Nanocristaux colloïdaux pour l’optoélectronique

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.