Les scientifiques du laboratoire de recherche navale américain (NRL) confirment l’identification d’une nouvelle classe de nanocristaux semi-conducteurs avec des excitons à l’état fondamental brillants, une avancée significative dans le domaine de l’optoélectronique, dans un article publié dans la revue de l’American Chemical Society (ACS) ACS Nano.
Ces recherches théoriques révolutionnaires pourraient révolutionner le développement de dispositifs électroluminescents hautement efficaces et d’autres technologies.
En général, l’exciton de plus faible énergie des nanocristaux émet peu, ce qui lui vaut le nom d’exciton « sombre ». Parce qu’il ralentit l’émission de lumière, l’exciton sombre limite les performances des dispositifs à base de nanocristaux comme les lasers ou les diodes électroluminescentes (DEL). Les scientifiques cherchent depuis longtemps à surmonter l’exciton sombre.
« Nous avons cherché de nouveaux matériaux dans lesquels l’ordre des excitons est inversé, de sorte que l’exciton de plus faible énergie soit brillant », a déclaré John Lyons, Ph.D., de la section Théorie des matériaux fonctionnels avancés. « En parcourant des bases de données open source de matériaux en utilisant des critères éclairés par notre modélisation théorique, nous avons identifié plus de 150 cibles. Nous avons encore affiné cette liste grâce à des calculs avancés de principes de base, aboutissant à 28 candidats pour les nanomatériaux à excitons brillants. »
Une modélisation plus détaillée de ces matériaux indique qu’au moins quatre d’entre eux peuvent produire des excitons brillants à l’état fondamental dans des nanocristaux. « Cette découverte, réalisée en collaboration avec le professeur David Norris de l’École polytechnique fédérale de Zurich (ETH) et le Dr Peter Sercel du Centre pour les semi-conducteurs hybrides organiques-inorganiques pour l’énergie (CHOISE), pourrait ouvrir la voie au développement de dispositifs électroluminescents, de lasers et d’autres technologies ultra-lumineux et hautement efficaces », a déclaré Lyons.
Alexander Efros, Ph.D., scientifique principal de la division des sciences des matériaux et auteur principal de l’article, a expliqué les implications de la recherche.
« Dans le cadre de nos recherches, nous avons identifié plusieurs matériaux à excitons brillants capables d’émettre de la lumière sur un large spectre, de l’infrarouge à l’ultraviolet », a déclaré Efros. « Cette polyvalence les rend très utiles pour les applications optoélectroniques. La capacité de concevoir des nanocristaux avec des états excitoniques brillants sur cette large gamme ouvre de nouvelles perspectives pour créer des LED, des cellules solaires et des photodétecteurs plus performants et plus efficaces. »
En résolvant le problème des excitons sombres, les scientifiques du NRL espèrent inciter la vaste communauté des nanomatériaux à s’attaquer aux nanostructures à excitons brillants, un domaine qui a été bloqué pendant trop longtemps. Aujourd’hui, trois de ces matériaux sont cultivés au NRL dans le cadre de l’initiative Bright Nanocrystal Emitters du programme de l’Institut de nanosciences, qui vise à démontrer de manière concluante le comportement des excitons brillants en laboratoire et à l’exploiter pour les futures technologies navales.
« Nos résultats démontrent la puissance de la combinaison du criblage informatique à haut débit, de la théorie papier-crayon et des calculs de haute précision de la structure électronique », a déclaré Michael Swift, Ph. D. « Aucune technique ne serait suffisante à elle seule, mais ensemble, nous avons découvert de nouveaux nanocristaux ultra-brillants et libéré la puissance de l’exciton brillant dans des classes de matériaux inexplorées. »
La section Théorie des matériaux fonctionnels avancés effectue des recherches fondamentales et appliquées sur les systèmes de matériaux fonctionnels, structurels, biologiques et électroniques. La section est pionnière dans le développement de nouvelles méthodes de simulation des matériaux et des systèmes, notamment le développement original de techniques informatiques et théoriques, la modification d’approches existantes et l’application de méthodologies établies à de nouveaux matériaux et domaines. L’objectif de la section est d’utiliser la théorie et la simulation pour comprendre, améliorer et développer des matériaux d’importance navale actuelle et future.
Plus d’information:
Michael W. Swift et al., Identification de nanocristaux semi-conducteurs avec des excitons brillants à l’état fondamental, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.4c02905