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Article

1 - NANOMATÉRIAUX COLLOÏDAUX

2 - PROPRIÉTÉS OPTIQUES DES RÉSEAUX DE NANOCRISTAUX

3 - TRANSPORT ÉLECTRONIQUE DANS LES RÉSEAUX DE NANOCRISTAUX

4 - APPLICATIONS OPTOÉLECTRONIQUES

5 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : NM2033 v1

Glossaire
Nanocristaux colloïdaux pour l’optoélectronique

Auteur(s) : Emmanuel LHUILLIER, Benoît DUBERTRET

Date de publication : 10 juil. 2016

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RÉSUMÉ

Depuis son développement au début des années 1990, la croissance des nanocristaux colloïdaux a atteint un très haut niveau de maturité. Le premier intérêt pour ces matériaux résulte de leurs propriétés optiques accordables avec leur taille et leur composition. L’utilisation optoélectronique reste plus complexe que leur adressage optique car il faut en plus être capable de maîtriser le transport de charge dans un réseau de nanocristaux. Dans cet article, les applications optoélectroniques des nanocristaux pour l’émission de lumières (fluorescence, LED et laser) et d’absorption, principalement pour le photovoltaïque et la détection infrarouge, sont discutées.

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ABSTRACT

Since its first steps in the early 1990s, the growth of colloidal nanocrystals has reached a very high level of maturity. The main interest in these materials results from their optical properties, which are easily tunable though their size. The use of optoelectronics is more complex than their optical addressing because of the less mature charge transport in a network of nanocrystals. In this article the optoelectronic applications of nanocrystals for light emission (fluorescence, LED and lasing) and absorption, primarily for photovoltaics and infrared detection, are discussed.

Auteur(s)

INTRODUCTION

Les nanocristaux colloïdaux sont des nanoparticules de semi-conducteurs synthétisées par voie chimique. Leur taille nanométrique leur confère des propriétés optiques modifiées par rapport au matériau massif. Cette modification est le résultat du confinement quantique. Ce dernier a constitué un véritable changement de paradigme dans le domaine des matériaux pour l’optique. Pour la première fois, il devenait possible de moduler le spectre via des propriétés géométriques plutôt que par des procédés de métallurgie consistant à faire des alliages.

En modulant à la fois la taille et la composition, il est possible d'obtenir des propriétés optiques accordables de l'ultraviolet jusqu'au THz. En particulier, la luminescence de ces nanocristaux a suscité un grand intérêt, pour la bio-imagerie ou encore pour l'optique quantique en tant que source de photon unique. À partir de 2013, c'est l'utilisation des nanocristaux comme fluorophores pour les écrans qui a généré l'intérêt pour ces nanomatériaux. Les nanocristaux sont en passe de devenir le standard des émetteurs dans les écrans LCD car ils permettent d'obtenir d'aussi bonnes propriétés optiques que les OLED à moindre coût. Ce marché représente pour les nanocristaux plus de 100 millions de dollars avec une très forte perspective de croissance.

Ce premier marché a permis de valider l'entrée dans le monde industriel des nanocristaux. À présent, le prochain enjeu pour ces matériaux est leur intégration dans des dispositifs optoélectroniques où ils seront actifs à la fois optiquement et électriquement. De ce point de vue, les nanocristaux sont très prometteurs pour obtenir des composants à bas coûts. En effet, les nanocristaux combinent la performance et la stabilité des matériaux inorganiques avec la facilité de processabilité des matériaux polymères.

Afin d'atteindre cet objectif, il est nécessaire que les propriétés de conduction des nanocristaux atteignent le même niveau de maturité que celui atteint pour les propriétés optiques. L'obtention de films conducteurs à partir de nanocristaux est critique pour obtenir des dispositifs optoélectroniques compétitifs vis-à-vis des semi-conducteurs historiques. Cela implique de contrôler le couplage inter-boîte qui est principalement lié à la chimie de surface des nanocristaux. Depuis 2009, des efforts de recherche importants ont permis de faire passer la mobilité des porteurs de charge de 10  −6 cm2V  −1s  −1 en fin de synthèse à plus de 100 cm2V  −1s  −1, ce qui permet d'envisager de façon réaliste la fabrication de composants optoélectroniques compétitifs.

Cet article s'organise de la façon suivante. Dans une première section, la synthèse chimique des nanocristaux est présentée. Cette discussion est suivie par une présentation des propriétés optiques et de transport des films de nanocristaux. La dernière section aborde l'intégration des nanocristaux dans les composants dédiés à l'émission et à la détection de lumière.

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KEYWORDS

ligands   |   photodetector   |   nanocrystals   |   quantum confinement

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-nm2033


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6. Glossaire

nanocristaux ; particules cristallines dont la taille est nanométrique

confinement quantique : propriété quantique de la matière aux petites échelles qui induit une modification des énergies quand la dimension d’une nanoparticule est inférieure à une longueur caractéristique du matériau.

ligands : molécules absorbées à la surface des nanocristaux et dont le rôle est multiple : assurer la stabilité colloïdale de la particule et assurer sa passivation électronique (ie absence d’état dans le gap).

transport de charge : ensemble des propriétés électriques d’un matériau.

photodétecteur : transducteur qui a pour rôle de transformer un flux lumineux en signal électrique (courant ou tension).

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - NAKAMURA (S.), MUKAI (T.), SENOH (M.) -   Candela-class high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure blue-light-emitting diodes.  -  Appl. Phys. Lett. 64, 1687 (1994).

  • (2) - LEVINE (B.F.) -   Quantum-well infrared photodetectors.  -  J. Appl. Phys. 74, R1 (1993).

  • (3) - FAIST (J.), CAPASSO (F.), SIVCO (D.L.), SIRTORI (C.), HUTCHINSON (A.L.), CHO (A.Y.) -   Quantum cascade laser.  -  Science 264, 553 (1994).

  • (4) - MURRAY (C.B.), NORRIS (D.J.), BAWENDI (M.G.) -   Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites.  -  J. Am. Chem. Soc. 115, 8706-8715 (1993).

  • (5) - EKIMOV (A.I.), ONUSHCHENKO (A.A.) -   Quantum Size Effect in 3-Dimensional Microscopic Semiconductor Crystals.  -  Jetp Lett. 1981, 34, 345.

  • (6) - BRUS (L.E.) -   A...

1 Sites Internet

http://www.30-years-qds.com : site d’une conférence retraçant les 30 ans de recherche sur les nanocristaux. Le site contient des vidéos des exposés donnés par les principaux acteurs du domaine

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2 Événements et conférences

  • Gordon research conference : Colloidal Semiconductor Nanocrystals. Une fois tous les deux ans aux États-Unis.

  • Material Research Society meeting, conference deux fois par an aux États-Unis. L’équivalent européen (E-MRS) a également lieu deux fois par an.

  • QD conference : tous les deux ans, sur la thématique boîte quantique épitaxiée et colloidale.

  • Nanax : conférence europeénne sur les nanocristaux sous forme de workshop tous les deux ans.

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