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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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Since its first steps in the early 1990s, the growth of colloidal nanocrystals has reached a very high level of maturity. The main interest in these materials results from their optical properties, which are easily tunable though their size. The use of optoelectronics is more complex than their optical addressing because of the less mature charge transport in a network of nanocrystals. In this article the optoelectronic applications of nanocrystals for light emission (fluorescence, LED and lasing) and absorption, primarily for photovoltaics and infrared detection, are discussed.
Auteur(s)
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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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KEYWORDS
ligands | photodetector | nanocrystals | quantum confinement
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3. Transport électronique dans les réseaux de nanocristaux
Avant d'aborder l'utilisation des nanocristaux dans des dispositifs optoélectroniques, il est nécessaire d'expliquer les mécanismes de conduction des charges dans les films de nanocristaux.
3.1 Transport par saut
Un film de nanocristaux est un assemblage désordonné de particules plus ou moins monodisperses. Le paysage énergétique pour modéliser cette assemblée est donc complexe car il correspond à une succession de sites d'énergie variable séparés par des barrières tunnel de longueurs variables. En effet, la polydispersité introduit une dispersion en énergie où les grosses nanoparticules ont l'énergie la plus faible et vont donc se comporter comme des pièges. L'espacement entre les nanoparticules est par ailleurs mal contrôlé, il y a au minimum la taille des ligands entre les particules mais cette distance peut être plus grande en fonction du niveau de désordre. Il en résulte que le mécanisme de transport dans un film de nanocristaux se fait par saut (hopping).
Pour qu'une charge soit transportée, elle doit d'abord être générée par injection au contact, par effet de grille ou par photoexcitation. Ensuite, pour atteindre la particule suivante, elle doit passer une barrière tunnel qui correspond aux ligands organiques en surface des particules. Cette barrière fait typiquement 1,5-2 nm de long et a une hauteur ≈ 2 eV. La passivation de la surface des nanocristaux peut par ailleurs être imparfaite. Il se crée alors des états de surface qui vont agir comme des centres de recombinaison et peuvent terminer ainsi le chemin du porteur de charge. Enfin, la morphologie du film à l'échelle micrométrique est imparfaite. C'est en particulier le cas après l'échange de ligand que nous discuterons à la section suivante. Mais l'augmentation locale du couplage qui résulte du raccourcissement des ligands génère une contraction du film et la formation de fissures. Au final, les porteurs de charge subissent un chemin de percolation complexe avant d'être collectés aux électrodes (figure 7).
À haute température, c'est-à-dire typiquement entre la température ambiante et celle de l'azote liquide, le transport se fait par saut, vers le plus proche voisin, car l'énergie thermique est suffisante pour compenser la différence en énergie d'une nanoparticule à l'autre en fonction de leur dispersion en taille. Le transport est alors thermiquement activé, la conductance (σ) est modélisée...
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Transport électronique dans les réseaux de nanocristaux
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - NAKAMURA (S.), MUKAI (T.), SENOH (M.) - Candela-class high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure blue-light-emitting diodes. - Appl. Phys. Lett. 64, 1687 (1994).
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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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