La technologie des points quantiques est actuellement en plein essor et a été utilisée ces dernières années pour améliorer la qualité des couleurs des écrans et de l’éclairage. Bien que les points quantiques aient été découverts en 1980, il a fallu un certain temps avant qu’ils ne soient utilisés dans des applications concrètes et commercialisés. Les points quantiques ont été introduits pour la première fois dans un écran de télévision en 2013 par Sony. Depuis, d’importantes découvertes et innovations dans le domaine des points quantiques ont permis un développement considérable, et leur importance dans le monde actuel est indéniable. Ils trouvent de multiples applications, notamment dans les domaines des dispositifs optoélectroniques, de l’énergie et des applications biologiques et chimiques. Avec des recherches plus approfondies sur les points quantiques, qui sait quel potentiel encore sera découvert ?
Solution de points quantiques avec différentes couleurs d’émission dues aux effets de confinement quantique
Que sont les points quantiques ?
Les points quantiques sont essentiellement des nanocristaux de matériaux semi-conducteurs. Le terme « points » fait référence à leur taille infime, généralement de l’ordre du nanomètre (2 à 10 nm), et le terme « quantique » se réfère à leurs propriétés physiques susceptibles de présenter un « effet de confinement quantique ». Cet effet se manifeste uniquement à l’échelle nanométrique et n’apparaît pas dans les matériaux semi-conducteurs massifs. Il confère aux points quantiques un comportement unique sous l’effet de la lumière (c’est-à-dire des photons). Dans un matériau semi-conducteur, un photon incident peut exciter un électron de la bande de valence (BV) vers la bande de conduction (BC), créant ainsi une paire électron-trou. Ce processus est appelé excitation. Cependant, tous les photons ne peuvent pas induire cette excitation ; seuls ceux dont l’énergie est égale ou supérieure à la bande interdite (Eg) du point quantique – la différence d’énergie entre les niveaux d’énergie des bandes de valence et de conduction – peuvent le faire. Les électrons excités dans la BC peuvent redescendre leur niveau d’énergie à un état proche du bord de bande en dissipant leur énergie excédentaire, principalement sous forme de chaleur. Ce processus est appelé relaxation. C’est alors que la magie opère : l’électron excité peut se recombiner avec le trou, libérant l’énergie acquise sous forme d’un nouveau photon. Ce photon, émis du bord de la bande de conduction au bord de la bande de valence, libère l’énergie de la bande interdite. Ce processus, appelé « recombinaison radiative », est la principale forme de photoluminescence (PL) dans les semi-conducteurs. Notre œil humain perçoit ces photons émis sous forme de lumière. Selon l’énergie de la bande interdite, nous pouvons distinguer différentes couleurs : bleu, vert, rouge, jaune, voire des couleurs invisibles à l’œil nu comme l’ultraviolet et le proche infrarouge.
Schéma de l’interaction entre les semi-conducteurs et les photons. (a) Absorption de photons, (b) relaxation électronique, (c) émission de photons par recombinaison radiative.
Dans les points quantiques, la couleur de la lumière émise est déterminée par l’énergie de la bande interdite. La particularité des points quantiques réside dans la possibilité d’ajuster cette bande interdite pour un même matériau, simplement en modifiant la taille du point quantique. Prenons l’exemple du séléniure de cadmium (CdSe), un semi-conducteur. Le CdSe massif (monocristal) ne présente pas d’effet de confinement quantique et n’émet pas de lumière sous excitation photonique (Figure 3). Cependant, si la taille de ce cristal diminue, au-delà d’une certaine taille (généralement inférieure à 50 nm), l’effet de confinement quantique se manifeste et ces nanoparticules commencent à émettre de la lumière. À mesure que les points quantiques deviennent plus petits, le confinement affecte la fonction d’onde de l’exciton, induisant des modifications de la densité d’états électroniques et de l’espacement des niveaux d’énergie. Ces modifications se traduisent par une augmentation de la bande interdite avec la diminution de la taille et par l’apparition de niveaux d’énergie discrets près des bords de bande. De ce fait, les propriétés optoélectroniques des boîtes quantiques (BQ) dépendent fortement de leur taille, ce qui permet d’ajuster leur photoluminescence (PL) sur une large gamme spectrale en contrôlant leur taille. Par exemple, les BQ de CdSe d’environ 6 nm émettent une lumière rouge (énergie de bande interdite (Eg) de 2,0 eV et longueur d’onde d’émission de 630 nm), celles d’environ 3 nm émettent une lumière verte (Eg de 2,3 eV et longueur d’onde d’émission de 550 nm) et celles d’environ 2 nm émettent une lumière bleue (Eg de 2,7 eV et longueur d’onde d’émission de 460 nm).
Représentation schématique des effets de confinement quantique dans les QDs de CdSe : l’augmentation de la bande interdite et l’apparition de niveaux d’énergie discrets aux bords de bande avec la diminution de la taille des nanocristaux par rapport au CdSe massif dans lequel le niveau d’énergie forme une bande quasi continue
Autre exemple de points quantiques
Pour contrôler et modifier une particule afin qu’elle absorbe ou émette des couleurs de lumière spécifiques, la taille du semi-conducteur peut être ajustée. Cependant, les propriétés d’un point quantique dépendent également de sa forme, de sa structure et de sa composition. Par exemple, un point quantique peut être sphérique, cubique, plein ou creux, et cet état influence naturellement ses propriétés. De plus, la composition permet aussi de contrôler ces propriétés. Ainsi, différents types de points quantiques, tels que CdSe, CdS, ZnSe, InP, les pérovskites ABX₃ , InAs et PbS, présentent des spectres d’émission différents (UV, visible ou proche infrarouge), et leur taille et leur forme peuvent être contrôlées pour ajuster le spectre.
