Les chimistes pourraient produire de futurs appareils tels que des écrans de nouvelle génération et des cellules solaires

Un domaine d’intérêt est celui des nanocristaux. Ces minuscules cristaux peuvent s’assembler dans de nombreuses configurations, mais les scientifiques ont du mal à comprendre comment les faire se parler.

Une nouvelle étude introduit une percée en faisant fonctionner les nanocristaux ensemble électroniquement. Publié le 25 mars dans La science, la recherche peut ouvrir les portes à de futurs appareils dotés de nouvelles capacités.

“Nous appelons ces blocs de construction super atomiques, car ils peuvent accorder de nouvelles capacités – par exemple, laisser les caméras voir dans la gamme infrarouge”, a déclaré le professeur Dmitri Talapin de l’Université de Chicago, auteur correspondant de l’article. “Mais jusqu’à présent, il était très difficile de les assembler en structures et qu’ils se parlent. Maintenant, pour la première fois, nous n’avons pas à choisir. Il s’agit d’une amélioration transformatrice.”

Dans leur article, les scientifiques établissent des règles de conception qui devraient permettre la création de nombreux types de matériaux différents, a déclaré Josh Portner, titulaire d’un doctorat. étudiant en chimie et l’un des premiers auteurs de l’étude.

Un petit problème

Les scientifiques peuvent faire pousser des nanocristaux à partir de nombreux matériaux différents : les métaux, les semi-conducteurs et les aimants produiront chacun des propriétés différentes. Mais le problème était que chaque fois qu’ils essayaient d’assembler ces nanocristaux en réseaux, les nouveaux supercristaux poussaient avec de longs “poils” autour d’eux.

Ces poils rendaient difficile le passage des électrons d’un nanocristal à l’autre. Les électrons sont les messagers de la communication électronique ; leur capacité à se déplacer facilement est un élément clé de tout appareil électronique.

Les chercheurs avaient besoin d’une méthode pour réduire les poils autour de chaque nanocristal, afin qu’ils puissent les emballer plus étroitement et réduire les espaces entre eux. “Lorsque ces écarts sont plus petits que d’un facteur trois, la probabilité que les électrons sautent est environ un milliard de fois plus élevée”, a déclaré Talapin, professeur de chimie et de génie moléculaire Ernest DeWitt Burton à UChicago et chercheur principal à Laboratoire National d’Argonne. “Cela change très fortement avec la distance.”

Pour se raser les poils, ils ont cherché à comprendre ce qui se passait au niveau atomique. Pour cela, ils avaient besoin de l’aide de puissants rayons X au Center for Nanoscale Materials d’Argonne et de la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford au SLAC National Accelerator Laboratory, ainsi que de puissantes simulations et modèles de la chimie et de la physique en jeu. Tout cela leur a permis de comprendre ce qui se passait à la surface et de trouver la clé pour exploiter leur production.

Une partie du processus de croissance des supercristaux se fait en solution, c’est-à-dire dans un liquide. Il s’avère qu’à mesure que les cristaux grandissent, ils subissent une transformation inhabituelle dans laquelle les phases gazeuse, liquide et solide coexistent. En contrôlant avec précision la chimie de cette étape, ils pourraient créer des cristaux avec des extérieurs plus durs et plus minces qui pourraient être emballés beaucoup plus étroitement. “Comprendre leur comportement de phase a été un énorme pas en avant pour nous”, a déclaré Portner.

La gamme complète des applications reste incertaine, mais les scientifiques peuvent penser à plusieurs domaines où la technique pourrait mener. “Par exemple, peut-être que chaque cristal pourrait être un qubit dans un ordinateur quantique ; le couplage de qubits en réseaux est l’un des défis fondamentaux de la technologie quantique en ce moment”, a déclaré Talapin.

Portner s’intéresse également à l’exploration de l’état intermédiaire inhabituel de la matière observé lors de la croissance des supercristaux : “La coexistence en trois phases comme celle-ci est suffisamment rare pour qu’il soit intrigant de réfléchir à la manière de tirer parti de cette chimie et de construire de nouveaux matériaux.”

L’étude comprenait des scientifiques de l’Université de Chicago, de la Technische Universität Dresden, de la Northwestern University, de l’Arizona State University, du SLAC, du Lawrence Berkeley National Laboratory et de l’Université de Californie à Berkeley.

La recherche a été menée en partie au Advanced Materials for Energy-Water Systems Center du DOE, au Midwest Integrated Center for Computational Materials, au Center for Nanoscale Materials à Argonne et à la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource du SLAC National Accelerator Laboratory.

Financement : US Department of Energy, US Department of Defense, National Science Foundation, Arnold and Mabel Beckman Foundation, Alfred P. Sloan Foundation, David and Lucile Packard Foundation, Camille and Henry Dreyfus Teacher-Scholar Awards, Sherman Fairchild Foundation.