Couverture ElectroniqueS n°127

Les nanostructures de semi-conducteurs dites quantum dots font aujourd'hui l'objet de recherches de plus en plus nombreuses, à la hauteur des promesses suscitées. Notamment pour la réalisation d'écrans plats, de dispositifs d'éclairage, de panneaux photovoltaïques, de batteries, de lasers… P renant la forme de structures solides aux dimensions nanométriques, les quantum dots (QD), ou boîtes quantiques, ont, selon l'avis de la communauté scientifique, le potentiel pour révolutionner l'univers des écrans plats et les secteurs de l'éclairage, du solaire photovoltaïque, du stockage de l'énergie et du diagnostic médical. Pas moins! Découverts il y a une trentaine d'années, les quantum dots, parfois qualifiés d'atomes artificiels, prennent des formes diverses. Les plus simples sont des nanocristaux à base de matériaux semi-conducteurs, arrangés selon un motif géométrique précis, dont les dimensions extrêmement réduites induisent des propriétés électriques et optiques intéressantes. L'une d'elles est la fluorescence. Ainsi, un quantum dot excité par une lumière incidente émet de la lumière sur une longueur d'onde qui ne dépend que de sa taille. Si celle-ci est précisément contrôlée, toute couleur du spectre, de l'ultraviolet jusqu'à l'infrarouge lointain, peut être produite. Dans le domaine de la recherche médicale, cette propriété est mise en évidence avec des quantum dots de formes plus élaborées. Des molécules dites ligands sont alors attachées aux QD, afin que ces derniers puissent se fixer sur les cellules cancéreuses. Les biomarqueurs sont ensuite localisés par une technique d'imagerie par fluorescence. déjà, des applications commerciales Si les quantum dots sont susceptibles d'adresser un vaste champ d'application, à court terme, le marché dominant sera celui des écrans plats. Avec, à la clé, l'obtention d'une palette de nuances de couleurs plus étendue que celle offerte par les écrans LCD traditionnels. Ainsi, avec sa gamme d'écrans TV Triluminos, Sony a mis en œuvre une méthode de rétroéclairage à base de nanocristaux de semi-conducteurs. Pour ce faire, le japonais a mis à profit la technologie Color IQ de QD Vision, une société américaine créée par des chercheurs du MIT. A l'instar des tablettes Kindle Fire HDX d'Amazon, certains produits mobiles (le prochain iPhone 6 d'Apple ?) ont déjà suivi le mouvement pour remplacer les traditionnelles Led blanches (diodes bleues et phosphores jaunes) dévolues à la fonction de rétroéclairage. Typiquement, un éclairage Led primaire bleu excite un couple de quantum dots qui absorbent cette dernière couleur, pour émettre du vert et du rouge, dont les longueurs d'ondes sont parfaitement contrôlées. Il en résulte une précision et un gamut de couleur améliorés, au prix d'une consommation moindre. Les quantum dots promettent une gamme de couleurs bien plus étendue que celle offerte par les écrans LCD traditionnels. Source : ESPCI ParisTech Dans les futures générations d'écrans, la mission confiée aux quantum dots sera encore plus déterminante. Ils émettront en effet directement les composantes R,V,B de chaque pixel, et ne se contenteront plus d'aider à générer une lumière blanche. Samsung a d'ores et déjà présenté en 2010 un écran prototype reposant sur le principe de ces QLed ( Quantum Dot Led ). Bien d'autres applications devraient à terme lorgner sur les quantum dots. Dans le domaine de l'éclairage, des ampoules à QD devraient ainsi concurrencer les modèles à Led actuels. Du moins lorsque certains obstacles auront été franchis, pour passer de la théorie à la phase d'industrialisation. Le moindre n'étant pas celui des matériaux employés. En effet, aujourd'hui, ceux-ci sont à base de cadmium, un élément chimique toxique dont la présence n'est pas souhaitable dans des produits de grande distribution. Trouver des matériaux bien tolérés, ne contenant pas non plus de terres rares, à la fois pour des raisons de disponibilité et politiques (la production mondiale est en effet fortement concentrée en Chine), constitue le prochain défi à relever. Pour ce qui est des panneaux solaires photovoltaïques, les quantum dots promettent des rendements améliorés, à moindre coût. Bien que les rendements obtenus en laboratoire avec une cellule à QD s'avèrent encore modestes (au mieux 8,5%), on estime qu'une valeur aux alentours de 60% est envisageable. Les quantum dots sont également des candidats sérieux pour les applications de stockage de l'énergie. Les travaux portent actuellement sur le développement de batteries, de supercondensateurs et de dispositifs mixtes associant ces deux technologies.

les boîtes quantiques ou quantum dots: des structures nanométriques au fort potentiel

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