Le type de nanocristaux semi-conducteurs appelés points quantiques élargit à la fois l’avant-garde de la science pure et travaille également dur dans des applications pratiques, notamment les lasers, les téléviseurs et écrans QLED quantiques, les cellules solaires, les dispositifs médicaux et autres appareils électroniques.
Une nouvelle technique pour faire croître ces cristaux microscopiques, publié cette semaine dans Sciencea non seulement trouvé un nouveau moyen plus efficace de construire un type utile de point quantique, mais a également ouvert la voie à tout un groupe de nouveaux matériaux chimiques pour l’exploration des futurs chercheurs.
« Je suis ravi de voir comment les chercheurs du monde entier peuvent exploiter cette technique pour préparer des nanocristaux auparavant inimaginables », a déclaré le premier auteur Justin Ondry, ancien chercheur postdoctoral au laboratoire Talapin de l’UChicago.
L’équipe, qui comprenait des chercheurs de l’Université de Chicago, de l’Université de Californie à Berkeley, de l’Université Northwestern, de l’Université du Colorado à Boulder et du Laboratoire national d’Argonne, a obtenu ces résultats remarquables en remplaçant les solvants organiques généralement utilisés pour créer des nanocristaux par du sel fondu, littéralement chlorure de sodium surchauffé du type saupoudré sur des pommes de terre au four.
« Le chlorure de sodium n’est pas un liquide dans votre esprit, mais supposez que vous le chauffez à une température tellement folle qu’il devient liquide. Il ressemble à un liquide. Il a une viscosité similaire à celle de l’eau. Il est incolore. Le seul problème est que personne n’a jamais envisagé ces liquides comme supports pour la synthèse colloïdale », a déclaré le professeur Dmitri Talapin de l’école d’ingénierie moléculaire UChicago Pritzker (UChicago PME) et du département de chimie.
Pourquoi du sel ?
Les points quantiques font partie des nanocristaux les plus connus, non seulement pour leurs larges utilisations commerciales, mais aussi pour les récents Prix Nobel de chimie 2023 remis à l’équipe qui les a découverts.
« S’il existe un matériau du monde du nano qui a eu un impact sur la société en termes d’applications, c’est bien le point quantique », a déclaré le professeur Eran Rabani de l’Université de Berkeley, co-auteur de l’article.
Cependant, une grande partie des recherches précédentes sur les points quantiques, y compris les travaux de Nobel, concernaient des points développés en utilisant des combinaisons d’éléments des deuxième et sixième groupes du tableau périodique, a déclaré Rabani. Ceux-ci sont appelés matériaux « II-VI » (deux-six).
Des matériaux plus prometteurs pour les points quantiques peuvent être trouvés ailleurs dans le tableau périodique.
Les matériaux trouvés dans les troisième et cinquième groupes du tableau périodique (matériaux III-V) sont utilisés dans les cellules solaires les plus efficaces, les LED les plus brillantes, les lasers à semi-conducteurs les plus puissants et les appareils électroniques les plus rapides. Ils pourraient potentiellement produire de superbes points quantiques, mais, à quelques exceptions près, il était impossible de les utiliser pour faire croître des nanocristaux en solution. Les températures requises pour fabriquer ces matériaux étaient trop élevées pour tout solvant organique connu.
Le sel fondu peut supporter la chaleur, rendant accessibles ces matériaux auparavant inaccessibles.
« Le groupe du professeur Talapin a mis au point pour la première fois de nombreux matériaux pour lesquels la synthèse colloïdale n’était tout simplement pas disponible auparavant », a déclaré le co-auteur Richard D. Schaller, qui a un rendez-vous conjoint avec le Laboratoire national d’Argonne et Université du Nord-Ouest. « Des progrès fondamentaux et appliqués peuvent désormais être réalisés grâce à bon nombre de ces matériaux nouvellement disponibles et, en même temps, une toute nouvelle frontière synthétique s’offre désormais à la communauté. »
L’ère quantique
L’une des raisons pour lesquelles les chercheurs synthétisant les nanocristaux ont négligé le sel fondu était sa forte polarité, a déclaré Zirui Zhou, étudiant diplômé de l’Université de Chicago, deuxième auteur du nouvel article.
Les ions chargés positivement et les ions chargés négativement du sel s’attirent fortement les uns vers les autres. Les petites choses comme les nanocristaux ont de petites charges de surface, les chercheurs ont donc supposé que la charge serait trop faible pour être repoussée lorsque les ions du sel les attirent. Tous les cristaux en croissance seraient écrasés avant de pouvoir former un matériau stable.
C’est du moins ce que pensaient les chercheurs précédents.
« C’est une observation surprenante », a déclaré Zhou. « Cela est très contradictoire avec ce que les scientifiques pensent traditionnellement de ces systèmes. »
La nouvelle technique peut signifier de nouveaux éléments de base pour des ordinateurs quantiques et classiques meilleurs et plus rapides, mais pour de nombreux membres de l’équipe de recherche, la partie vraiment passionnante est d’ouvrir de nouveaux matériaux à l’étude.
« De nombreuses époques de l’histoire de l’humanité sont définies par les matériaux dont l’humanité disposait – pensez à l’âge du bronze ou à l’âge du fer », a déclaré Ondry. « Dans ce travail, nous avons libéré la capacité de synthétiser près d’une douzaine de nouvelles compositions de nanocristaux qui permettront les technologies futures. »
Plus d’informations :
Justin C. Ondry et al, Les voies réductrices dans les sels inorganiques fondus permettent la synthèse colloïdale de nanocristaux semi-conducteurs III-V, Science (2024). DOI : 10.1126/science.ado7088