Une nouvelle méthode améliore la production de points quantiques luminescents à taille contrôlée

La luminescence désigne le résultat d’un processus au cours duquel un objet absorbe la lumière à une longueur d’onde donnée, puis la réémet à une autre longueur d’onde. Grâce à l’absorption de la lumière, les électrons de l’état fondamental du matériau sont excités vers un état d’énergie plus élevé. Après un certain temps caractéristique de chaque état excité, les électrons se désintègrent vers des états d’énergie plus faibles, y compris l’état fondamental, et émettent de la lumière. Le phénomène est utilisé dans un large éventail d’applications technologiques impliquant des dispositifs émetteurs hautement efficaces et reproductibles qui peuvent facilement être miniaturisés.

Les matériaux présentant la plus grande efficacité de luminescence sont les points quantiques (QD), actuellement utilisés dans les écrans haute résolution, les LED, les panneaux solaires et les capteurs de divers types, tels que ceux utilisés pour l’imagerie médicale de précision. La fonctionnalisation de la surface des points quantiques avec divers types de molécules permet une interaction avec des structures cellulaires ou d’autres molécules d’intérêt dans le but d’étudier les processus biologiques au niveau moléculaire.

Les QD sont des nanoparticules semi-conductrices dont les caractéristiques émissives sont directement liées à la taille des points, en raison du phénomène de confinement quantique. Pour cette raison, le suivi et le contrôle de la croissance cristalline lors de la synthèse des QD en solution permettent une planification intelligente de la luminescence souhaitée.

Dans un article publié dans la revue Rapports scientifiquesdes chercheurs dirigés par Andrea de Camargo, professeur à l’Institut de physique de São Carlos de l’Université de São Paulo (IFSC-USP) au Brésil, et des collaborateurs de l’Université de Kiel en Allemagne présentent une nouvelle approche de la surveillance de la formation de QD.

« Nous avons utilisé le tellurure de cadmium (CdTe) comme système modèle et contrôlé la croissance des nanoparticules dans une solution aqueuse chauffée via une analyse de luminescence in situ », explique Pedro Felipe Garcia Martins da Costa, doctorant à l’IFSC-USP et premier auteur de l’article.

Cette technique permet aux scientifiques de voir ce qui se passe dans la solution en temps réel sans affecter la synthèse des QD, de sorte qu’ils peuvent surveiller la croissance des cristaux en observant la couleur (longueur d’onde) de la lumière émise.

« Les QD sont synthétisés en mélangeant du cadmium (Cd²⁺) et le tellure (Te^2-) en présence d’un réactif de contrôle de taille. La température est augmentée et la réaction chimique commence par l’agrégation d’ions tellurure et cadmium. Au fur et à mesure de la réaction, des unités supplémentaires de CdTe se joignent à l’agrégat de manière sphérique dans un processus connu sous le nom d’auto-assemblage. La taille des nanoparticules peut être estimée grâce à une surveillance rapide et précise des fréquences d’émission.

« Les QD de CdTe d’un diamètre de 1 à 2 nanomètres (nm) émettent dans les régions bleue et verte du spectre visible. Les QD plus grands, mesurant 4 à 5 nm, émettent à des fréquences plus basses, respectivement jaune et rouge », explique Leonnam Gotardo Merizio, chercheur postdoctoral à l’IFSC-USP et deuxième auteur de l’article.

Selon Costa, la nouvelle méthode présente plusieurs avantages par rapport à la stratégie de synthèse conventionnelle.

« Dans la technique conventionnelle, il faut prélever de petits échantillons de la solution pour mesurer la taille des QD, mais la technique in situ permet de le faire pendant que le processus est en cours, sans avoir à interférer avec le milieu réactionnel pour prélever des échantillons, ce qui permet d’obtenir plus de spectres par unité de temps, de ne pas affecter le volume de réaction et d’éviter les déchets inutiles. La couleur d’émission des QD d’intérêt peut donc être contrôlée de manière beaucoup plus précise.

« L’équipement qui délivre la lumière d’excitation via la fibre optique à la longueur d’onde appropriée collecte également la lumière émise et détermine sa fréquence caractéristique dans le système de couleurs RVB (rouge, vert et bleu). Il convient de noter que le contrôle du système RVB est pertinent pour la formation d’images dans plusieurs appareils luminescents, tels que les moniteurs et les écrans de smartphones », explique-t-il.

Les QD synthétisés de cette manière, a-t-il ajouté, ont également été caractérisés au moyen de la diffraction des rayons X, de la microscopie électronique à transmission, de la spectroscopie d’absorption ultraviolette-visible et de la spectroscopie de vibration infrarouge.

L’existence des points quantiques a été prédite théoriquement en 1937 par Herbert Fröhlich (1905-1991), un physicien britannique d’origine allemande. Dans les années 1980, Alexey Ekimov (né en 1945), dans ce qui était alors l’Union soviétique, et Louis Brus (né en 1943), aux États-Unis, ont observé indépendamment pour la première fois le confinement quantique dans des nanoparticules semi-conductrices. Dans les années 1990, le physicien franco-américain Moungi Bawendi (né en 1961) a développé des méthodes considérablement améliorées de synthèse de points quantiques. En 2023, Ekimov, Brus et Bawendi ont reçu le prix Nobel de chimie pour leurs travaux dans ce domaine.

« Le confinement quantique donne aux QD la capacité de confiner les électrons en trois dimensions, rendant les phénomènes quantiques plus évidents et les caractérisant comme des matériaux intermédiaires entre les atomes, les molécules et les réseaux cristallins plus grands », explique Costa.

« De nombreux articles ont été publiés sur la synthèse de QDs en CdTe. La principale contribution de notre étude concerne le développement et l’application d’un système de mesure de luminescence in situ très polyvalent. La méthodologie nous a permis de déduire la taille des nanoparticules cristallines et de caractériser la formation de composés intermédiaires dans les réactions chimiques par association in situ avec d’autres techniques permettant une analyse chimique et/ou structurale (FT-IR, Raman, DRX, etc.). Cette évolution de la synthèse optimise les rendements chimiques et économise de l’énergie », explique Camargo.