Les fascinantes propriétés des boîtes quantiques

En 2023, le prix Nobel de chimie a récompensé les chercheurs Alexei Ekimov, Luis Brus et Moungi Bawendi pour leurs contributions à la découverte et à la synthèse des boîtes quantiques colloïdales, des sphères nanométriques de semiconducteurs aux propriétés fascinantes. Quarante ans après cette découverte, les scientifiques continuent d’explorer la physique et la chimie de ces matériaux, tout en leur trouvant des applications. Clément Livache fait partie de cette nouvelle génération de chercheurs qui manipulent ces « quantum dots » (appellation anglaise des boîtes quantiques). Chimiste formé à l’Ecole Nationale de Chimie de Paris, il a effectué sa thèse à l’Institut des nanosciences de Paris sous la direction d’Emmanuel Lhuiller puis un post-doctorat dans le laboratoire de Victor Klimov à Los Alamos (Etats-Unis). Il monte aujourd’hui un nouveau projet de recherche au laboratoire de Physique de la matière condensée (PMC*).

Des nanocristaux presque parfaits

« Un des grands intérêts des boîtes quantiques colloïdales est qu’elles peuvent être synthétisées à partir de techniques de chimie inorganique en solution, contrairement aux semiconducteurs traditionnels comme le silicium, qui nécessitent des instruments lourds et couteux pour être fabriqués avec une grande pureté » souligne Clément Livache. Ici, les matériaux précurseurs sont simplement utilisés sous forme d’ions dans un solvant organique et chauffés à quelques centaines de degrés (60-300°C). Un des précurseurs est injecté promptement : c’est la méthode d’injection à chaud, inventée en 1993 par le groupe de Bawendi au MIT. « En quelques instants, des milliards de milliards de nanocristaux s’assemblent, identiques, parfaitement sphériques et sans défaut. L’injection rapide conduit à une seule étape de nucléation, ce qui permet à tous les nanocristaux synthétisés d’atteindre la même taille en fin de réaction ». 

Une des propriétés clés de ces nanocristaux est en effet leur taille, qui peut être contrôlée par la température et la durée de la réaction chimique. Dans les semiconducteurs traditionnels, les propriétés lumineuses, notamment les longueurs d’ondes de la lumière qui est absorbée ou émise, dépendent de la composition du matériau. Mais les boîtes quantiques sont si petites (de l’ordre de 2 à 20 nanomètres) que les électrons subissent un effet de confinement quantique. La taille de la boite module alors les propriétés fixées par la composition : une « grande » boîte quantique émettra une lumière plus « rouge » qu’une petite. Il devient possible ainsi d’adapter les propriétés lumineuses de façon continue sur une grande gamme de longueur d’ondes, du visible jusqu’à l’infrarouge lointain.

Intrinsèquement interdisciplinaire

Mais les recherches de Clément Livache ne se résument pas à la chimie. Elles sont par nature interdisciplinaires, d’autant plus lorsqu’il s’agit, comme ici, de monter un nouveau laboratoire. Une situation que le jeune chercheur a aussi rencontré pendant sa thèse et qu’il a beaucoup apprécié : « Il faut s’éduquer à plein de choses que l’on n’apprend pas sur les bancs de l’école ou de la fac. Acquérir des connaissances en mécanique, en électronique, réfléchir en profondeur aux propriétés que l’on veut mesurer puis concevoir les expériences adaptées avec les moyens dont on dispose. Il y a un côté excitant ! »

Il est ainsi en train de concevoir une expérience de spectroscopie ultra-rapide qui permettra, grâce à des lasers émettant des impulsions de quelques millionièmes de milliardième de seconde, de sonder directement les propriétés d’absorption de ces matériaux : combien de temps restent-t-il dans un état excité ? Par quels processus se désexcitent-ils ? Et comment jouer sur les paramètres lors de la synthèse pour optimiser ces propriétés ?

Le but, outre la compréhension fondamentale de ces matériaux, est de démontrer leur utilité pour des applications. Les boîtes quantiques sont déjà présentes aujourd’hui dans des dispositifs commerciaux. Dans certains écrans TV, elles servent à émettre les longueurs d’onde rouge et verte à partir de lumière bleue afin de générer toute la palette des couleurs. Des caméras utilisant les boîtes quantiques pour être sensibles à l’infrarouge commencent aussi à être industrialisées, grâce notamment aux travaux de Philippe Guyot-Sionnest à l’université de Chicago, ancien élève l’Ecole polytechnique, ainsi que ceux du groupe d’Emmanuel Lhuillier à Sorbonne Université. Elles peuvent aussi servir de LED, qui émettent de la lumière à partir d’un courant électrique. Clément Livache s’intéresse plus particulièrement à la possibilité de concevoir à l’aide de boites quantiques un laser accordable dans l’infrarouge et intégrable sur puce, un effet qui n’a pas encore été démontré. « Au laboratoire PMC, je suis particulièrement bien accueilli dans un environnement regroupant à la fois des chimistes spécialistes de la synthèse de nanomatériaux que de physiciens experts des interactions lumière-matière » se réjouit-il.

*PMC : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France

En savoir plus :

Chemistry Nobel Prize Celebrates Colloidal Quantum Dots:
https://www.photoniques.com/articles/photon/pdf/2023/05/photon2023122p18.pdf

Publication scientifique:
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.chemrev.2c00865