Encadré 1 – Historique
Cela fait une trentaine d’années que la communauté scientifique s’intéresse aux nanocristaux de semi-conducteurs. Depuis leur découverte au début des années 1980, par Ekimov et Henglein , et leur étude théorique par Efros et Brus , les protocoles de synthèses ont été améliorés pour donner naissance, en 1993, à la première synthèse de nanocristaux de semiconducteurs colloïdaux de taille contrôlée . Depuis cette synthèse clé, le domaine a connu un développement important, notamment depuis 2000, date à laquelle de nouveaux précurseurs moins dangereux pour les synthèses ont été mis au point . Depuis, une véritable ingénierie dans la construction des nanocristaux a été développée : les alignements de bandes des différents matériaux, les systèmes cœurs/coques … ont rendu possible l’obtention de matériaux aux propriétés physico-chimiques finement contrôlables, dont les applications voient actuellement le jour à l’échelle industrielle.
Encadré 2 – Applications
L’une des principales caractéristiques des QDs est leur fluorescence. La longueur d’onde de l’émission des QDs est ajustable sur une gamme de longueurs d’onde allant du proche UV à l’infrarouge , en fonction de la composition et de la taille des nanoparticules. Cette fluorescence robuste sur une gamme de longueurs d’onde aussi importante a été mise à profit dans différentes applications. Les QDs ont d’abord été vendus comme marqueurs fluorescents dans le domaine de l’imagerie biomédicale , mais certaines limitations dans leur chimie de surface n’a pas permis une utilisation aussi importante qu’espérée. Ces limitations sont en train d’être dépassées, grâce à la mise au point d’un nouveau type de chimie de surface . Notons tout de même que le phénomène de clignotement , dont il est question dans cette fiche, pose encore problème pour le suivi de particules uniques, et la quantification précise d’analytes : nous allons y apporter des débuts de réponse prometteurs qui permettront sans doute de voir émerger, d’ici peu de temps, des QDs non clignotants à température ambiante. Une autre famille d’applications utilisant la fluorescence des QDs concerne les dispositifs d’affichage (écrans, téléphones, tablettes, livres électroniques…). Ces applications utilisent la pureté spectrale de l’émission des QDs pour obtenir des écrans avec un meilleur rendu des couleurs. Les premiers écrans à base de QDs sont vendus par Sony, Amazon et bientôt Samsung .
Il est probable que d’autres familles d’applications fondées sur les propriétés d’absorption de lumière puis la transformation d’un photon en paire de charges soient également étudiées. Cela pourrait donner lieu au développement de cellules photovoltaïques ou de photodétecteurs à base de QDs.
Les boîtes quantiques colloïdales (ou QDs) ont été découvertes il y a un peu plus de 30 ans. Depuis, l’intérêt pour ces nanoparticules de semi-conducteurs qui sont à la fois cristallines et fluorescentes n’a cessé de grandir. Aujourd’hui, plusieurs centaines d’équipes dans le monde travaillent sur ces matériaux et les premières applications industrielles à grande échelle sont apparues. Cet engouement s’explique par les propriétés optiques et électroniques uniques de ces nanomatériaux pour lesquels la taille et la surface jouent des rôles prépondérants. Ces nanoparticules sont des ambassadeurs particulièrement brillants du monde où les choses sont très petites : le nanomonde. Grâce à leurs propriétés physiques uniques, les boîtes quantiques colloïdales sont des objets de choix pour les études fondamentales des systèmes à dimensions nanométriques, mais ils trouvent également des applications dans des domaines extrêmement variés qui vont de l’électronique à l’opto-électronique, sans oublier l’imagerie biomédicale.
Parmi les caractéristiques très intéressantes des QDs, les propriétés liées à leur émission de fluorescence tiennent une place particulière. En effet, la fluorescence des QDs, tant au niveau de leur couleur que de leur temps de vie d’émission ou de leur pureté spectrale, dépend beaucoup de la taille et de la composition des QDs ; elle est donc un révélateur macroscopique de ce que « vit » le QD dans le nanomonde. De façon intrigante, au niveau de la particule unique, l’émission de fluorescence varie au cours du temps : les nanocristaux clignotent. L’intensité de leur émission oscille entre des états brillants et des états sombres. Ce clignotement, que l’on pensait universel et incontournable, a donné lieu à beaucoup d’études théoriques et limite les applications des quantum dots. Récemment cependant, des QDs non clignotants à température cryogénique ont été synthétisés, ce qui permet d’envisager la production de QDs ayant une émission parfaitement stable à température ambiante.
Nous présentons dans cet article notre compréhension actuelle du phénomène de clignotement, comment le contourner à basse température, et quelles perspectives en résultent pour l’utilisation des QDs dans des applications futures.
Glossaire
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Exciton : paire électron-trou créée dans un semi-conducteur. L’électron, à la suite d’une excitation, est promu vers la bande de conduction, laissant une lacune électronique (le trou) dans la bande de valence.
