Une nouvelle théorie pour les semi-conducteurs à base de nanocristaux
Des chercheurs de l'ETH ont fourni la première explication théorique de la manière dont le courant électrique est conduit dans des semi-conducteurs composés de nanocristaux. Cela pourrait permettre de développer à l'avenir de nouveaux capteurs, lasers ou LED pour les écrans.
Depuis quelques années, on peut acheter des téléviseurs dans lesquels la technologie QLED produit des couleurs brillantes. Le "Q" signifie "point quantique". Les points quantiques sont des cristaux de quelques nanomètres d'un matériau semi-conducteur, composés de quelques milliers d'atomes. Ces nanocristaux sont si minuscules que les électrons qui les composent ne peuvent occuper que des états énergétiques bien définis en termes de mécanique quantique ; lorsque les points quantiques sont éclairés par le rétroéclairage du moniteur de télévision, des sauts quantiques entre ces états permettent d'émettre une lumière d'une couleur donnée.
Dans la prochaine génération de téléviseurs QLED, on espère pouvoir faire briller les points quantiques directement avec un courant électrique au lieu de passer par un rétroéclairage. Pour cela, il manquait jusqu'à présent la compréhension théorique de la manière dont le courant est conduit à travers une fine pellicule de nanocristaux. Des chercheurs du Département de la technologie de l'information et de l'électrotechnique de l'ETH Zurich, sous la direction de Vanessa Wood, ont désormais comblé cette lacune, comme ils le rapportent dans la revue spécialisée Nature Communications.
Plut?t un matelas qu'un plateau de table
On sait depuis plus de quatre-vingt-dix ans comment le courant circule dans les semi-conducteurs qui n'ont pas la taille du nanomètre, et il existe des logiciels spéciaux qui permettent de modéliser leur comportement. Dans l'industrie, les propriétés électroniques des semi-conducteurs peuvent être contr?lées par l'ajout ciblé d'atomes étrangers - le dopage - qui modifie le nombre de porteurs de charge libres (électrons). En revanche, ces méthodes ne sont pas aussi facilement applicables aux semi-conducteurs, qui sont constitués de nombreux petits points quantiques nanocristallins.
Dans les nanocristaux, l'ajout d'atomes étrangers ne conduit pas nécessairement à des porteurs de charge libres. De plus, les charges libres ne se comportent pas de la même manière. "Les porteurs de charge dans les semi-conducteurs normaux se déplacent comme des boules de c?ne qui roulent sur un plateau de table lisse, alors que dans un matériau nanocristallin, ils se comportent plut?t comme des boules sur un matelas mou - ils s'enfoncent et le déforment", illustre Wood pour expliquer le problème.
Modélisation sophistiquée
Pour la modélisation théorique, cela signifie que l'on ne peut pas simplement considérer les atomes du réseau cristallin du semi-conducteur nanocristallin comme des points au repos, comme on le fait généralement pour les semi-conducteurs normaux. "Au lieu de cela, nous avons d? décrire mathématiquement chacun des centaines de milliers d'atomes au total dans les nombreux nanocristaux du matériau, et comment chacun de ces atomes interagit avec les porteurs de charge", explique Nuri Yazdani, qui a travaillé comme doctorant dans le groupe de travail de Wood et est le premier auteur de l'étude qui vient de para?tre.
Au Swiss Supercomputing Centre CSCS de Lugano, il a fait tourner un programme informatique complexe dans lequel tous les détails du problème - le mouvement des électrons et des atomes ainsi que les interactions entre eux - ont été pris en compte. "Nous voulions notamment comprendre comment les porteurs de charge se déplacent entre les différents nanocristaux et pourquoi ils sont 'piégés' et ne peuvent plus avancer", explique Yazadani.
Les résultats de ces simulations informatiques ont été très instructifs. Ce qui est décisif pour la manière dont un matériau composé de nombreux nanocristaux conduit le courant électrique, ce sont donc les minuscules déformations des cristaux de quelques millièmes de nanomètres seulement, provoquées par les électrons, qui entra?nent une grande modification de l'énergie électrostatique. Lorsqu'une charge déforme le matériau, on parle aussi de polaron et, selon les simulations de Yazdani, le courant circule entre les nanocristaux en faisant sauter les polarons d'un nanocristal à l'autre.
Un modèle pour tout
Le modèle explique comment les propriétés électroniques du semi-conducteur nanocristallin changent lorsqu'on fait varier la taille des nanocristaux et leur densité de tassement dans le film. Pour vérifier les prédictions de leurs simulations, l'équipe de chercheurs a fabriqué en laboratoire des films minces de nanocristaux et mesuré leur réaction électrique à différentes tensions électriques et températures. Pour ce faire, ils ont généré des électrons libres à une extrémité du matériau à l'aide d'une courte impulsion laser et ont observé quand ils arrivaient à l'autre extrémité. Résultat : dans chacun des plusieurs centaines de tests différents, la simulation informatique a parfaitement prédit les propriétés électriques.
"Après huit ans de travail intensif, nous avons ainsi créé un modèle qui explique enfin de manière quantitative non seulement nos expériences, mais aussi celles de nombreux autres groupes de recherche au cours des dernières années", explique Wood. "Un tel modèle permettra à l'avenir aux chercheurs et aux ingénieurs de calculer les propriétés d'un semi-conducteur nanocristallin avant même qu'il ne soit fabriqué". Il devrait ainsi être possible, par exemple, d'optimiser de tels matériaux pour certaines applications. "Jusqu'à présent, il fallait le faire par essais et erreurs", ajoute Wood.
Gr?ce aux résultats des chercheurs de l'ETH, des semi-conducteurs utiles pourraient être développés à l'avenir à partir de matériaux nanocristallins pour diverses applications dans les capteurs, les lasers ou les LED - par exemple aussi pour les téléviseurs. Comme la composition, la taille et la disposition des nanocristaux peuvent être contr?lées pendant leur fabrication, ces matériaux promettent une gamme de propriétés électriques beaucoup plus large que les semi-conducteurs traditionnels.
Référence bibliographique
Yazdani, N., Andermatt, S., Yarema, M., Wood, V. et al. Charge transport in semiconductors assembled from nanocrystal quantum dots. Nature Communications 11, 2852 (2020). DOI : page externe10.1038/s41467-020-16560-7.