couleurs. Cependant, jusqu’à récemment, chaque couleur nécessitait un nanocristal spécifique et il était impossible de passer dynamiquement d’une couleur à l’autre.
Une équipe de chercheurs de l’Institut de Chimie et du Centre pour la Nanoscience et la Nanotechnologie de l’Université Hébraïque de Jérusalem a relevé ce défi en mettant au point une solution novatrice : une « molécule artificielle » composée de deux nanocristaux semi-conducteurs couplés, chacun émettant une lumière de couleur différente, permettant un changement de couleur rapide et instantané.
Comprendre les fondamentaux : lumière colorée et nanocristaux
La lumière colorée et sa capacité à être modulée sont essentielles à de nombreuses technologies modernes : éclairage, affichages, réseaux de communication à fibres optiques rapides, etc. Lorsque les semi-conducteurs émetteurs de couleurs sont ramenés à l’échelle nanométrique (nano- un milliardième de mètre, cent mille fois plus petit qu’un cheveu humain), un phénomène appelé confinement quantique entre en jeu : le changement de la taille du nanocristal modifie la couleur de la lumière émise. Cela permet d’obtenir des sources lumineuses vives couvrant tout le spectre visible.
Ces nanocristaux, en raison de leur unique capacité à ajuster les couleurs et de leur fabrication et manipulation aisées par chimie humide, sont déjà largement utilisés dans les écrans commerciaux de haute qualité, offrant une excellente qualité de couleur tout en économisant de l’énergie.
Cependant, jusqu’à présent, l’obtention de différentes couleurs (comme nécessaire pour les différents pixels RGB) nécessitait l’utilisation de différents nanocristaux pour chaque couleur spécifique, et il n’était pas possible de passer dynamiquement entre les différentes couleurs.
Un saut en avant dans le réglage des couleurs
L’équipe de recherche a surmonté cette limitation en créant une nouvelle molécule dotée de deux centres d’émission. Un champ électrique peut régler l’émission relative de chaque centre, changeant la couleur sans perdre en luminosité. La molécule artificielle peut être conçue de manière à ce que l’un de ses nanocristaux constitutifs émette une lumière « verte« , tandis que l’autre émet une lumière « rouge« .
L’émission de cette nouvelle molécule artificielle à double émission de couleur est sensible à une tension externe induisant un champ électrique : une polarité du champ induit l’émission de lumière depuis le centre « rouge« , et en inversant le champ à l’autre polarité, l’émission de couleur passe instantanément au « vert« , et vice versa. Ce phénomène de changement de couleur est réversible et immédiat, car il n’implique aucun mouvement structurel de la molécule. Cela permet d’obtenir chacune des deux couleurs, ou toute combinaison de celles-ci, simplement en appliquant la tension appropriée sur le dispositif.
Cette capacité à contrôler précisément la modulation des couleurs dans les dispositifs optoélectroniques tout en préservant l’intensité ouvre de nouvelles possibilités dans divers domaines, notamment dans les affichages, l’éclairage et les dispositifs optoélectroniques à l’échelle nanométrique avec des couleurs réglables, mais aussi comme outil de détection sensible des champs pour les applications biologiques et les neurosciences pour suivre l’activité cérébrale.
De plus, elle permet de régler activement les couleurs d’émission dans les sources de photons uniques qui sont importantes pour les futures technologies de communication quantique.
Les implications de cette innovation
« Notre recherche représente un grand bond en avant dans les nanomatériaux pour l’optoélectronique. C’est une étape importante dans notre exposition de l’idée de ‘chimie des nanocristaux’ lancée il y a quelques années seulement dans notre groupe de recherche, où les nanocristaux sont les éléments constitutifs de molécules artificielles aux nouvelles fonctionnalités passionnantes. Être capable de changer de couleurs aussi rapidement et efficacement à l’échelle nanométrique comme nous l’avons réalisé a d’énormes possibilités. Cela pourrait transformer les écrans avancés et créer des sources de photons uniques à commutation de couleur. », a expliqué le Prof. Uri Banin de l’Université Hébraïque de Jérusalem.
En utilisant de tels « points quantiques » moléculaires avec deux centres d’émission, plusieurs couleurs spécifiques de lumière peuvent être générées en utilisant la même nanostructure. Cette percée ouvre la voie au développement de technologies sensibles pour la détection et la mesure des champs électriques.
Elle permet également de concevoir de nouveaux affichages où chaque pixel peut être contrôlé individuellement pour produire différentes couleurs, simplifiant la conception standard de l’affichage RGB à une base plus petite de pixels, ce qui a le potentiel d’augmenter la résolution et les économies d’énergie des futurs écrans commerciaux.
Ce progrès dans la commutation de couleur induite par le champ électrique a un potentiel énorme pour transformer la personnalisation des dispositifs et la détection des champs, ouvrant la voie à de futures innovations passionnantes.
En synthèse
L’équipe de chercheurs a réussi à créer une « molécule artificielle » composée de deux nanocristaux semiconducteurs, chacun émettant une lumière de couleur différente. Ce travail innovant permet un changement de couleur rapide et instantané, en surmontant les limitations précédentes liées à l’utilisation de nanocristaux spécifiques pour chaque couleur.
Cette avancée significative dans le domaine des nanomatériaux pour l’optoélectronique présente des implications majeures pour les écrans avancés, l’éclairage, les dispositifs optoélectroniques à l’échelle nanométrique et les technologies de détection de champ.
Pour une meilleure compréhension
- Qu’est-ce qu’un nanocristal ? Un nanocristal est une particule ultra-petite dont les propriétés optiques et électroniques peuvent être ajustées en modifiant sa taille.
- Qu’est-ce que la « chimie des nanocristaux » ? Il s’agit d’un domaine de recherche explorant comment les nanocristaux peuvent être utilisés comme blocs de construction pour créer de nouvelles structures avec des fonctionnalités uniques.
- Qu’est-ce qu’une « molécule artificielle » ? C’est une structure construite à partir de nanocristaux, conçue pour émettre de la lumière de deux couleurs différentes, permettant un changement de couleur rapide et instantané.
- Comment cette recherche peut-elle influencer les technologies futures ? Les découvertes peuvent transformer les écrans avancés, créer des sources de photons uniques à commutation de couleur et développer des technologies sensibles pour la détection et la mesure des champs électriques.
Équipe de recherche : Uri Banin, Yonatan Ossia, Adar Levi, Yossef E. Panfil, Somnath Koley, Einav Scharf, Nadav Chefetz, Sergei Remennik, Atzmon Vakahi – Institut de chimie et Centre de nanoscience et de nanotechnologie, Université hébraïque de Jérusalem,
Article : « Electric field induced color switching in colloidal quantum dot molecules at room temperature » – DOI : 10.1038/s41563-023-01606-0
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