Un modèle complet dévoile les effets de la mécanique quantique derrière la photoluminescence dans de minces films d’or

Des chercheurs de l’EPFL ont développé le premier modèle complet des effets de mécanique quantique derrière la photoluminescence dans des films minces d’or ; une découverte qui pourrait stimuler le développement de carburants et de batteries solaires.

La luminescence, ou l’émission de photons par une substance exposée à la lumière, est connue depuis des centaines d’années dans les matériaux semi-conducteurs comme le silicium. Le comportement des électrons à l’échelle nanométrique lorsqu’ils absorbent puis réémettent de la lumière peut en dire beaucoup aux chercheurs sur les propriétés des semi-conducteurs. C’est pourquoi ils sont souvent utilisés comme sondes pour caractériser les processus électroniques, comme ceux qui se produisent à l’intérieur des cellules solaires.

En 1969, des scientifiques ont découvert que tous les métaux luminescents dans une certaine mesure, mais les années qui ont suivi n’ont pas permis de comprendre clairement comment cela se produisait. Le regain d’intérêt pour cette émission lumineuse, motivé par la cartographie de la température à l’échelle nanométrique et les applications de photochimie, a relancé le débat sur ses origines. Mais la réponse était encore floue – jusqu’à présent.

« Nous avons développé des films d’or métalliques de très haute qualité, ce qui nous place dans une position unique pour élucider ce processus sans les facteurs de confusion des expériences précédentes », explique Giulia Tagliabue, directrice du Laboratoire de nanosciences pour les technologies énergétiques (LNET) de l’École. d’ingénierie.

Dans une étude récente publié dans Lumière : science et applicationsTagliabue et l’équipe LNET ont focalisé des faisceaux laser sur des films d’or extrêmement fins (entre 13 et 113 nanomètres), puis ont analysé la faible lueur qui en résulte.

Les données générées par leurs expériences précises étaient si détaillées et si inattendues qu’ils ont collaboré avec des théoriciens de l’Institut des sciences et technologies de Barcelone, de l’Université du Danemark du Sud et de l’Institut polytechnique de Rensselaer (États-Unis) pour retravailler et appliquer la modélisation de la mécanique quantique. méthodes.

L’approche globale des chercheurs leur a permis de régler le débat autour du type de luminescence émanant des films – la photoluminescence – qui est définie par la manière spécifique dont les électrons et leurs homologues de charges opposées (trous) se comportent en réponse à la lumière. Cela leur a également permis de produire le premier modèle complet et entièrement quantitatif de ce phénomène dans l’or, applicable à n’importe quel métal.

Des effets quantiques inattendus

Tagliabue explique qu’en utilisant un mince film d’or monocristallin produit avec une nouvelle technique de synthèse, l’équipe a étudié le processus de photoluminescence en rendant le métal de plus en plus fin. « Nous avons observé certains effets de la mécanique quantique émerger dans des films allant jusqu’à environ 40 nanomètres, ce qui était inattendu, car normalement pour un métal, on ne voit de tels effets que lorsque l’on descend bien en dessous de 10 nm », dit-elle.

Ces observations ont fourni des informations spatiales clés sur l’endroit exact où le processus de photoluminescence s’est produit dans l’or, condition préalable à l’utilisation du métal comme sonde. Un autre résultat inattendu de l’étude a été la découverte que le signal photoluminescent (Stokes) de l’or pouvait être utilisé pour sonder la température de surface du matériau, une aubaine pour les scientifiques travaillant à l’échelle nanométrique.

« Pour de nombreuses réactions chimiques à la surface des métaux, il existe un grand débat sur pourquoi et dans quelles conditions ces réactions se produisent. La température est un paramètre clé, mais mesurer la température à l’échelle nanométrique est extrêmement difficile, car un thermomètre peut influencer votre mesure. C’est donc un énorme avantage de pouvoir sonder un matériau en utilisant le matériau lui-même comme sonde », explique Tagliabue.

Une référence en matière de développement de combustibles solaires

Les chercheurs pensent que leurs découvertes permettront d’utiliser les métaux pour obtenir des informations détaillées sans précédent sur les réactions chimiques, en particulier celles impliquées dans la recherche énergétique. Les métaux comme l’or et le cuivre, prochain objectif de recherche du LNET, peuvent déclencher certaines réactions clés, comme la réduction du dioxyde de carbone (CO2) en produits à base de carbone comme les combustibles solaires, qui stockent l’énergie solaire dans des liaisons chimiques.

« Pour lutter contre le changement climatique, nous aurons besoin de technologies permettant de convertir le CO2 en d’autres produits chimiques utiles d’une manière ou d’une autre », déclare Alan Bowman, postdoctorant au LNET, premier auteur de l’étude.

« L’utilisation de métaux est une façon d’y parvenir, mais si nous ne comprenons pas bien comment ces réactions se produisent sur leurs surfaces, nous ne pouvons pas les optimiser. La luminescence offre une nouvelle façon de comprendre ce qui se passe dans ces métaux. « .