Différents types de points quantiques et leur gamme de spectres d’émission qui peuvent être ajustés par leur taille/forme
Structure typique des points quantiques
Du point de vue structural, les points quantiques sont constitués d’un nanocristal semi-conducteur recouvert de ligands de surface. Par exemple, les points quantiques de PbS sont composés de nanocristaux de PbS protégés par des ligands possédant différents groupes fonctionnels, tels que des thiols ou des acides carboxyliques. Les ligands sont généralement des molécules organiques, mais des ions inorganiques peuvent parfois être utilisés. Ils confèrent aux points quantiques leur stabilité colloïdale et leur dispersibilité, et influencent également leur morphologie et leurs propriétés fonctionnelles.
Les nanocristaux peuvent également présenter une structure cœur-coquille, comme dans le cas des boîtes quantiques à base de CdSe ou d’InP. La coquille contribue à la passivation des défauts de surface typiques de ces boîtes quantiques. La présence de cette coquille réduit les états de piège en surface, améliorant ainsi la photoluminescence des boîtes quantiques.
Structures de points quantiques
Applications
Les points quantiques peuvent être utilisés dans de nombreux domaines d’application, notamment les dispositifs optoélectroniques, l’imagerie, l’horticulture, le stockage de l’information, la catalyse, les cellules solaires et l’imagerie biomédicale.
Différents types d’applications des points quantiques
Les points quantiques offrent des perspectives prometteuses pour les capteurs d’image, permettant la capture de la lumière à ondes courtes ou proche infrarouge, ainsi que des rayons X ou ultraviolets de haute énergie . Par exemple, l’intégration de points quantiques à un capteur CMOS en silicium permet de détecter la lumière visible et le proche infrarouge au sein d’un même pixel. Cette détection dans le proche infrarouge revêt une importance croissante dans des dispositifs tels que les appareils photo (pour la biométrie), les véhicules autonomes (détection d’obstacles), la vision industrielle (contrôle qualité et inspection des produits), la réalité augmentée et la réalité virtuelle (pour le suivi du regard), ainsi que la vision nocturne et la surveillance.
Dans le domaine des écrans de télévision , la technologie des points quantiques s’est révélée plus efficace et plus économe en énergie. Les points quantiques photoluminescents sont particulièrement prometteurs pour la prochaine génération d’écrans. Leur utilisation dans des technologies d’affichage telles que les LCD ou OLED améliore la gamme de couleurs, la luminosité, réduit la consommation d’énergie (ce qui les rend plus économiques) et diminue les coûts de fabrication. Le potentiel des écrans à points quantiques n’est pas une découverte récente. Des marques comme Samsung ont lancé leurs téléviseurs QLED dès 2015, ouvrant la voie à d’autres entreprises. Un écran à points quantiques peut être réalisé selon pratiquement n’importe quelle méthode (impression, rouleau ou pliage) et dans n’importe quelle taille, car la technologie peut être déposée sur n’importe quel support. Il offre ainsi un large éventail d’applications possibles.
Les points quantiques peuvent également servir de matériau électroluminescent actif dans les LED. Les LED à points quantiques constituent une technologie émergente prometteuse qui améliore les écrans actuels grâce à une luminosité, une durabilité et une pureté des couleurs accrues. Elles représenteront une solution idéale pour les écrans flexibles et incurvés des téléviseurs, des appareils mobiles et connectés, des lunettes de réalité virtuelle et augmentée, des écrans automobiles et de la signalétique.
Les points quantiques se sont également révélés très utiles comme éléments de production d’électricité et de réduction de l’énergie dans les cellules solaires . Leur intégration dans les cellules solaires peut se faire par des méthodes d’impression relativement peu coûteuses, comparables aux méthodes traditionnelles de dépôt sous vide à haute température, et peu énergivores lors de la fabrication. Bien que ce procédé ne soit pas encore une pratique courante, il est en cours de développement et s’avère prometteur.
Les applications des points quantiques en médecine incluent le marquage biologique, la biodétection, l’imagerie et le ciblage. En imagerie biomédicale, les points quantiques peuvent notamment permettre la détection précoce du cancer, un facteur crucial pour la survie des patients. Ils sont privilégiés par rapport aux méthodes d’imagerie conventionnelles en raison de leur photostabilité, de la haute qualité et de la possibilité d’ajuster leur émission en fonction de la taille, ainsi que de la luminosité accrue du signal. Toutes ces propriétés sont essentielles au progrès de la médecine. Les points quantiques pourraient révolutionner la médecine, rendant possibles des choses inimaginables il y a encore quelques années. Des inquiétudes subsistent quant à la toxicité potentielle des points quantiques utilisés en médecine. Des recherches approfondies et continues sont menées sur ce sujet.
Grâce à la découverte des points quantiques, le monde a accompli des prouesses inimaginables auparavant. Ne serait-ce que dans le domaine médical, ces découvertes révolutionnaires ont contribué de manière significative à l’amélioration de la qualité de vie. Le monde est en perpétuelle évolution ; les progrès technologiques constants enrichissent sans cesse les innovations existantes, et les points quantiques y ont joué un rôle déterminant. Depuis leur découverte, les points quantiques ont parcouru un long chemin, et nous leur devons nombre des avantages dont nous bénéficions aujourd’hui. Les avancées majeures réalisées dans le domaine des points quantiques leur ont assuré une place de choix dans le monde actuel, et nous prévoyons que leur impact ne fera que s’accroître à l’avenir. Les points quantiques constituent la technologie de base développée par notre partenaire Quantum Solutions.
