?mission de lumière extrêmement brillante et rapide

Une équipe internationale de scientifiques de l'ETH Zurich, d'IBM Research Zurich, de l'Empa et de quatre instituts de recherche américains a trouvé l'explication de la raison pour laquelle une classe de nanocristaux, étudiée de manière intensive ces dernières années, brille de couleurs aussi incroyablement lumineuses. Ces nanocristaux sont des composés d'halogénures de césium et de plomb, organisés en une structure de réseau appelée pérovskite.

Il y a trois ans, Maksym Kovalenko, professeur à l'ETH Zurich et à l'Empa, a réussi à fabriquer des nanocristaux - ou points quantiques, comme on les appelle aussi - à partir de ce matériau semi-conducteur. "Ces minuscules cristaux se sont révélés être des sources de lumière extrêmement lumineuses et à émission rapide, plus lumineuses et plus rapides que tout autre type de point quantique étudié jusqu'à présent", explique Kovalenko. En faisant varier la composition des éléments chimiques et la taille des nanoparticules, il a en outre réussi à produire différents nanocristaux qui brillent dans les couleurs de l'ensemble du spectre visible. Ces points quantiques sont donc également considérés comme des composants de futures diodes électroluminescentes et d'écrans.

Dans une étude publiée dans le dernier numéro de la revue spécialisée page externeNature l'équipe internationale de chercheurs a examiné ces nanocristaux individuellement et de manière extrêmement détaillée. Les scientifiques ont ainsi pu confirmer que les nanocristaux émettent de la lumière extrêmement rapidement. Les points quantiques étudiés jusqu'à présent émettent typiquement de la lumière à température ambiante environ 20 nanosecondes après avoir été excités. C'est déjà très rapide. "En revanche, les points quantiques d'halogénure de césium et de plomb émettent de la lumière à température ambiante après seulement une nanoseconde", explique Michael Becker, premier auteur de l'étude. Il est doctorant à l'ETH Zurich et effectue sa thèse de doctorat chez IBM Research.

Paire électron-trou en état excité

Pour comprendre pourquoi les points quantiques d'halogénure de césium et de plomb sont non seulement rapides, mais aussi très brillants, il faut se plonger dans le monde des atomes individuels, des particules de lumière (photons) et des électrons : "On peut exciter les nanocristaux semi-conducteurs avec un photon de telle sorte qu'un électron quitte sa place habituelle dans le réseau cristallin et y laisse un trou", explique David Norris, professeur d'ingénierie des matériaux à l'ETH Zurich. Il en résulte une paire électron-trou qui se trouve dans un état énergétique excité. Si la paire électron-trou retombe dans son état énergétique de base, de la lumière est alors émise.

Dans certaines conditions, différents états d'énergie excitée sont possibles, dont le plus probable est appelé 'état sombre' dans de nombreux matériaux. "Dans un tel état sombre, la paire électron-trou ne peut pas revenir directement à l'état fondamental. L'émission de lumière est donc supprimée, elle se fait plus lentement et est moins brillante", explique Rainer Mahrt, scientifique chez IBM Research.

Pas à l'état sombre

Comme les chercheurs ont pu le montrer, les points quantiques d'halogénure de césium et de plomb se distinguent des autres points quantiques : Dans le cas des points quantiques de césium-plomb-halogénure, l'état énergétique excité le plus probable n'est pas un état sombre. Au contraire, les paires électrons-trous excitées se trouvent dans un état à partir duquel elles peuvent immédiatement émettre de la lumière. "C'est la raison pour laquelle ils brillent si fort", explique Norris.

Les chercheurs sont parvenus à cette conclusion sur la base de leurs nouvelles données expérimentales et à l'aide de réflexions théoriques menées par Alexander Efros, un physicien théoricien du Naval Research Laboratory à Washington. Pionnier de la recherche sur les points quantiques, il a découvert il y a 35 ans, avec d'autres scientifiques, le fonctionnement des nanocristaux semi-conducteurs traditionnels.

Excellent pour la transmission de données

Parce que les points quantiques d'halogénure de césium et de plomb étudiés sont non seulement lumineux, mais aussi peu co?teux à produire, ils entrent en ligne de compte pour une utilisation dans les écrans. Plusieurs entreprises, tant en Suisse que dans le monde, effectuent des travaux de développement dans ce domaine. "Comme les points quantiques peuvent émettre des photons très rapidement, ils sont en outre intéressants pour la communication optique de données au sein des centres de calcul et des superordinateurs. Des composants rapides, petits et efficaces y sont particulièrement importants", explique Mahrt. Une autre application future serait la simulation optique de systèmes quantiques, qui est importante dans la recherche fondamentale et la science des matériaux.

Enfin, le professeur Norris de l'ETH s'intéresse à l'utilisation de ces nouvelles connaissances pour le développement de nouveaux matériaux. "Maintenant que nous comprenons pourquoi ces points quantiques sont si brillants, nous pouvons aussi envisager de développer d'autres matériaux aux propriétés similaires ou encore meilleures", dit-il.