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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)
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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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Glossaire
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4. Conclusion
De ce qui a été exposé ci-dessus, il apparaît clairement que les nanomatériaux luminescents, à base de semi-conducteurs ou de céramiques dopées, présentent des particularités tant en terme de modification et contrôle de leur émission qu'en terme d'interactions possibles avec leur environnement. Ceci peut être contrôlé par leur taille mais aussi par une ingénierie fine des défauts et dopants incorporés. En outre, le transfert d’énergie aux très petites tailles offre des possibilités uniques de modification spectrale. Ces nanomatériaux auront vraisemblablement un impact majeur pour la fabrication de convertisseurs de fréquences optiques.
Le défi principal est bien entendu de disposer d’objets suffisamment petits pour être intégrés dans des technologies existantes en économisant de la matière ou encore en permettant de miniaturiser les technologies existantes, voire de les remplacer. De nouvelles classes de matériaux (matériaux en monofeuillets atomiques ou possédant des centres colorés uniques tels que les nano-diamants) se révèlent être des émetteurs très intenses, manipulables et de taille ultime. L’une des forces majeures des nanomatériaux luminescents est, outre leur petit volume, leur grande surface développée qui les rend attractifs pour des applications en photochimie (photocatalyse) mais aussi pour les technologies de la santé car il est possible de les fonctionnaliser de façon très spécifique. Les applications pour l’énergie (convertisseurs de fréquence optique), pour la santé (biomarqueur multifonctionnel) et les technologies de la communication sont nombreuses et foisonnantes. Toutes, bien sûr, ne déboucheront pas sur de réels produits. Cependant, le développement de ces matériaux va continuer d’aller vers plus de polyvalence, de multifonctionnalité (plusieurs signaux exploitables), et de possibilités de manipulation (par la fonctionnalisation). À moyen terme, il ne fait pas de doute que ces nanomatériaux luminescents seront des briques de base incontournables dans des technologies nombreuses et variées dont certaines sont probablement encore à inventer.
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Conclusion
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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