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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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Emmanuel LHUILLIER : Chargé de recherche, CNRS, UMR 7588, Institut des NanoSciences de Paris (INSP), 4 place Jussieu, 75005 Paris, France ; [email protected]
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Benoît DUBERTRET : Directeur de recherche, CNRS, LPEM/ESPCI, 10, rue Vauquelin, 75005 Paris, France ; [email protected]
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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Transport électronique dans les réseaux de nanocristaux
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2. Propriétés optiques des réseaux de nanocristaux
2.1 Confinement quantique
Le premier intérêt des nanocristaux est de pouvoir jouer sur leurs propriétés électroniques en modulant leurs propriétés géométriques plutôt que la composition du matériau . Pour que cela soit possible, il faut que la taille caractéristique du nanocristal soit plus faible que le rayon de Bohr de l’exciton dans le matériau massif. L’exciton est la quasi-particule constituée de la paire électron-trou photogénéré par absorption habillée de l’interaction coulombienne entre les deux. Le rayon de bohr est donné par
où ε 0 est la permittivité du vide, εr la constante diélectrique du matériau, h la constant de Planck, µ la masse effective réduite de l’exciton et e la charge élémentaire. Pour CdSe, cela correspond à une taille de 6 nm. C’est-à-dire que des nanocristaux dont le rayon est inférieur à 6 nm vont être affectés par le confinement quantique. Pour comprendre ce phénomène, on peut se rapporter à une structure de bande simple de semi-conducteur, composée d’une bande de valence pleine d’électrons et d’une bande de conduction vide en électron, les deux bandes étant séparées par une bande interdite. Le diagramme de dispersion est construit dans l’espace réciproque et relie l’énergie à l’impulsion des électrons (figure 5 a ). Quand la taille du nanocristal (R) devient petite (R < a), la gamme accessible de taille varie alors de zéro à la taille du nanocristal, ce qui correspond en impulsion à...
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Propriétés optiques des réseaux de nanocristaux
BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(5) - EKIMOV (A.I.), ONUSHCHENKO (A.A.) - Quantum Size Effect in 3-Dimensional Microscopic Semiconductor Crystals. - Jetp Lett. 1981, 34, 345.
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(6) - BRUS (L.E.) - A...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
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
HAUT DE PAGE
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Gordon research conference : Colloidal Semiconductor Nanocrystals. Une fois tous les deux ans aux États-Unis.
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Material Research Society meeting, conference deux fois par an aux États-Unis. L’équivalent européen (E-MRS) a également lieu deux fois par an.
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QD conference : tous les deux ans, sur la thématique boîte quantique épitaxiée et colloidale.
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Nanax : conférence europeénne sur les nanocristaux sous forme de workshop tous les deux ans.
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