La découverte ouvre la voie à une nouvelle génération d’applications optoélectroniques


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  • Les points quantiques sont des amas d’environ 1 000 atomes qui agissent comme un grand « super-atome ». Il est possible de concevoir avec précision les propriétés électroniques de ces points simplement en modifiant leur taille. Cependant, pour créer des dispositifs fonctionnels, un grand nombre de points doivent être combinés dans un nouveau matériau. Au cours de ce processus, les propriétés des points sont souvent perdues. Aujourd’hui, une équipe dirigée par Maria Antonietta Loi, professeur de photophysique et d’optoélectronique à l’Université de Groningue, a réussi à créer un métamatériau optoélectronique hautement conducteur par auto-organisation. Le métamatériau est décrit dans la revue Matériaux avancés, publié le 29 octobre.

    Les points quantiques de PbSe (séléniure de plomb) ou de PbS (sulfure de plomb) peuvent convertir la lumière infrarouge à ondes courtes en un courant électrique. C’est une propriété utile pour fabriquer des détecteurs, ou un interrupteur pour les télécommunications. « Cependant, un seul point ne fait pas un appareil. Et lorsque les points sont combinés, l’assemblage perd souvent les propriétés optiques uniques des points individuels ou, s’ils les conservent, leur capacité à transporter les porteurs de charge devient très médiocre », explique Loi. « C’est parce qu’il est difficile de créer un matériau ordonné à partir de points. »

    Couche ordonnée

    En collaboration avec des collègues de l’Institut Zernike pour les matériaux avancés de la Faculté des sciences et de l’ingénierie de l’Université de Groningue, Loi a expérimenté une méthode permettant la production d’un métamatériau à partir d’une solution colloïdale de points quantiques. Ces points, chacun d’une taille d’environ cinq à six nanomètres, présentent une conductivité très élevée lorsqu’ils sont assemblés dans un réseau ordonné, tout en conservant leurs propriétés optiques.

    «Nous savions d’après la littérature que les points peuvent s’auto-organiser en une couche bidimensionnelle ordonnée. Nous voulions étendre cela à un matériau 3D », explique Loi. Pour ce faire, ils ont rempli de petits récipients avec un liquide qui agissait comme un « matelas » pour les points quantiques colloïdaux. « En injectant une petite quantité à la surface du liquide, nous avons créé un matériau 2D. Ensuite, l’ajout d’un plus grand volume de points quantiques s’est avéré produire un matériau 3D ordonné.

    Superréseau

    Les points ne sont pas immergés dans le liquide, mais s’auto-orientent sur la surface pour atteindre un état de faible énergie. « Les points ont une forme cubique tronquée, et lorsqu’ils sont assemblés, ils forment une structure ordonnée en trois dimensions ; un super-réseau, où les points agissent comme des atomes dans un cristal », explique Loi. Ce super-réseau composé des super-atomes de points quantiques affiche la mobilité électronique la plus élevée signalée pour les assemblages de points quantiques.

    Détecteurs

    Il a fallu un équipement spécial pour déterminer à quoi ressemble le nouveau métamatériau. L’équipe a utilisé un microscope électronique à résolution atomique pour montrer les détails du matériau. Ils ont également « imagé » la structure à grande échelle du matériau à l’aide d’une technique appelée diffusion des rayons X aux petits angles à incidence rasante. « Les deux techniques sont disponibles à l’Institut Zernike, grâce à mes collègues Bart Kooi et Giuseppe Portale, respectivement, qui m’ont été d’une grande aide », déclare Loi.

    Les mesures des propriétés électroniques du matériau montrent qu’il ressemble étroitement à celui d’un semi-conducteur massif, mais avec les propriétés optiques des points. Ainsi, l’expérience ouvre la voie à la création de nouveaux métamatériaux basés sur des boîtes quantiques. La sensibilité des points utilisés dans la présente étude à la lumière infrarouge pourrait être utilisée pour créer des commutateurs optiques pour les appareils de télécommunication. « Et ils pourraient également être utilisés dans des détecteurs infrarouges pour la vision nocturne et la conduite autonome. »

    Subvention ERC

    Loi est extrêmement satisfaite des résultats des expériences : « Les gens rêvent d’y parvenir depuis les années 1980. C’est depuis combien de temps des tentatives ont été faites pour assembler des points quantiques en matériaux fonctionnels. Le contrôle de la structure et des propriétés que nous avons obtenues a dépassé nos attentes les plus folles. Loi travaille maintenant sur la compréhension et l’amélioration de la technologie pour construire des super-réseaux étendus à partir de points quantiques, mais prévoit également de le faire avec d’autres blocs de construction, pour lesquels elle a récemment reçu une subvention avancée du Conseil européen de la recherche. « Notre prochaine étape consiste à améliorer la technique afin de rendre les matériaux plus parfaits et de fabriquer des photodétecteurs avec eux. »

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université de Groningue. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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