La recherche de matériaux de haute qualité pour les dispositifs électroniques et photoniques peut prendre des années de travail en laboratoire. Une nouvelle approche pourrait toutefois changer la donne. En effet, un système autonome, appelé SmartDope, pourrait réduire ce temps à quelques heures ou jours.
SmartDope a été développé pour répondre à un défi de longue date : améliorer les propriétés des matériaux appelés points quantiques de pérovskite par «dopage».
« Les points quantiques dopés sont des nanocristaux semi-conducteurs auxquels on a introduit des impuretés spécifiques de manière ciblée, modifiant ainsi leurs propriétés optiques et physico-chimiques », explique Milad Abolhasani, auteur de l’article sur SmartDope et professeur associé de génie chimique à l’Université d’État de Caroline du Nord.
Les applications potentielles des points quantiques dopés
« Ces points quantiques particuliers sont intéressants car ils sont prometteurs pour les dispositifs photovoltaïques de nouvelle génération et d’autres dispositifs photoniques et optoélectroniques », ajoute Milad Abolhasani.
Par exemple, ils pourraient être utilisés pour améliorer l’efficacité des cellules solaires, car ils peuvent absorber des longueurs d’onde de lumière UV que les cellules solaires n’absorbent pas efficacement et les convertir en longueurs d’onde de lumière que les cellules solaires convertissent très efficacement en électricité.
Le défi de la synthèse de points quantiques de haute qualité
Par contre, bien que ces matériaux soient très prometteurs, il a été difficile de développer des méthodes pour synthétiser des points quantiques de la plus haute qualité possible afin de maximiser leur efficacité à convertir la lumière UV en longueurs d’onde de lumière souhaitées.
« Nous avions une question simple », précise Milad Abolhasani. « Quel est le meilleur point quantique dopé possible pour cette application ? Mais répondre à cette question en utilisant des techniques conventionnelles pourrait prendre 10 ans. Nous avons donc développé un laboratoire autonome qui nous permet de répondre à cette question en quelques heures. »
Le fonctionnement de SmartDope
Le système SmartDope est un laboratoire «autonome».
Pour commencer, les chercheurs indiquent à SmartDope quels produits chimiques précurseurs utiliser et lui donnent un objectif précis. L’objectif de cette étude était de trouver le point quantique de pérovskite dopé avec le plus haut « rendement quantique », soit le rapport le plus élevé de photons que le point quantique émet (en longueurs d’onde infrarouge ou visible) par rapport aux photons qu’il absorbe (via la lumière UV).
Une fois qu’il a reçu ces informations initiales, SmartDope commence à mener des expériences de manière autonome. Les expériences sont menées dans un réacteur à flux continu qui utilise de très petites quantités de produits chimiques pour mener rapidement des expériences de synthèse de points quantiques alors que les précurseurs circulent à travers le système et réagissent entre eux.
Les résultats de SmartDope
« Le précédent record pour le rendement quantique dans cette classe de points quantiques dopés était de 130% – ce qui signifie que le point quantique émettait 1,3 photon pour chaque photon qu’il absorbait », indique encore le Pr. Abolhasani. « En une journée d’utilisation de SmartDope, nous avons identifié une voie pour la synthèse de points quantiques dopés qui a produit un rendement quantique de 158%. C’est une amélioration significative, qui aurait pris des années à trouver en utilisant des techniques expérimentales traditionnelles. Nous avons trouvé une solution de premier ordre pour ce matériau en une journée. »
En synthèse
SmartDope illustre le potentiel des laboratoires autonomes utilisant des réacteurs à flux pour trouver rapidement des solutions dans les sciences chimiques et des matériaux.
« Nous travaillons actuellement sur des moyens passionnants de faire avancer ce travail et sommes également ouverts à la collaboration avec des partenaires industriels », conclut le Pr. Abolhasani.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que SmartDope ?
SmartDope est un système autonome développé pour améliorer les propriétés des matériaux appelés points quantiques de pérovskite par «dopage».
Qu’est-ce qu’un point quantique dopé ?
Un point quantique dopé est un nanocristal semi-conducteur auquel on a introduit des impuretés spécifiques de manière ciblée, modifiant ainsi ses propriétés optiques et physico-chimiques.
Quelles sont les applications potentielles des points quantiques dopés ?
Les points quantiques dopés sont prometteurs pour les dispositifs photovoltaïques de nouvelle génération et d’autres dispositifs photoniques et optoélectroniques. Ils pourraient être utilisés pour améliorer l’efficacité des cellules solaires.
Comment fonctionne SmartDope ?
SmartDope est un laboratoire «autonome». Il mène des expériences de manière autonome dans un réacteur à flux continu qui utilise de très petites quantités de produits chimiques pour mener rapidement des expériences de synthèse de points quantiques.
Quels sont les résultats obtenus par SmartDope ?
SmartDope a permis d’identifier une voie pour la synthèse de points quantiques dopés qui a produit un rendement quantique de 158%, une amélioration significative par rapport au précédent record de 130%.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| SmartDope est un système autonome pour la synthèse de matériaux. |
| Il a été développé pour améliorer les propriétés des points quantiques de pérovskite. |
| Les points quantiques dopés sont prometteurs pour les dispositifs photovoltaïques de nouvelle génération. |
| SmartDope mène des expériences de manière autonome dans un réacteur à flux continu. |
| Il a permis d’identifier une voie pour la synthèse de points quantiques dopés qui a produit un rendement quantique de 158%. |
| Cela représente une amélioration significative par rapport au précédent record de 130%. |
| SmartDope pourrait réduire le temps de recherche de 10 ans à quelques heures. |
| Il utilise l’apprentissage automatique pour améliorer ses expériences. |
| SmartDope est un exemple du potentiel des laboratoires autonomes. |
| Les chercheurs sont ouverts à la collaboration avec des partenaires industriels. |
Références
Article original : «SmartDope: An Autonomous System for High-Quality Material Synthesis»
L’article, “Smart Dope: A Self-Driving Fluidic Lab for Accelerated Development of Doped Perovskite Quantum Dots,” est publié en libre accès dans la revue Advanced Energy Materials. Les coauteurs de l’article sont Fazel Bateni et Sina Sadeghi, doctorants à NC State. L’article a été cosigné par Negin Orouji et Michael Rosko, doctorants à NC State ; Jeffrey Bennett, chercheur postdoctoral à NC State ; Venkat Punati, étudiant en master à NC State ; Christine Stark, étudiante en licence à NC State ; Felix Castellano, Goodnight Innovation Distinguished Chair in Chemistry à NC State ; Junyu Wang et Ou Chen de l’université Brown ; et Kristofer Reyes de l’université de Buffalo.
