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RÉSUMÉ
Cet article est d’abord consacré à la description des différentes classes de nanomatériaux luminescents, qu’il s’agisse de matériaux semi-conducteurs ou d’oxydes métalliques se présentant sous la forme de nanoparticules, de nanofils ou de monofeuillets atomiques. Quelques applications originales, novatrices ou prometteuses de ces nanomatériaux luminescents dans les domaines des technologies de la communication, de l’énergie et de la santé, sont ensuite présentées. Quelques rappels, remarques et conseils sont donnés enfin concernant la législation afférente à la dangerosité et à la manipulation de ces nouveaux matériaux.
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This article first describes the different kinds of luminescent nanomaterials, such as semiconducting materials or metal oxides in the form of nanoparticles, nanowires or atomic single layers. Some original, innovative or promising applications of these nanomaterials in the domains of communications technology, energy and healthcare are proposed in a second part. Lastly the legislation regarding the potential hazards and the handling of these new materials is given.
Auteur(s)
-
Gilles LEDOUX : Chargé de recherche CNRS - Institut Lumière Matière ILM UMR5306, université Lyon 1/CNRS, Villeurbanne, France
-
Bruno MASENELLI : Professeur des universités - Institut des nanotechnologies de Lyon, INL-INSA Lyon, Villeurbanne, France
INTRODUCTION
Les nanomatériaux luminescents sont intéressants à deux titres. Ils peuvent présenter des propriétés originales spécifiques à leur taille. Ils peuvent être aussi utilisés comme briques de base à la conception de matériaux macroscopiques complexes. Après plusieurs décennies d’études fondamentales, différentes classes d’objets se sont imposées. Il s’agit par exemple de matériaux à deux dimensions (monofeuillets atomiques) ou de nanoparticules à centre coloré unique, lesquelles sont apparues récemment et portent déjà des perspectives ambitieuses. De fait, si des études fondamentales sont toujours nécessaires et en cours, ces nanomatériaux luminescents entrent à présent dans une seconde phase qui vise à leur utilisation dans des domaines aussi variés que les technologies de l’information et de la communication (nanophotonique), l’énergie (photovoltaïque et photochimique) ou les technologies pour la santé. La première partie de cet article est consacrée à la description générale des processus de luminescence en faisant en particulier la différence entre les phénomènes de luminescence intrinsèque et extrinsèque. Vient ensuite la description des différentes classes de nanomatériaux luminescents existants. Un certain nombre de ces matériaux sont ensuite décrits plus spécifiquement, en particulier ceux qui n’ont pas déjà fait l’objet d’articles dans les Techniques de l’Ingénieur. Un dernier point de cette première partie est la présentation des phénomènes de transferts entre nanomatériaux luminescents qui permettent de faire « dialoguer » les systèmes. Enfin, les applications les plus originales ou prometteuses sont présentées dans la seconde partie de cet article. L’utilisation du « dialogue » entre nanomatériaux luminescents est illustrée au travers de systèmes de conversion photonique pour les applications photovoltaïques et la photocatalyse. Les atouts des nanomatériaux luminescents pour l’éclairage (écran) ou comme marqueur/traceurs et sondes sont enfin présentés.
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KEYWORDS
nanoparticles | luminescence | size effect on luminescence
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Présentation
Sécurité – environnement – réglementation
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2. Applications
2.1 Technologie de l’information
La possibilité de disposer d’émetteurs de lumière accordable en jouant sur la taille de nanocristaux représente un potentiel évident pour la réalisation de LEDs de couleurs différentes mais plus encore de couleur blanche. Par la suite, la possibilité d’utiliser les nanocristaux comme émetteurs pour les écrans plats (TV et écrans portables) s’est imposée. Les nanocristaux permettent, entre autres, d’élargir la gamme de couleurs pouvant être délivrée. Il serait possible ainsi de passer de la norme Re. 709 actuelle à la norme DCI déjà utilisée par le cinéma . Cependant, la montée en puissance des nanocristaux n’est pas uniquement dictée par un souci de progrès technique en terme de rendu des couleurs. Elle est essentiellement la réponse de certains fabricants (Sony, Samsung) à l’arrivée concurrentielle des OLEDs (écrans à émetteurs organiques). En outre, elle fait déjà face à un problème important qui est le bannissement prochain du Cd dans l’industrie. Or les nanocristaux les plus efficaces sont des chalcogénures à base de Cd. Il faut donc d’ores et déjà envisager d’autres possibilités. Les candidats actuellement étudiés exploitent la luminescence de défauts ponctuels ou d’impuretés (ions de terre rare) dans des matrices non toxiques (oxyde métallique de type ZnO mais aussi d’oxyde ou de nitrure de Si).
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Comme la luminescence provient de la désexcitation de niveaux excités, dès lors que le système possède deux niveaux excités distants d’une énergie comparable proche de kT avec T la température à mesurer, le système peut être utilisé comme sonde de température....
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LEDOUX (G.), GUILLOIS (O.), PORTERAT (D.), REYNAUD (C.), HUISKEN (F.), KOHN (B.), PAILLARD (V.) - Photoluminescence properties of silicon nanocrystals as a function of their size. - Phys. Rev. B 62, 15942 (2000).
-
(2) - ÖZGÜR (Ü.), ALIVOV (Y.I.), LIU (C.), TEKE (A.), RESHCHIKOV (M.A.), DOĞAN (S.), AVRUTIN (V.), CHO (S.J.), MORKOÇ (H.) - * - . – J. Appl. Phys., 98, 041301 (2005).
-
(3) - HINES (M.A.), SCHOLES (G.D.) - Colloidal PbS Nanocrystals with Size-Tunable Near-Infrared Emission : Observation of Post-Synthesis Self-Narrowing of the Particle Size Distribution. - Adv. Mat. 15, 1844 (2003).
-
(4) - GROSSIORD (C.), VARLOT (K.), MARTIN (J.-M.), LE MOGNE (TH.), ESNOUF (C.), INOUE (K.) - MoS2 single sheet lubrication by molybdenum dithiocarbamate. - Tribology International 31, 737 (1998).
-
(5) - AMANI (M.) et al - Near-unity Photoluminescence Quantum Yield in MoS2 . - Science 350, 1065 (2015).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
« Nanocristaux semi-conducteurs fluorescents. Des nanoparticules aux applications multiples ».
-
« Électroluminescence des matériaux organiques. Principes de base ».
-
« Électroluminescence des matériaux organiques. Technologie ».
-
« Matériaux organiques pour diodes électroluminescentes et Lasers ».
-
*
-
« Matériaux luminescents : Techniques de caractérisation optique et spectroscopique ».
ANNEXES
Institut National de Recherche et de Sécurité (INRS) :
http://www.inrs.fr/risques/nanomateriaux/reglementation.html, consulté le 07/11/2015
European Chemicals Agency (ECHA) : http://echa.europa.eu/fr/regulations/nanomaterials, consulté le 07/11/2015
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Articles L. 523-1 à L. 523-3 du Code de l’environnement.
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