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L’éclat des points quantiques : pourquoi leur couleur change-t-elle avec leur taille ?
Les points quantiques (QD) sont des nanocristaux semi-conducteurs dont la taille est comprise entre quelques nanomètres et dont les propriétés optiques et électroniques diffèrent de celles des particules plus grosses en raison des effets de la mécanique quantique. Ces minuscules particules semi-conductrices constituent actuellement un sujet important en nanotechnologie et en science des matériaux. Lorsqu'un point quantique est éclairé par une lumière ultraviolette, les électrons du point quantique peuvent être excités vers un état d'énergie plus élevé. Ce processus correspond à la transition des électrons de la bande de valence à la bande de conduction pour les points quantiques semi-conducteurs. Les électrons excités peuvent être ramenés dans la bande de valence, libérant leur énergie et émettant sous forme de lumière, ce que l'on appelle la photoluminescence.
La couleur de la lumière dépend de la différence de niveaux d’énergie discrets entre les bandes de conduction et de valence des points quantiques.
Le changement de couleur d’un point quantique est étroitement lié à sa taille. En règle générale, les points quantiques d’un diamètre de 5 à 6 nanomètres émettent une lumière de longueur d’onde plus longue, généralement de couleur orange ou rouge. Les points quantiques d’un diamètre de 2 à 3 nanomètres émettent des longueurs d’onde de lumière plus courtes, telles que le bleu et le vert. Cependant, les changements dans les couleurs spécifiques sont également affectés par la composition précise des points quantiques.
Les caractéristiques des points quantiques se situent entre celles des grands semi-conducteurs et celles des atomes indépendants, et leurs propriétés optoélectroniques changent en fonction des changements de taille et de forme.
Avec les progrès de la technologie, les points quantiques ont démontré leur potentiel dans de nombreuses applications, notamment les transistors à électron unique, les cellules solaires, les diodes électroluminescentes (LED), les lasers, les sources de photons uniques, la génération d'harmoniques secondaires, l'informatique quantique et la recherche en biologie cellulaire. , microscopie et imagerie médicale. De plus, en raison de la taille minuscule des points quantiques, certains peuvent même être suspendus en solution, ce qui ouvre la voie à des applications dans l'impression à jet d'encre et le revêtement rotatif. Néanmoins, la technologie de la structure cœur/coque est également importante pour améliorer l’efficacité de la luminescence des points quantiques. Les points quantiques sont souvent recouverts de ligands organiques à longues chaînes hydrocarbonées pour contrôler la croissance, éviter l'agrégation et favoriser la dispersion en solution. Cependant, ces revêtements organiques peuvent conduire à un phénomène de « recombinaison non radiative » d'émission de photons, réduisant ainsi le rendement quantique de la lumière.
Les points quantiques avec des structures centrales/bivalves peuvent améliorer la longueur d'onde d'émission de la photoluminescence en ajustant l'épaisseur de chaque couche ainsi que la taille globale des points quantiques.
Il existe actuellement différentes méthodes de préparation de points quantiques, parmi lesquelles la synthèse colloïdale, l'auto-assemblage et le déclenchement électrique. Parmi elles, la synthèse colloïdale est une méthode de synthèse de nanocristaux semi-conducteurs à partir d'une solution, dans laquelle une solution de couleur claire est d'abord chauffée pour inciter le précurseur à se dépolymériser et à générer des nanocristaux. Le processus de croissance des nanocristaux est étroitement lié à la concentration, à la température et au temps du précurseur.
Cependant, la préparation de points quantiques ne se limite pas à la synthèse colloïdale, mais peut également être produite par des méthodes en phase gazeuse telles que la synthèse plasma. Ce procédé permet non seulement de contrôler précisément la taille, la forme et la composition des points quantiques, mais introduit également des éléments dopants dans le processus pour améliorer les performances. Cela améliore la capacité de réglage et la fonctionnalité des points quantiques, et les perspectives d’application futures dans l’électronique grand public et les équipements optoélectroniques sont prometteuses.
Avec l'avancement de la technologie de fabrication de points quantiques, qui devrait être plus largement utilisée dans les biens de consommation à l'avenir, comment garantir la sécurité de ces matériaux en termes d'environnement et de santé ?
Dans la société actuelle, l'accent étant mis sur la protection de l'environnement, de nombreuses régions ont imposé des restrictions sur les substances utilisant des métaux lourds, ce qui a également conduit à l'impact de nombreuses applications traditionnelles des points quantiques. Par conséquent, de nombreuses entreprises et instituts de recherche travaillent au développement de matériaux à points quantiques sans métaux lourds, qui non seulement ont des propriétés lumineuses brillantes, mais évitent également les dommages potentiels pour la santé et l'environnement des métaux lourds traditionnels.
En bref, les points quantiques deviennent progressivement un sujet important dans la communauté technologique en raison de leurs caractéristiques optiques uniques, montrant un grand potentiel d’application dans les domaines des LED bleues, de l’imagerie médicale ou de l’informatique quantique. Avec les progrès continus de la technologie des points quantiques inductifs, nous pouvons nous attendre à des applications plus larges à l'avenir, mais en même temps, nous devons faire face aux problèmes de sécurité de ces matériaux. Sommes-nous prêts à relever ce défi ?
