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L'étonnant voyage des points quantiques : pourquoi les appelle-t-on « atomes artificiels »
Dans les domaines de la nanotechnologie et de la science des matériaux, les points quantiques (QD en abrégé) sont récemment devenus un sujet brûlant. Ces nanocristaux semi-conducteurs, qui ne mesurent que quelques nanomètres, ont des propriétés optiques et électroniques complètement différentes de celles des particules de plus grande taille. Les points quantiques sont attrayants en partie à cause des effets de mécanique quantique qu’ils présentent, ce qui conduit ces minuscules particules à être surnommées « atomes artificiels ».
On pense que les points quantiques ont des propriétés intermédiaires entre celles des semi-conducteurs massifs et des atomes ou molécules discrets.
Lorsque les points quantiques sont éclairés par la lumière ultraviolette, les électrons sont excités vers des états d'énergie plus élevés. Dans les boîtes quantiques semi-conductrices, ce processus correspond au transfert d’électrons de la bande de valence vers la bande de conduction. Lorsque l’électron revient dans la bande de valence, il libère de l’énergie lumineuse. Ce rayonnement lumineux est appelé photoluminescence. Il est intéressant de noter que la couleur de la lumière émise varie en fonction de la différence d’énergie des points quantiques, et cette propriété confère aux points quantiques un potentiel important dans les applications.
Les propriétés optiques et électriques des points quantiques changent à mesure qu'ils changent de taille et de forme. De manière générale, les points quantiques d'un diamètre de 5 à 6 nanomètres émettent un rayonnement de longueur d'onde plus longue, comme l'orange ou le rouge, tandis que les points quantiques d'un diamètre de 2 à 3 nanomètres émettent une lumière de longueur d'onde plus courte, notamment les couleurs bleues et vertes. L’apparence exacte de ces couleurs dépend de la composition chimique des points quantiques. Ces propriétés font que les points quantiques ont des applications potentielles dans de nombreux domaines de haute technologie, notamment les transistors à électron unique, les cellules solaires, les LED, les lasers, les sources de photons uniques, la génération de deuxième harmonique, l'informatique quantique, la recherche sur les cellules biologiques, la microscopie et l'imagerie médicale. etc.
Le potentiel d'application complet des points quantiques en fait un outil indispensable dans de nombreuses recherches scientifiques.
Il existe différents processus de préparation des points quantiques, notamment la synthèse colloïdale, l'auto-assemblage et la stimulation électrique externe. La synthèse colloïdale est l'une des méthodes les plus couramment utilisées et implique généralement de chauffer une solution pour provoquer la décomposition des matières premières, la formation de monomères et la génération de nanocristaux. La température et la concentration en monomères sont des facteurs clés affectant la croissance des cristaux. Au cours de ce processus, les atomes activés se réorganisent et se cristallisent, affectant les propriétés du point quantique final.
Dans les applications pratiques, les points quantiques nécessitent souvent des couches supplémentaires pour améliorer leurs performances. Ces couches supplémentaires réduisent le risque de recombinaison non radiative, augmentant ainsi le rendement quantique des photons. Parmi les diverses hétérostructures de points quantiques, les structures de type I comprennent un noyau semi-conducteur enveloppé dans un second matériau, tandis que les structures de type II permettent la séparation spatiale des porteurs de charge, augmentant ainsi la luminosité.
Une structure typique des points quantiques est le système CdSe/ZnS, dont la combinaison de matériaux de noyau et de coque permet à ces nanocristaux d'émettre de la lumière efficacement.
Concernant la fabrication de points quantiques, outre la synthèse colloïdale, la synthèse plasma devient également de plus en plus populaire. Cette méthode est particulièrement adaptée à la production de points quantiques liés de manière covalente. Grâce au plasma athermique, les scientifiques peuvent contrôler la forme, la taille et la composition des points quantiques. La méthode de production traditionnelle est la double injection à haute température, qui peut prendre en charge la production de masse, mais maintenir la stabilité et la qualité pendant le processus de production constitue un défi.
Avec les progrès de la technologie, de nombreuses entreprises ont commencé à rechercher des matériaux à points quantiques sans métaux lourds, qui non seulement répondent aux exigences de protection de l'environnement, mais sont également proches des points quantiques CdSe traditionnels en termes de performances. Le développement de la technologie des points quantiques est transformateur pour de nombreux secteurs, tels que la technologie d’affichage et l’imagerie biomédicale.
Les considérations sanitaires et environnementales font du développement de points quantiques sans métaux lourds une priorité absolue, y compris la coopération de micro-organismes et l'application de divers matériaux.
Dans l'ensemble, les points quantiques brillent comme des « atomes artificiels » et promettent d'offrir de nouvelles possibilités pour les technologies futures. Ils améliorent non seulement notre compréhension du monde microscopique, mais favorisent également l’innovation de nouvelles technologies. Cela signifie-t-il que les points quantiques deviendront une technologie omniprésente dans un avenir proche ?
